CN107064002B - 一种荧光分析的标准光源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种荧光分析的标准光源,该光源为具有至少一个色心的材料。由于色心具有各种环境下的光稳定性、化学惰性、生物兼容性以及不易擦除;发光强度为弱光,且可以通过色心数或色心浓度的调节达到从单个色心的单光子源到较强发光强度的较大范围的调节,便于对各种弱发光物体进行荧光强度的定量标定。因此,本申请以具有色心的材料作为荧光分析的标准光源,避免了在传统荧光分析中用于标定的标准光源发光不稳定,随时间衰减,对环境要求高等问题。本发明利用含有NV色心的纳米金刚石和人工制备的含有NV色心的金刚石块体两种材料为例,给出本发明提供的荧光分析的标准光源的上述优点。
Description
技术领域
本发明涉及荧光分析技术领域,尤其涉及一种荧光分析的标准光源。
背景技术
色心(colour center)是指透明晶体中由点缺陷、点缺陷对或点缺陷群捕获电子或空穴而构成的一种缺陷。它的存在引起附加的光吸收带,使晶体着色。这种吸收光波的基本单位,通称为色心。20世纪20年代R.坡耳对碱卤化合物晶体的色心性质进行实验研究,逐步发展并完善了测定色心结构的光谱及磁共振等技术,为色心物理学奠定了基础,开拓了这一领域。
在1957年,COULSON,CA和KEARSLEY,MJ二人就对金刚石中的色心发光做过研究;到了1968年,NORRIS,CA研究了金刚石中色心发冷光的极化。从此金刚石中色心发光的研究也越来越多。如今,研究中使用最多的是金刚石色心即为NV色心(nitrogen-vacancycenter)。
荧光分析是指利用某些物质在激发光照射下产生荧光的特性及其强度进行物质定性和定量的分析方法。1852年G.G.斯托克斯(G.G.Strokes)发现荧光,真正的荧光光谱测量则始于本世纪60年代。荧光定量分析常采用直接比较法,将试样与已知物质同时放在外光源下,根据它们所发荧光的性质、颜色和强度,鉴定它们是否含有同一荧光物质。某些物质在加入某种试剂后,其产物会产生荧光,也可采用同样方法鉴定。最常用的方法是用荧光分光光度计绘制试样的荧光激发光谱和荧光发射光谱,并与已知物质的这两种光谱进行比较,从而鉴定所含成分。荧光定量分析是先将已知的荧光物质配成不同浓度的标准溶液,用荧光分光光度计测量其在某一波长处的荧光强度并绘制标准曲线,而后在完全相同的条件下测量试样的荧光强度,由标准曲线查出待测物质的含量。70年代以来,荧光分析在仪器、方法和试剂等方面发展非常迅速,在环境监测中有着广泛的应用:借助于有机试剂进行荧光分析的无机元素已达60余种,分析灵敏度可达微克/升级,与原子吸收谱法相近,但光谱干扰少;荧光检测器与液相色谱仪联用,可对有机污染物进行定量分析,如水和废水统一监测方法中多环芳烃的测定及纸层荧光分析法测BaP等。
而如今,传统的荧光分析在面对纳米量级的半导体材料、生物细胞组织、有机纳米材料时,以前常用的作为标准的光源经常会出现发光时间短、发光稳定性差、光源尺寸过大以及发光强度过高等问题。因此,用于荧光分析标定用的稳定的标准光源就十分必要,由此人们开始寻找新的用于荧光强度分析的光源物质。
虽然有研究者已经寻找了一些用于荧光强度分析的新发光源,比如硫化物、锌化合物以及一些量子点,但是这些光源普遍还存在如下几个问题:
1)发光不够稳定,发光持续时间短,一般在30分钟左右就不再发光;
2)大多数发光源由化学方法合成,得到的荧光强度光源纯度不够高,发光波段不单一,且有一定的化学毒性,在一部分领域(如生物细胞等方向)使用困难;
3)光源尺寸大,远大于需要定量标定的被测物质,导致被测物质不易被探测到;而在生物领域中,尺寸太大也不易进入细胞等组织内部,带来不便;
4)光源位置不易固定,很容易受到外界干扰而被移动,或者擦除;
5)光源发光强度过高,弱光的标定十分困难。
因此,一种可以避免上述问题的用于荧光分析的标准光源方法亟待发现。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供荧光分析的标准光源,本申请提供的标准光源可用于荧光分析,且标准光源的稳定性好。
有鉴于此,本申请提供了一种荧光分析的标准光源,包括:具有至少一个色心的材料。
优选的,所述标准光源为单光子源。
优选的,所述标准光源包括两个色心,每个色心存在于不同的材料中。
优选的,所述材料为纳米尺寸的材料或块状材料。
优选的,所述材料为纳米金刚石。
优选的,所述色心为天然存在于材料中的色心或经过处理后存在于材料中的色心。
优选的,所述处理的方法为离子注入法。
优选的,所述离子注入法之前还包括包括一级处理;所述一级处理包括光刻工艺、等离子体刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺。
优选的,所述离子注入法之后还包括二级处理,所述二级处理包括超声清洗和旋涂的整体处理、高温退火工艺、高温氧化工艺、等离子体刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺。
本申请提供了荧光分析的标准光源,该标准光源包括具有至少一种色心的材料,由于色心具有在各种环境下的光稳定性,且发光强度为弱光,因此,本申请提供的标准光源避免了在传统荧光分析中,用于标定的标准光源发光不稳定,随时间衰减,对环境要求高等问题。
附图说明
图1为稀释的纳米金刚石颗粒悬浊液照片;
图2为经硫酸处理并清洗的石英片表面照片;
图3为经硫酸处理并清洗后的石英片局部放大照片;
图4为在石英片上旋涂纳米金刚石悬浊液后的薄膜边界的照片;
图5为单个纳米金刚石颗粒的荧光成像图(1M);
图6为单个纳米金刚石颗粒的荧光成像图(500k);
图7为在4×4μm范围内存在的单个纳米金刚石的荧光成像图;
图8为实施例2制备的具有掩模图案的金刚石块体材料照片;
图9为实施例2制备的具有掩模图案的金刚石块体材料局部放大照片;
图10为实施例2制备的的金刚石块体材料表面照片;
图11为10×10μm范围的金刚石块体材料的NV色心阵列荧光成像图;
图12为5×5μm范围的金刚石块体材料的NV色心阵列荧光成像图;
图13为实施例2制备的金刚石块体材料中单色心的荧光成像图;
图14为实施例2制备的金刚石块体材料中双色心的荧光成像图;
图15为实施例2制备的金刚石块体材料中多色心的荧光成像图;
图16为实施例3旋涂过硫化镉纳米颗粒的金刚石片照片;
图17为实施例3发光半导体硫化镉的荧光成像图;
图18为实施例3NV色心与硫化镉的荧光成像图;
图19为用于鉴定半导体或NV色心的连续波测量图;
图20为荧光强度不同的色心随距离金刚石表面深度变化的荧光强度变化曲线。
具体实施方式
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了一种荧光分析的标准光源,包括:具有至少一个色心的材料。
本申请提供了一种荧光分析的标准光源,其为具有至少一个色心的材料。本申请主要利用色心自身的性质,使其可作为荧光分析的标准光源。
本发明所述色心是从其内可以发射光子的任何光学激活的原子或空穴中心,包括经由发射单光子或多光子从激发态衰减而布置的原子或空穴中心。在实际进行荧光信号收集的过程中,荧光强度的单位以光子计数,k代表103个光子计数,M代表106个光子计数。
在本申请中,所述标准光源可以为单光子源,也可以为多光子源。本申请所述具有至少一个色心的材料可以是某种材料中具有一个色心,也可以是某种材料中具有一个以上的色心,还可以是多种材料中的每种材料中至少具有一个色心;对此本申请均没有特别的限制。
本发明中具有至少一个色心的材料典型的例子为具有金刚石结构,典型的是金刚石材料诸如金刚石单晶材料或金刚石多晶材料,其尺寸典型的是纳米量级的材料或毫米量级的块状材料。所述每一个色心典型的包括在金刚石材料中的杂质或多个杂质,例如,每个杂质可以是临近空穴的氮原子,形成氮-空穴(N-V)色心。
本申请所述的具有至少一个色心的材料可以是天然具有色心的材料,例如具有色心的金刚石晶体,其可具有以下性质:单个纳米金刚石,且包含单个或多个NV色心;金刚石块体材料,其化学纯度很高,C12含量能够超过自然丰度更佳,通常需要通过使用同位素纯化的气体为源通过化学气相沉积制备;也可以是经过处理后具有色心的材料。
上述经过处理后具有色心的材料中具体的处理方式按照本领域技术人员熟知的方式进行,可以采用离子注入法获得色心,更具体的可以为化学气相沉积法获得色心。
在离子注入法之前还包括一级处理,所述一级处理具体为光刻工艺、等离子刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺;所述离子注入法之后还包括二级处理,所述二级处理包括超声清洗和旋涂的整体处理、高温退火工艺、高温氧化工艺、等离子体刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺。上述处理均为本领域技术人员熟知的方式,对此本申请没有特别的限制。
以纳米金刚石微粒,可采用超声震荡使纳米金刚石颗粒分散均匀,利用匀胶机旋涂纳米金刚石,以实施例1为例,根据纳米金刚石悬浊液的浓度和旋涂时的转速,可以在特定范围区域内调整纳米金刚石颗粒的个数;还可利用电子束光刻在金刚石材料上制造掩膜图案,使后期得到的色心按照图案有规律的分布;还可通过离子束注入,在金刚石内部产生色心;还可进行高温退火,使金刚石内部的色心的产率大大提高;还可通过等离子体刻蚀金刚石表面,使得在金刚石内部产生的色心离表面越来越近。
本发明已经发现,通过本发明提供的方法得到的荧光分析的标准光源,含有NV色心的纳米金刚石,其荧光强度由光学系统的收集效率和本身内部所含色心个数决定:在本发明实施例给出的光学平台上,一般对于平均内含200个色心的纳米金刚石而言,其荧光强度在每秒400k~1.2M之间;含有NV色心的金刚石块材,其荧光强度由光学系统的收集效率和离子注入时产生的色心个数决定,对于单色心,其荧光强度在每秒30k~50k之间;对于双色心,其荧光强度在每秒60k~100k之间;对于多色心,其荧光强度在每秒100k以上。
如图20所示,图20为5个不同初始荧光强度不同的色心随距离金刚石表面强度变化的荧光强度变化曲线图;由图可知,当色心与金刚石表面的距离达到15nm以下时,其发光强度开始明显降低;当色心几乎达到表面时,其发光强度变得很低;同样可知,由所述等离子体刻蚀得到的金刚石内浅层(15nm以下)的NV色心,其荧光强度在原本基础上减弱,当NV色心距离金刚石表面在5nm以下时,其荧光强度将降低到原本的2/3以下。由此可知,当针对不同的荧光分析样品时,需要的标准光源的强度不同时,可调整具有色心的材料的色心的深度实现荧光分析。
本发明提供了一种荧光分析的标准光源,该光源为具有至少一个色心的材料。由于色心具有各种环境下的光稳定性、化学惰性、生物兼容性以及不易擦除;发光强度为弱光,且可以通过色心数或色心浓度的调节达到从单个色心的单光子源到较强发光强度的较大范围的调节,便于对各种弱发光物体进行荧光强度的定量标定。因此,本申请以具有色心的材料作为荧光分析的标准光源避免了在传统荧光分析中,用于标定的标准光源发光不稳定,随时间衰减,对环境要求高等问题。
本发明以含有NV色心的纳米金刚石和人工制备的含有NV色心的金刚石块体两种材料为例,证明了其可作为荧光分析的标准光源。
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明提供的一种荧光分析的标准光源进行详细说明,本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1采用纳米金刚石按照如下步骤制备出用于荧光强度定量分析的标准光源:
步骤1:将纳米金刚石溶解于少量去离子水,超声震荡10min;然后将所得的悬浊液按照体积比5%与去离子水混合稀释,然后超声震荡10min待用,得到如图1所示的浓度为5%的纳米金刚石颗粒悬浊液;上述纳米金刚石为单个纳米金刚石,且包含的NV色心个数为200个
步骤2:将干净的石英片浸泡在稀硫酸中30min,然后超声震荡10min;将所得的石英片置于丙酮溶液中,超声清洗5min,然后置于异丙醇中,超声清洗10min;反复重复清洗直至石英片表面无明显大颗粒杂质后,将石英片置于去离子水中,超声清洗5min然后吹干待用,得到如图2和图3所示石英片,图2为经硫酸处理并清洁过的石英片的表面示意图,图3为经硫酸处理并清洗过的石英片的局部放大图;
步骤3:滴取一滴步骤1所得的纳米金刚石悬浊液于步骤2所得的石英片上,匀胶机转速3000转40秒,对纳米金刚石悬浊液进行旋涂分散,得到旋涂过悬浊液的石英片,如图4所示;
将步骤3得到的样品进行荧光扫描成像,图5为单个纳米金刚石颗粒荧光成像图(1M),图6为单个纳米金刚石颗粒荧光成像图(500K),由图5与图6可知,对于单个纳米金刚石颗粒其荧光强度为400k~1.2M;图7为在4×4μm范围内存在的单个纳米金刚石的荧光成像图。
实施例2采用金刚石块体材料按照如下步骤制备出用于荧光强度定量分析的标准光源:
步骤1:将金刚石块体材料利用纳米加工工艺,在表面制出带有掩膜的阵列图案,如图8和图9所示,图8为金刚石块材表面制备出掩膜的照片,图9为金刚石块材表面制备出掩膜的局部放大照片;上述金刚石块体材料为高纯电学级金刚石;
步骤2:用高能氮(N)离子束轰击步骤1所得的金刚石块体材料,在金刚石内部形成NV色心;
步骤3:将步骤2得到的含有色心的金刚石进行高温退火以及酸洗操作,最后得到可用于荧光分析的标准光源样品,如图10所示,图10为含有NV色心的金刚石块材;
将步骤3得到的样品进行荧光扫描成像,如图11和图12所示,得到和步骤1中掩膜一致的NV色心点阵图案;如图13所示,图13为色心阵列中单色心的荧光成像图,由图13可知,对于单色心的金刚石块材,其荧光强度在30k~50k之间;如图14所示,图14为色心阵列中双色心的荧光成像图,由图14可知,对于双色心的金刚石块材,其荧光强度在60k~100k之间;如图15所示,图15为色心阵列中多色心的荧光成像图,由图15可知,对于多色心的金刚石块材,其荧光强度在100k以上。
实施例3采用金刚石块体材料与发光半导体硫化镉(分子式CdS,下略)完成NV色心对发弱光的半导体纳米材料的荧光强度标定:
步骤1:将纳米半导体硫化镉粉末溶解于去离子水,超声震荡10min使该悬浊液均匀,然后将所得的悬浊液按照体积比5%与去离子水混合稀释,超声震荡10min待用;
步骤2:将实施例2中得到的含有NV色心的块材金刚石样品一次用丙酮、异丙醇、去离子水超声震荡清洗各10min后,再用氮气枪将表面吹干;
步骤3:滴取一滴步骤1所得的硫化镉悬浊液于步骤2所得的金刚石片上,匀胶机转速3000转40s,对硫化镉悬浊液进行旋涂分散,得到如图16所示的旋涂过硫化镉纳米颗粒的金刚石片;
将步骤3得到的样品进行荧光扫描成像,图17与图18为经过步骤1、2、3后得到的硫化镉纳米颗粒的荧光成像图;其中图17为单个硫化镉纳米颗粒的荧光成像图,实施例2得到的用于荧光标定的标准光源在本光学系统下,其发光强度约为150k;图18为含有多个NV色心的金刚石块材与硫化镉的荧光成像图,图中白色圆圈包围的发光点是硫化镉纳米半导体,而白色方框包围的是作为标准光源的NV色心,由图18可知,硫化镉相对于本发明的NV色心标准光源的荧光强度,略弱,在180k和130k左右,即完成了对两个发光半导体所发出的弱光的荧光强度的标定和比较。值得注意的是,为了区别荧光成像中的发光物体究竟是标准光源NV色心还是半导体硫化镉,本实施例使用了连续波测量的方法,如图19所示,左图:NV色心在2.87GHz处有共振峰信号,而右图:半导体硫化镉没有共振峰信号。
上述实施例展示了两种金刚石材料制备出荧光分析标准光源的方法,以及一个使用NV色心标准光源来标定发光半导体的范例。尤其指出单个NV色心发光很弱,荧光强度低,能很好地作为弱光发光的标准光源。
本发明可提供在任意大小范围内存在的单个可供使用的荧光分析的标准光源,其具体方法可参照实施例2;可在块体材料上圈定出需要的范围大小,利用等离子体刻蚀工艺在该范围四周做出标记,然后利用电子束光刻在该区域范围内仅制备出含有单个小孔的图案,然后通过离子注入的方法产生色心,即可在需求范围内制备出单个荧光分析的标准光源。
另外具有色心的材料不必为金刚石,也可以是其它碳化硅等碳化物晶体,以及离子晶体等其它材料。如果金刚石晶体存在,则晶体可以以纳米晶体(实施例1)、微晶体、单晶体(实施例2)以及多晶体的形式提供。色心也不单指氮-空穴,而是可以例如包括镍和氮原子。对于色心的其他示例,可以参考“Optical Properties of Diamond”,A DataHandbook,Zaitsev,A.M.2001,XVII,ISBN:3-540-66582-X Springer。
另外,应当理解的是,该标准光源可以用于任何需要这种光源的应用场合。这不仅包括荧光分析,也包括其他光学领域的应用场合以及研究领域的应用场合,如生物组织的荧光探测等。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种荧光分析的荧光强度标定的标准光源,其特征在于,包括:具有至少一个色心的材料,所述材料为金刚石。
2.根据权利要求1所述的标准光源,其特征在于,所述标准光源为单光子源。
3.根据权利要求1所述的标准光源,其特征在于,所述标准光源包括两个色心,每个色心存在于不同的材料中。
4.根据权利要求1所述的标准光源,其特征在于,所述材料为纳米尺寸的材料或块状材料。
5.根据权利要求1所述的标准光源,其特征在于,所述色心为天然存在于材料中的色心或经过处理后存在于材料中的色心。
6.根据权利要求5所述的标准光源,其特征在于,所述处理的方法为离子注入法。
7.根据权利要求6所述的标准光源,其特征在于,所述离子注入法之前还包括一级处理;所述一级处理包括光刻工艺、等离子体刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺。
8.根据权利要求6或7所述的标准光源,其特征在于,所述离子注入法之后还包括二级处理,所述二级处理包括超声清洗和旋涂的整体处理、高温退火工艺、高温氧化工艺、等离子体刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺。
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GR01 | Patent grant | ||
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