面向細(xì)胞的金屬納米薄膜介導(dǎo)熒光技術(shù).pdf

1、金屬納米薄膜具有調(diào)控?zé)晒鈭F(tuán)發(fā)光性質(zhì)的特點(diǎn)，吸引了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。它主要通過(guò)兩種方式對(duì)熒光團(tuán)的發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控。1）金屬納米薄膜表面的等離子體與熒光團(tuán)發(fā)生耦合，使之發(fā)射高度定向的、偏振的熒光信號(hào)，產(chǎn)生表面等離子體耦合發(fā)射熒光(Surface Plasmon Coupled Emission，SPCE)。由于表面等離子體共振(SPR)模式和等離子體波導(dǎo)共振(PWR)模式的存在，SPCE技術(shù)的耦合距離可從納米級(jí)拓展到微米量級(jí)，在微米級(jí)尺

2、度樣品的研究中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。2）金屬納米薄膜反射激發(fā)光和發(fā)射光，反射光束與原光束發(fā)生干涉，產(chǎn)生鏡面效應(yīng)，從而改變熒光團(tuán)的發(fā)光強(qiáng)度、熒光壽命和發(fā)射空間分布。鏡面效應(yīng)具有遠(yuǎn)場(chǎng)特性，可在微米級(jí)尺度范圍內(nèi)增強(qiáng)熒光信號(hào)，有望提高細(xì)胞熒光成像的靈敏度和對(duì)比度。本論文致力于發(fā)展面向細(xì)胞的金屬納米薄膜介導(dǎo)的熒光技術(shù)，共六章:
　　第一章緒論。該章首先闡述了平滑金屬納米薄膜鏡面效應(yīng)增強(qiáng)熒光的原理、研究進(jìn)展及其在細(xì)胞熒光成像中的應(yīng)用;而后重點(diǎn)介紹了

3、SPCE的原理和光學(xué)特性，概述了SPCE在機(jī)理研究、基底和樣品尺度拓展、生化傳感及顯微成像等方面的研究進(jìn)展。
　　第二章探索了平滑金納米薄膜對(duì)細(xì)胞熒光成像增強(qiáng)作用的距離效應(yīng)。從熒光強(qiáng)度和熒光壽命兩個(gè)方面系統(tǒng)地考察了平滑金納米薄膜對(duì)細(xì)胞熒光成像增強(qiáng)作用的距離效應(yīng)。基底側(cè)、界面處和樣品側(cè)均能觀察到熒光增強(qiáng)細(xì)胞成像。不同物鏡條件下觀察到不同的距離效應(yīng):當(dāng)物鏡數(shù)值孔徑較小時(shí)，熒光增強(qiáng)因子不隨距離發(fā)生明顯變化;當(dāng)物鏡數(shù)值孔徑較大時(shí)，基底側(cè)熒

4、光增強(qiáng)因子隨距離增大而增大，而細(xì)胞側(cè)熒光增強(qiáng)因子則隨距離增大而減小。平滑金納米薄膜對(duì)熒光壽命的影響也具有距離效應(yīng)，與細(xì)胞深處相比，界面處細(xì)胞熒光壽命明顯縮短。此外，還考察了染色層厚度和發(fā)射光波長(zhǎng)對(duì)熒光增強(qiáng)作用的影響。本章為制備簡(jiǎn)單、使用方便、具有均一增強(qiáng)效果的平滑金屬納米薄膜在細(xì)胞熒光成像的應(yīng)用推廣提供了便利。
　　第三章研究了從納米到微米范圍內(nèi)樣品尺度與SPCE性質(zhì)的相關(guān)性?？疾炝丝諝怏w系A(chǔ)u膜和Al膜兩種基底上SPCE性質(zhì)與樣

5、品厚度的相關(guān)性，當(dāng)樣品厚度為幾十納米時(shí)，熒光團(tuán)與表面等離子體以表面等離子體共振(SPR)模式發(fā)生耦合;當(dāng)樣品厚度為100 nm到1μm時(shí)，熒光團(tuán)與表面等離子體以等離子體波導(dǎo)共振(PWR)模式發(fā)生耦合。SPR模式和PWR模式SPCE均具有偏振性、角度分辨性和波長(zhǎng)分辨性。首次研究了水溶液體系樣品厚度對(duì)SPCE性質(zhì)的影響，觀察到與空氣體系類似的變化規(guī)律。當(dāng)樣品厚度大于1μm時(shí)，水溶液體系SPCE熒光信號(hào)仍具有偏振性和角度分辨性。SPCE技術(shù)在

6、樣品厚度測(cè)定、細(xì)胞研究等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用前景。
　　第四章探究了染色細(xì)胞的SPCE性質(zhì)。利用反Kretschmann模式SPCE光譜系統(tǒng)地研究了Au膜基底上不同亞區(qū)熒光標(biāo)記細(xì)胞的SPCE現(xiàn)象。細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核染色細(xì)胞的SPCE信號(hào)均具有明顯的偏振性和角度分辨性。通過(guò)細(xì)胞密度實(shí)驗(yàn)和PMMA模擬實(shí)驗(yàn)探究了微米級(jí)尺度下樣品厚度與SPCE性質(zhì)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了兩者間新的變化規(guī)律:SPCE信號(hào)始終具有部分p-偏振性，不隨樣品厚度增大而發(fā)

7、生偏振逆轉(zhuǎn);最大發(fā)射角度幾乎不隨樣品厚度、染料層厚度、發(fā)射光波長(zhǎng)的變化而變化。探討了金屬基底種類對(duì)細(xì)胞SPCE性質(zhì)的影響，Al膜基底表現(xiàn)出最好的SPCE特性。此外，利用SPCE實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞染色過(guò)程的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。本章為SPCE技術(shù)在細(xì)胞膜流動(dòng)性、細(xì)胞內(nèi)生物分子間相互作用、細(xì)胞分區(qū)檢測(cè)中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
　　第五章初步探索了具有偏振調(diào)控功能的SPCE顯微系統(tǒng)的構(gòu)建。在全內(nèi)反射熒光顯微系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)激發(fā)光偏振性調(diào)制，并調(diào)節(jié)入射光在后焦

8、平面的位置使之滿足SPR條件，Au膜基底上可觀察到細(xì)胞的SPCE熒光顯微成像。與全內(nèi)反射熒光成像相比，熒光強(qiáng)度增大且具有SPCE特征的角度分辨性。初步探索了不同金屬基底的細(xì)胞SPCE顯微成像，30 nmAu膜適合于細(xì)胞SPCE成像研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激發(fā)光合理的偏振取向和波長(zhǎng)以及合適的金屬基底是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞SPCE成像的關(guān)鍵。此外，若對(duì)發(fā)射光進(jìn)行檢偏，純化SPCE信號(hào)，有望提高細(xì)胞成像的SPCE特性。本章為SPCE顯微系統(tǒng)的構(gòu)建和性能提高指