CN101634634B - 一种对细胞内物质实现远程激发和探测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对细胞内物质实现远程激发和探测的方法，本发明将金属纳米线作为波导，利用金属纳米线中传导的表面等离子体将激发光传播到细胞内，实现对细胞内物质或标记物的纳米范围的远程激发。细胞内物质或标记物被激发后，除了直接发出光信号被探测以外，有一部分能量可以激发金属纳米线中的传导的表面等离子体，即细胞内物质或标记物的信号可以沿纳米线传导，从而可实现对细胞内物质信号的远程探测。

Description

一种对细胞内物质实现远程激发和探测的方法

技术领域

本发明属于表面等离子传导与细胞内物质探测的交叉领域，涉及一种实现细胞内物质激发和探测的方法，特别涉及利用金属纳米线的表面等离子体传导来实现对细胞内物质进行纳米范围的激发的方法。

背景技术

金银等金属纳米结构中的自由电子在入射光的作用下可以产生相对于正电背景的集体振荡—表面等离子体，在金银等纳米线中表面等离子体可沿纳米线传播，从而实现光学衍射极限以下的光传导。表面等离子体波导潜在的应用价值使得该方向的研究成为热点。在生命科学的研究中，荧光和拉曼成像和光谱技术被广泛应用于细胞内物质的探测研究。采用的激发照明模式主要是通过显微镜的物镜将激发光会聚到细胞上，得到一个直径几百纳米到几个微米或几十微米的光斑，激发光对样品的激发和信号光的采集在同一区域，由于该激发探测模式容易实现，被广泛地采用。

发明内容

本发明提供了一种对细胞内物质实现远程激发和探测的方法：利用金属纳米线中表面等离子体的传导，实现对细胞内物质成分的纳米尺度的激发。

本发明一种对细胞内物质实现远程激发和探测的方法，具体为：

1)制备金、银的纳米线，直径为10纳米至300纳米，长度约为1微米至100微米；

2)利用细胞的内吞作用或者利用微纳操纵设备将纳米线的一端插入细胞中，另一端露在细胞外；

3)将激光聚焦在纳米线露在细胞外的一端；

4)利用从纳米线另一端导出来的光或纳米线中传播的表面等离子体，来激发细胞内物质、标记物的荧光或者拉曼信号；

5)荧光或者拉曼信号通过显微镜物镜收集，或者通过纳米线传导到激发端、纳米线的其它不连续点而被显微镜物镜收集，最后经CCD成像或者经光谱仪测量光谱。

进一步，所述步骤(3)中所用激光包括连续激光、脉冲激光和超连续白光。

进一步，所述步骤4)中标记物为荧光分子、荧光球、量子点、上转换材料。

进一步，所述步骤4)中纳米线中传导的表面等离子体在纳米线端点或者纳米线的其它不连续点以光的形式耦合出来，从而激发细胞内物质、标记物的荧光或拉曼信号。

进一步，所述步骤4)中纳米线中传导的表面等离子体直接激发纳米线附近的细胞内物质或标记物的荧光信号。

进一步，所述步骤4)中若将上转换材料连接在细胞内的特定物质上，上转换材料作为点光源，利用纳米线中传导的表面等离子体激发上转换材料发出波长较短的光，上转换材料发出的光作为激发光源激发细胞内的特定物质。

进一步，所述步骤4)中若将上转换材料连接在纳米线上，则纳米线中传导的表面等离子体直接激发上转换材料发光，纳米线就成为一个线光源，用于激发细胞中的物质。

进一步，所述步骤(5)中信号收集的位置可以是信号发射的位置，也可以是信号经纳米线传导又以光的形式发射出来的纳米线端点或其它不连续点。

进一步，所述步骤5)中的其它不连续点为另一端点、拐点、有纳米颗粒的点、纳米线的缺陷点。

进一步，所述步骤(5)中的信号收集可以与激发光共用一个物镜，也可以使用另外一个物镜。

本发明与传统的激发手段相比具有显著优点：远程激发模式可以实现在纳米尺度范围内的照明和对样品荧光和拉曼信号的激发，因而可极大的提高信噪比和减少对样品潜在的损伤；远程激发模式也可用于在直接激发模式因光吸收等无法适用的环境中实现光谱的探测。表面等离子体传导与上转换材料相结合用于细胞内物质的远程激发与探测具有其他手段和材料不具备的优势。由于上转换材料可以用波长较长的红外光激发，而红外光在纳米线中传导的距离要比可见光远，因此在本发明中使用的这种远程激发模式下，上转换材料作为生物标记具有明显的优势。另一方面，上转换材料被激发后可以发出波长较短的光，因此上转换材料又可以作为激发光源来激发细胞内的物质。由于波长较短的光如绿光在纳米线中传播距离较短，不适合用作远程激发的激发光，而利用上转换材料的特性，可以通过红外光远程激发处于细胞中的上转换材料，并利用上转换材料发射的光作为激发光源。这一发明将开启微纳尺度上光谱探测的新模式，特别是为生物体系中生化信息的远程探测提供了新方法和新思路。

附图说明

图1实施例1中所采用的激发探测模式的示意图；

图2实施例2中所采用的激发探测模式的示意图；

图3实施例3中所采用的激发探测模式的示意图；

图4实施例4中所采用的激发探测模式的示意图。

其中，图中：1、激光，2、纳米线，3、细胞，4、纳米颗粒，5、细胞内的标记物(如荧光分子、荧光球、量子点、上转换颗粒等)，6、细胞内某种物质，7、纳米操纵器，8、上转换材料，A和B分别为纳米线的两个端点，C为纳米线与细胞交叉的点，纳米线中较粗的曲线表示激光激发的表面等离子体，细胞中的发射状的箭头表示从纳米线耦合出来的光；图3中纳米线中较细的曲线表示细胞内物质或标记物的信号激发的表面等离子体，左侧发射状箭头表示信号光从纳米线端点耦合出来，从纳米线指向标记物的箭头表示表面等离子体激发标记物，反方向的箭头表示被激发的标记物可以激发纳米线中的表面等离子体，在每个标记物中，这两个过程都会发生，图中为了看得清楚而将其分别画在了两个不同的标记物上。

具体实施方式

下面结合具体实施方式及附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下列实施例，应包括权利要求书中的全部内容，以及各个实施例之间的交叉结合。

实施例1：

本发明实施例提供了一种利用表面等离子体传导实现对细胞内物质的激发和探测的方法。步骤如下：

将制备好的金、银等的纳米线(直径为10纳米至300纳米，长度约为1微米至100微米)通过离心分离等手段分散到细胞的营养液中；然后将包含纳米线的营养液加入到细胞培养皿中，经过几十分钟到几个小时的时间，很多纳米线会被细胞吞入；选择一根部分插入细胞中的纳米线，如图1所示，将激光聚焦在纳米线露在细胞外的一端A，则在纳米线另一端B有光发射出来，表明激光可以在纳米线中传导；从纳米线端点发射出来的光可以将该处细胞内物质的荧光或拉曼激发，另外，细胞内距离纳米线(BC段)几个纳米到几十个纳米范围内的物质可被银纳米线中传导的表面等离子体直接激发而发射荧光信号，通过显微镜的物镜收集，经CCD成像或者经光谱仪得到光谱。

实施例2：

本发明实施例提供了一种利用表面等离子体传导实现对细胞内物质的激发和探测的方法。步骤如下：

通过化学修饰方法将金、银等的纳米颗粒连接到制备好的金、银等的纳米线(直径为10纳米至300纳米，长度约为1微米至100微米)上，通过控制纳米颗粒的浓度和用以连接纳米线和纳米颗粒的化学物质的浓度控制每条纳米线上的纳米颗粒的数量，使得每条纳米线上只有少数几个纳米颗粒。通过离心分离等手段将连接有纳米颗粒的纳米线分散到细胞的营养液中；然后将包含纳米线的营养液加入到细胞培养皿中，经过几十分钟到几个小时的时间，很多连接有纳米颗粒的纳米线会被细胞吞入；选择一根部分插入细胞中的连接有纳米颗粒的纳米线，如图2所示，将激光聚焦在纳米线露在细胞外的一端，则在纳米线另一端及纳米线上有纳米颗粒的地方有光发射出来；利用纳米颗粒和纳米线之间的耦合作用产生的巨大的电磁场增强，使得处于该区域的细胞内物质的拉曼信号得到巨大增强，通过显微镜的物镜收集，经CCD成像或者经光谱仪采集光谱可以探测到细胞内物质的拉曼信号。

实施例3：

本发明实施例提供了一种利用表面等离子体传导实现对细胞内物质的激发和探测的方法。步骤如下：

通过化学修饰方法将量子点或荧光分子等标记物连接到到细胞内的特定物质上；将一根金、银等的纳米线(直径为10纳米至300纳米，长度约为1微米至100微米)连接到纳米操纵器(nanomanipulator)上，通过纳米操纵器将纳米线插入细胞中有标记物的特定位置，如图3所示，将激光聚焦在纳米线露在细胞外的一端，纳米线中传导的表面等离子体可以与纳米线附近的标记物发生相互作用，从而将标记物激发而发射出荧光。若标记物为上转换材料，则上转换材料发出的光可以作为点光源激发细胞内的特定物质。通过显微镜的物镜收集，可经CCD得到成像或者经光谱仪得到光谱，从而实现对荧光信号的远程激发。标记物或细胞内物质被激发以后，会有一部分能量激发纳米线中传导的表面等离子体，因而会有一部分荧光信号在纳米线中以表面等离子体的形式传播，在纳米线端点如A点以光的形式耦合出来，通过显微镜的物镜收集，可经CCD得到成像或者经光谱仪得到光谱，从而实现对荧光信号的远程激发与远程探测。

实施例4：

本发明实施例提供了一种利用表面等离子体传导实现对细胞内物质的激发和探测的方法。步骤如下：

制备金、银等的纳米线，直径为10纳米至300纳米，长度约为1微米至100微米；利用化学修饰方法将具有上转换特性的纳米颗粒连接到纳米线上；利用纳米操纵器将纳米线的一端插入细胞中，另一端露在细胞外；将激光聚焦在纳米线露在细胞外的一端，则纳米线中传导的表面等离子体可以直接激发上转换颗粒发光，这样纳米线就成为一个线光源，用于激发细胞中的物质，如图4所示。激发的荧光或者拉曼信号通过显微镜物镜收集，或者通过纳米线传导到激发端被显微镜物镜收集，经CCD成像或者经光谱仪测量光谱。

Claims (5)

1.一种对细胞内物质实现远程激发和探测的方法，具体为：

1)制备金或银的纳米线，直径为10纳米至300纳米，长度为1微米至100微米；

2)利用细胞的内吞作用或者利用微纳操纵设备将纳米线的一端插入细胞中，另一端露在细胞外；

3)将上转换材料作为标记物连接在细胞内的特定物质或纳米线上；

4)将激光聚焦在纳米线露在细胞外的一端；

5)利用纳米线中传导的表面等离子体激发细胞内的特定物质上标记的上转换材料，使上转换材料发光并作为点光源来激发细胞内的特定物质；或者利用纳米线中传导的表面等离子体直接激发其上连接的上转换材料，使上转换材料发光，以使得纳米线作为线光源，来激发细胞中的特定物质；

6)荧光或者拉曼信号通过显微镜物镜收集，或者通过纳米线传导到激发端或纳米线的其它不连续点而被显微镜物镜收集，最后经CCD成像或者经光谱仪测量光谱。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中所用激光包括连续激光、脉冲激光和超连续白光。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6)中信号收集的位置是信号发射的位置，或者是信号经纳米线传导又以光的形式发射出来的纳米线端点或其它不连续点。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤6)中的其它不连续点为另一端点或拐点或有纳米颗粒的点或纳米线的缺陷点。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6)中的信号收集与激发光共用一个物镜，或者使用另外一个物镜。

Images