CN106092973B - 一种基于双贵金属纳米探针的光热探测方法 - Google Patents

一种基于双贵金属纳米探针的光热探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种基于双贵金属纳米探针的光热探测方法，属于生物纳米探针的光学探测与成像技术领域。利用存在于双贵金属纳米粒子间的表面等离子体共振耦合所产生的增强吸收提高对加热光源的吸收率，同时利用表面等离子体共振耦合所产生的波长红移实现在可见光到近红外波段内的吸收波长调节，通过调整双粒子的结构参数进行选择测量窗口以实现与干扰物吸收波长的区分。本发明提出的方法能够在可见光到近红外宽波段内进行测量窗口的选择，剔除生物系统中干扰物的影响，实现生物分子的高特异性探测；并且可以大幅度降低加热光源的功率，解决现有技术中对高功率激发光源的依赖，减小测量过程中对生物分子的损害。

Description

一种基于双贵金属纳米探针的光热探测方法
技术领域
本发明属于生物纳米探针的光学探测与成像技术领域，涉及到高特异性和高灵敏度的光学探测方法，特别涉及到一种基于双贵金属纳米探针的光热探测方法。
背景技术
生物分子的探测与成像在生命科学的基础研究、临床医学的前期研究中占有重要的地位。分子的尺寸很小，很难对其进行直接成像，通常采用标记的方法。在分子影像技术中，光学荧光技术以其灵敏度高、无损伤等优点成为分子成像的有力手段。但是荧光物质也存在着光致漂白或“眨眼”等缺点而使观测时间受限，因此使得其它可替代标记物质日益受到重视，贵金属纳米粒子就是其中之一。例如金纳米粒子具有高亮度、可无限时间观测、生物兼容性好，更为突出的是贵金属纳米粒子具有局部表面等离子体共振特性(LSPR)。在其LSPR波长处展现出强烈的吸收，为光热成像提供了可操作空间。David Boyer等人(Science297,1160,2002)利用LSPR波长的光加热金粒子同时用另外一束波长不同的光测量该局部折射率变化，从而实现了单个金纳米粒子的探测。但是如将该项技术应用到生物分子成像中，却面临着以下一些主要问题：1)在生物环境中，存在着许多生物大分子团，这些物质同样也具有光学吸收性子，若想从这些干扰中区分出分子探针，要求探针的吸收波长具有较大的调整空间，然而单个金粒子的LSPR波长的调整范围有限，如果在测量环境中存在着吸收波长与之相近的生物分子，则很难从背景干扰中鉴别出出哪些是探针的影像；2)纳米级探针吸收截面小的缺点要求使用高功率的激发光源，因此在测量过程中对生物分子的损伤较大。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于双贵金属纳米探针的光热探测方法，利用存在于双贵金属纳米粒子间的表面等离子体共振耦合所产生的增强吸收提高对加热光源的吸收率，同时利用表面等离子体共振耦合所产生的波长红移实现在可见光到近红外波段内的吸收波长调节，通过调整双粒子的结构参数进行选择测量窗口以实现与干扰物吸收波长的区分。
本发明的技术方案是：
一种基于双贵金属纳米探针的光热探测方法，包括以下步骤：
步骤一：确定两个贵金属纳米探针稳定结合后所产生表面等离子体共振耦合的峰值吸收波长。
步骤二：由加热光源和探测光源组成光源系统，加热光源和探测光源的波长设定原则为：设定加热光源的波长等于步骤一中确定的峰值吸收波长；设定探测光源的波长为在该波长处双贵金属纳米探针不产生表面等离子体共振耦合的波长。
步骤三：加热光源发出加热光束经调制系统后再经过准直扩束系统，探测光源发出探测光束直接经过准直扩束系统；经过准直扩束系统的加热光束和探测光束，共同经显微物镜A汇聚到样品上，再通过显微物镜B收集。
步骤四：显微物镜B收集的光束经波长分光系统将探测光束与加热光束分离，探测光束入射到光电探测器上产生的光电信号经解调系统解调后送入计算机进行处理；计算机同时控制样品台的扫描与测量信号的采集和同步控制。
所述的贵金属纳米探针由具有局部表面等离子体效应的金属纳米粒子和连接在其上的分子探针组成。
所述的表面等离子体产生的共振耦合峰值吸收波长取决于两个贵金属纳米粒子的纳米结构和间距；双贵金属纳米探针的两个贵金属纳米粒子的纳米结构相同或不同。所述表面等离子体共振耦合峰值吸收波长的取值范围覆盖可见光到近红外波段；双贵金属纳米探针的两个贵金属纳米粒子的间距大于零，间距越小、吸收波长红移越大、吸收系数越高。
所述的双贵金属纳米探针作为一个整体探针使用或分裂为两个探针使用；作为一个整体探针使用时，先将两个贵金属纳米粒子连接在一起，整体作为分子探针的标记物，通过其共振耦合增强信号；分裂使用时，先分裂为两个探针，每一个探针各自带有一个贵金属纳米粒子，当此两个探针共同找到一个靶标则恢复为一个双贵金属纳米探针整体。
本发明的有益效果是：基于双贵金属纳米探针的光热探测方法能够在可见光到近红外波段内(宽波段)进行人工设定测量窗口，剔除干扰物的影响，实现生物分子的高特异性探测；并且双贵金属纳米探针可大幅度降低加热光源的功率，解决现有技术中对高功率激发光源的依赖，减小测量过程中对生物分子的损害。
附图说明
附图1是基于双贵金属纳米探针的激光扫描显微光热成像测量原理图
图中：1光源系统；2调制系统；3准直扩束系统；4显微物镜A；5样品；6显微物镜B；7样品台；8波长分光系统；9光电探测器；10解调系统 11计算机。
具体实施方式
下面结合附图1对优选实施例作详细说明。
实施例1：
一种基于双贵金属纳米探针的光热探测方法，包括以下步骤：
步骤一：构成双贵金属纳米探针的两个贵金属纳米粒子，其中一个贵金属粒子为二氧化硅芯金壳的芯壳结构、另一个粒子为实心金纳米粒子；确定两个贵金属纳米探针稳定结合后所产生表面等离子体共振耦合的峰值吸收波长。
步骤二：由加热光源和探测光源组成光源系统1，加热光源和探测光源的波长设定原则为：设定加热光源的波长等于步骤一中确定的峰值吸收波长；设定探测光源的波长为在该波长处双贵金属纳米探针不产生表面等离子体共振耦合的波长。
步骤三：加热光源发出加热光束经调制系统2后再经过准直扩束系统3，探测光源发出探测光束直接经过准直扩束系统3；经过准直扩束系统3的加热光束和探测光束，共同经显微物镜A4汇聚到样品5上，再通过显微物镜B6收集。
步骤四：显微物镜B6收集的光束经波长分光系统8将探测光束与加热光束分离，探测光束入射到光电探测器9上产生的光电信号经解调系统10解调后送入计算机11进行处理；计算机11同时控制样品台7的扫描与测量信号的采集和同步控制。
贵金属纳米探针的组成包括具有局部表面等离子体效应的金属纳米粒子和联接在其上的分子探针。
表面等离子体产生的共振耦合峰值吸收波长取决于贵金属纳米粒子的纳米结构，调整范围为可见光到近红外波段；构成双贵金属纳米探针的两个贵金属粒子之间的间距设置原则为间距大于零，间距越小、吸收波长红移越大、吸收系数越高。
先将两个贵金属纳米粒子稳定紧密连接在一起，整体作为分子探针的标记物，通过其共振耦合增强信号，用于探测待测靶标。
实施例2：
一种基于双贵金属纳米探针的光热探测方法，包括以下步骤：
步骤一：构成双贵金属纳米探针的两个贵金属纳米粒子，皆为实心金纳米粒子；确定两个贵金属纳米探针稳定结合后所产生表面等离子体共振耦合的峰值吸收波长。
步骤二：由加热光源和探测光源组成光源系统1，加热光源和探测光源的波长设定原则为：设定加热光源的波长等于步骤一中确定的峰值吸收波长；设定探测光源的波长为在该波长处双贵金属纳米探针不产生表面等离子体共振耦合的波长。
步骤三：加热光源发出加热光束经调制系统2后再经过准直扩束系统3，探测光源发出探测光束直接经过准直扩束系统3；经过准直扩束系统3的加热光束和探测光束，共同经显微物镜A4汇聚到样品5上，再通过显微物镜B6收集。
步骤四：显微物镜B6收集的光束经波长分光系统8将探测光束与加热光束分离，探测光束入射到光电探测器9上产生的光电信号经解调系统10解调后送入计算机11进行处理；计算机11同时控制样品台7的扫描与测量信号的采集和同步控制。
贵金属纳米探针的组成包括具有局部表面等离子体效应的金属纳米粒子和联接在其上的分子探针。
表面等离子体产生的共振耦合峰值吸收波长取决于贵金属纳米粒子的纳米结构，调整范围为可见光到近红外波段。构成双贵金属纳米探针的两个贵金属粒子之间的间距设置原则为间距大于零，间距越小、吸收波长红移越大、吸收系数越高。
先将各自标记了贵金属纳米粒子的两个探针用于生物分子探测，当此两个探针共同找到一个靶标则恢复为一个双贵金属纳米探针整体后进行成像。

Claims (6)

1.一种基于双贵金属纳米探针的光热探测方法，其特征在于以下步骤：
步骤一：确定两个贵金属纳米探针稳定结合后所产生表面等离子体共振耦合的峰值吸收波长；
步骤二：由加热光源和探测光源组成光源系统(1)，加热光源和探测光源的波长设定原则为：设定加热光源的波长等于步骤一中确定的峰值吸收波长；设定探测光源的波长为在该波长处双贵金属纳米探针不产生表面等离子体共振耦合的波长；
步骤三：加热光源发出加热光束经调制系统(2)后再经过准直扩束系统(3)，探测光源发出探测光束直接经过准直扩束系统(3)；经过准直扩束系统(3)的加热光束和探测光束，共同经显微物镜A(4)汇聚到样品(5)上，再通过显微物镜B(6)收集；
步骤四：显微物镜B(6)收集的光束经波长分光系统(8)将探测光束与加热光束分离，探测光束入射到光电探测器(9)上产生的光电信号经解调系统(10)解调后送入计算机(11)进行处理；计算机(11)同时控制样品台(7)的扫描与测量信号的采集和同步控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于双贵金属纳米探针的光热探测方法，其特征在于，贵金属纳米探针由具有局部表面等离子体效应的金属纳米粒子和连接在其上的分子探针组成。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于双贵金属纳米探针的光热探测方法，其特征在于，表面等离子体产生的共振耦合峰值吸收波长取决于两个贵金属纳米粒子的纳米结构和间距；双贵金属纳米探针的两个贵金属纳米粒子的纳米结构相同或不同。
4.根据权利要求3所述的一种基于双贵金属纳米探针的光热探测方法，其特征在于，所述的表面等离子体共振耦合峰值吸收波长的取值范围覆盖可见光到近红外波段；双贵金属纳米探针的两个贵金属纳米粒子的间距大于零。
5.根据权利要求1或2或4所述的一种基于双贵金属纳米探针的光热探测方法，其特征在于双贵金属纳米探针作为一个整体探针使用或分裂为两个探针使用；作为一个整体探针使用时，先将两个贵金属纳米粒子连接在一起，整体作为分子探针的标记物，通过其共振耦合增强信号；分裂使用时，先分裂为两个探针，每一个探针各自带有一个贵金属纳米粒子，当此两个探针共同找到一个靶标则恢复为一个双贵金属纳米探针整体。
6.根据权利要求3所述的一种基于双贵金属纳米探针的光热探测方法，其特征在于双贵金属纳米探针作为一个整体探针使用或分裂为两个探针使用；作为一个整体探针使用时，先将两个贵金属纳米粒子连接在一起，整体作为分子探针的标记物，通过其共振耦合增强信号；分裂使用时，先分裂为两个探针，每一个探针各自带有一个贵金属纳米粒子，当此两个探针共同找到一个靶标则恢复为一个双贵金属纳米探针整体。
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