一种用于表面增强荧光的方法以及应用技术

本发明专利技术提供一种用于表面增强荧光的方法以及应用，以纳米材料作为增强基底，将待测荧光物质置于所述增强基底表面，然后用激发光激励所述待测荧光物质，利用所述纳米材料对激发光和辐射荧光的多重光散射效应即可实现荧光信号的增强。根据本发明专利技术，解决了现有表面增强荧光技术中存在的光损耗大，不易控制，工艺复杂，成本高等问题，尤其是解决了目前荧光增强基底对金属和高折射率材料的高依赖性问题，开发了一种无损耗、非金属依赖的表面增强荧光方法，不仅适用于基础科学问题研究，还适用于广泛的实际应用。泛的实际应用。泛的实际应用。

【技术实现步骤摘要】
一种用于表面增强荧光的方法以及应用


[0001]本专利技术涉及表面增强荧光领域，更具体的涉及一种用于表面增强荧光的方法以及应用。

技术介绍

[0002]荧光在光学器件、显微成像、生物学、医学研究和诊断上有着广泛的应用。随着对荧光灵敏度和检测极限的要求日渐提高，表面增强荧光(surface enhanced fluorescence，SEF)技术成为现代荧光光谱技术的一个重要分支。尤其在高灵敏度要求的荧光检测方面，表面增强荧光技术能大幅降低检测物浓度，甚至可以到单分子检测水平，这对疾病标志物浓度很低时的早期筛查和有害物质的痕量检测具有重要意义。另外，在单分子荧光成像方面，因单分子荧光较弱，通常需要配置高数值孔径的物镜，高灵敏和高效率的探测器。表面增强荧光技术能增大荧光标记分子的发光强度，可以降低对物镜和探测器的要求，能提高成像质量，降低成本。
[0003]SEF的工作原理是通过对荧光物质的局部电磁环境的调控来增强荧光发射，提高荧光发射和探测效率。其关键点是设计一个“提供电磁环境的表面结构”，尽可能的将位于其表面或附近的荧光物质发射出最大数量的光子。目前，用于SEF的“表面结构”主要有两类：金属结构和介电结构。
[0004]金属结构：主要是金和银等贵金属结构，通过设计金属纳米结构或者纳米结构形成的纳米间隙，在入射光激发下产生强的表面等离子体共振或局域等离子体共振对其附近荧光物质的荧光发射增强。金属结构产生的增强电场强度高，荧光增强因子通常较高。但金属结构的问题是成本高，而且自身光损耗大，易产生局部过热，导致荧光检测物质失活。另外，测试过程表面增强荧光和表面增强拉曼存在竞争关系，需要控制测试物质和金属结构的距离在10纳米左右才能达到良好的增强效果，小于10纳米就会产生拉曼增强，大于10纳米则增强效果较差，然而这在实际操作中将很难控制。
[0005]介电结构：主要是硅和锗等高折射率的材料结构，通过设计特定形状的介电纳米结构或者纳米结构形成的纳米间隙/阵列，在入射光的激发下产生基于米氏(Mie)理论的电场和磁场共振形成增强场来增强荧光，可以达到金属结构增强效果。但是，可以使用的高折射率的材料种类少，在可见光区域主要是硅，而且制备过程主要依赖微纳加工工艺(电子束刻蚀，离子束刻蚀等)，所需设备昂贵，工艺复杂，成本高，这些结构适合于基础科学问题研究，不适合广泛的实际应用。
[0006]为了解决金属结构和高折射率介电结构的这些问题，有部分的低折射率的金属氧化物(例如二氧化钛，氧化钨等)被用于表面增强，但因为金属氧化物类的增强过程存在电荷/能量转移过程，主要用于表面增强拉曼，对荧光有猝灭作用，荧光增强效果不理想。此外，低折射率材料中，聚合物材料的种类多，易加工，透明度高，在光学结构中经常被使用。但聚合物类材料因折射率比金属氧化物更低，通常需要将聚合物纳米柱阵列和金膜组成复合体系，通过金属
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介电共振杂化形成光学模来增强荧光(ACS Photonics 2019,6,2612
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2617)，虽然能达到好的荧光增强效果，但金属
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聚合物杂化结构仍然主要依赖金属特性才得以实现荧光增强。因此，亟需开发一种无损耗、非金属依赖的低折射率聚合物结构用于表面增强荧光。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种用于表面增强荧光的方法以及应用，从而解决现有表面增强荧光技术中存在的光损耗大，不易控制，工艺复杂，成本高等问题，尤其是解决目前荧光增强基底对金属和高折射率材料的高度依赖性的问题。
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]根据本专利技术的第一方面，提供一种用于表面增强荧光的方法，以纳米材料作为增强基底，将待测荧光物质置于所述增强基底表面，然后用激发光激励所述待测荧光物质，利用所述纳米材料对激发光和辐射荧光的多重光散射效应即可实现荧光信号的增强。
[0010]所述纳米材料包括：介电纳米材料、半导体纳米材料以及金属纳米材料。其中，介电纳米材料可选地包括聚合物纳米材料、玻璃、陶瓷、石英、硅和锗等纳米材料。
[0011]根据本专利技术的一个优选方案，所述方法以聚合物纳米材料作为增强基底，所述聚合物纳米材料是由聚合物材料制成的纳米结构所形成的膜、凝胶体、胶体、或粉体等，比如半固态凝胶，液态胶体，粉体团聚体等状态；所述纳米结构可以是任意合适的形状，比如：纳米纤维、纳米线、纳米球、纳米柱、纳米盘、纳米多面体、纳米星等。
[0012]根据本专利技术的另一优选方案，所述聚合物纳米材料是由聚合物材料制成的纳米纤维、纳米线、纳米球、纳米柱、纳米盘、纳米多面体、纳米星等纳米结构中任意一种或多种纳米结构堆叠而成的聚合物纳米膜。
[0013]根据本专利技术的又一优选方案，所述聚合物纳米材料是由聚合物材料制成的纳米纤维堆叠而成的聚合物纳米纤维膜。
[0014]应当知晓的是，纳米纤维膜可以通过静电纺丝、湿法纺丝、抽滤沉积、模板压制等方法制备，甚至可以手工排列获得，这些制备方法均为本领域的常规技术手段。
[0015]所述堆叠的方式包括：自由随机的无序堆叠，或规则排列的有序堆叠。如果需要特殊排列，则需要增加一些电场、磁场、力场诱导或者特殊的基底。
[0016]优选地，所述聚合物纳米纤维膜的厚度不小于1微米。优选1
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20微米。
[0017]根据本专利技术，构成聚合物纳米纤维膜的聚合物纳米纤维可以是单一尺寸的聚合物纳米纤维，也可以是多种尺寸的聚合物纳米纤维。
[0018]根据本专利技术，待测荧光物质是一种荧光物质或两种及以上的荧光波长可区分的荧光物质混合物。
[0019]待测荧光物质是具有荧光发射特性的物质，包括但不限于有机荧光分子、无机量子点、稀土元素、碳基量子点等发光材料，生物、免疫相关的具有荧光发射特性的物质或标记有荧光物质的蛋白、RNA、DNA、抗体等生物分子、线粒体、外泌体、细胞膜等细胞器、组织和细胞。
[0020]根据本专利技术，将待测荧光物质置于增强基底表面的方法包括将待测荧光物质的分散液或粉体以扩增、培养、滴涂、旋涂、浸泡、提拉、喷涂等方式置于所述增强基底的表面。
[0021]根据本专利技术的第二方面，提供一种如上面所述的用于表面增强荧光的方法在荧光
相关检测中的应用。
[0022]所述纳米材料可作为增强基底用于荧光相关检测，包括但不限于荧光PCR的孔板反应槽内壁，免疫荧光检测芯片，荧光成像衬底，食品安全检测芯片等，通过增强原始荧光信号强度，可以降低检测浓度，提高检测灵敏度，增加检测可信度，降低检测设备要求。
[0023]根据本专利技术提供的一种用于表面增强荧光的方法，其工作原理在于：
[0024]将待测荧光物质置于纳米材料制成的增强基底表面，然后用激发光照射待测荧光物质，激发光激发荧光物质的辐射荧光，激发光和辐射荧光在纳米材料结构内被多重散射，激发光在多重散射后形成增强场，同时荧光在多重散射后被扩散放大，这两个过程共同作用对荧光物质的荧光进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于表面增强荧光的方法，其特征在于，以纳米材料作为增强基底，将待测荧光物质置于所述增强基底表面，然后用激发光激励所述待测荧光物质，利用所述纳米材料对激发光和辐射荧光的多重光散射效应即可实现荧光信号的增强。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米材料包括：介电纳米材料、半导体纳米材料以及金属纳米材料。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法以聚合物纳米材料作为增强基底，所述聚合物纳米材料是由聚合物材料制成的纳米结构所形成的膜、凝胶体、胶体、或粉体，所述纳米结构包括：纳米纤维、纳米线、纳米球、纳米柱、纳米盘、纳米多面体、或纳米星。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述聚合物纳米材料是由聚合物材料制成的纳米纤维堆叠而成的聚合物纳米纤维膜，所述堆叠的方式包括：自由随机的无序堆叠，或规则排列的有序堆叠。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，构成所述聚合物纳米纤维膜的聚合物纳米纤维是单一尺寸的聚合物纳米纤维，或多种尺寸的聚合物纳米纤维。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙静，王中阳，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：