專利名稱：一種對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程激發(fā)和探測(cè)的新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于表面等離子傳導(dǎo)與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)探測(cè)的交叉領(lǐng)域，涉及一 種實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)激發(fā)和探測(cè)的方法，特別涉及利用金屬納米線的表面 等離子體傳導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行納米范圍的激發(fā)的方法。
背景技術(shù)：
金銀等金屬納米結(jié)構(gòu)中的自由電子在入射光的作用下可以產(chǎn)生相對(duì) 于正電背景的集體振蕩一表面等離子體，在金銀等納米線中表面等離子 體可沿納米線傳播，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)衍射極限以下的光傳導(dǎo)。表'面等離子 體波導(dǎo)潛在的應(yīng)用價(jià)值使得該方向的研究成為熱點(diǎn)。在生命科學(xué)的研究 中，熒光和拉曼成像和光譜技術(shù)被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的探測(cè)研究。
采用的激發(fā)照明模式主要是通過顯微鏡的物鏡將激發(fā)光會(huì)聚到細(xì)胞上，
得到 一個(gè)直徑幾百納米到幾個(gè)微米或幾十^L米的光斑，激發(fā)光對(duì)樣品的 激發(fā)和信號(hào)光的采集在同一區(qū)域，由于該激發(fā)探測(cè)模式容易實(shí)現(xiàn)，被廣 泛地采用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了 一種對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程激發(fā)和探測(cè)的新方法利 用金屬納米線中表面等離子體的傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)成分的納米尺 度的激發(fā)。
本發(fā)明一種對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程激發(fā)和探測(cè)的新方法，具體為 1)制備金、銀的納米線，直徑為10納米至300納米，長度約為1 微米至1GQ微米；
2 )利用細(xì)胞的內(nèi)吞作用或者利用微納操縱設(shè)備將納米線的 一端 插入細(xì)胞中，另一端露在細(xì)胞外；
3) 將激光聚焦在納米線露在細(xì)胞外的一端；
4) 利用從納米線另一端導(dǎo)出來的光或納米線中傳播的表面等離子體，來激發(fā)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)、標(biāo)記物的焚光或者拉曼信號(hào)； 5)熒光或者拉曼信號(hào)通過顯微鏡物鏡收集，或者通過納米線傳導(dǎo)
到激發(fā)端、納米線的其它不連續(xù)點(diǎn)而被顯微鏡物鏡收集，最后
經(jīng)CCD成像或者經(jīng)光譜^f義測(cè)量光語。 進(jìn)一步，所述步驟(3)中所用激光包括連續(xù)激光、脈沖激光和超連 續(xù)白光。
進(jìn)一步，所述步驟4)中標(biāo)記物為熒光分子、熒光球、量子點(diǎn)、上 轉(zhuǎn)換材料。
進(jìn)一步，所述步驟4)中納米線中傳導(dǎo)的表面等離子體在納米線端點(diǎn) 或者納米線的其它不連續(xù)點(diǎn)以光的形式耦合出來，從而激發(fā)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)、 標(biāo)記物的焚光或拉曼信號(hào)。
進(jìn)一步，所述步驟4)中納米線中傳導(dǎo)的表面等離子體直接激發(fā)納米 線附近的細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)或標(biāo)記物的熒光信號(hào)。
進(jìn)一步，所述步驟4 )中若將上轉(zhuǎn)換材料連接在細(xì)胞內(nèi)的特定物質(zhì)上， 上轉(zhuǎn)換材料作為點(diǎn)光源，利用納米線中傳導(dǎo)的表面等離子體激發(fā)上轉(zhuǎn)換 材料發(fā)出波長較短的光，上轉(zhuǎn)換材料發(fā)出的光作為激發(fā)光源激發(fā)細(xì)胞內(nèi) 的特定物質(zhì)。
進(jìn)一步，所述步驟4)中若將上轉(zhuǎn)換材料連接在納米線上，則納米線 中傳導(dǎo)的表面等離子體直接激發(fā)上轉(zhuǎn)換材料發(fā)光，納米線就成為一個(gè)線 光源，用于激發(fā)細(xì)胞中的物質(zhì)。
進(jìn)一步，所述步驟(5)中信號(hào)收集的位置可以是信號(hào)發(fā)射的位置， 也可以是信號(hào)經(jīng)納米線傳導(dǎo)又以光的形式發(fā)射出來的納米線端點(diǎn)或其它 不連續(xù)點(diǎn)。
進(jìn)一步，所述步驟5)中的其它不連續(xù)點(diǎn)為另一端點(diǎn)、拐點(diǎn)、有納米 顆粒的點(diǎn)、納米線的缺陷點(diǎn)。
進(jìn)一步，所述步驟(5)中的信號(hào)收集可以與激發(fā)光共用一個(gè)物鏡， 也可以使用另外一個(gè)物鏡。
本發(fā)明與傳統(tǒng)的激發(fā)手段相比具有顯著優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)程激發(fā)模式可以實(shí) 現(xiàn)在納米尺度范圍內(nèi)的照明和對(duì)樣品熒光和拉曼信號(hào)的激發(fā)，因而可極 大的提高信噪比和減少對(duì)樣品潛在的損傷；遠(yuǎn)程激發(fā)模式也可用于在直 接激發(fā)模式因光吸收等無法適用的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)光譜的探測(cè)。表面等離子手段和材料不具備的優(yōu)勢(shì)。由于上轉(zhuǎn)換材料可以用波長較長的紅外光激 發(fā)，而紅外光在納米線中傳導(dǎo)的距離要比可見光遠(yuǎn)，因此在本發(fā)明中使 用的這種遠(yuǎn)程激發(fā)模式下，上轉(zhuǎn)換材料作為生物標(biāo)記具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 另一方面，上轉(zhuǎn)換材料被激發(fā)后可以發(fā)出波長較短的光，因此上轉(zhuǎn)換材 料又可以作為激發(fā)光源來激發(fā)細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)。由于波長較短的光如綠光 在納米線中傳播距離較短，不適合用作遠(yuǎn)程激發(fā)的激發(fā)光，而利用上轉(zhuǎn) 換材料的特性，可以通過紅外光遠(yuǎn)程激發(fā)處于細(xì)胞中的上轉(zhuǎn)換材料，并 利用上轉(zhuǎn)換材料發(fā)射的光作為激發(fā)光源。這一發(fā)明將開啟微納尺度上光 譜探測(cè)的新模式，特別是為生物體系中生化信息的遠(yuǎn)程探測(cè)提供了新方 法和新思路。


圖1實(shí)施例1中所采用的激發(fā)探測(cè)模式的示意圖2實(shí)施例2中所采用的^L^探測(cè)模式的示意圖3實(shí)施例3中所采用的^^笨測(cè)模式的示意圖4實(shí)施例4中所采用的激發(fā)探測(cè)模式的示意圖。
其中，圖中1、激光，2、納米線，3、細(xì)胞，4、納米顆粒，5、細(xì) 胞內(nèi)的標(biāo)記物(如熒光分子、熒光球、量子點(diǎn)、上轉(zhuǎn)換顆粒等)，6、細(xì) 胞內(nèi)某種物質(zhì)，7、納米操縱器，8、上轉(zhuǎn)換材料，A和B分別為納米線的 兩個(gè)端點(diǎn)，C為納米線與細(xì)胞交叉的點(diǎn)，納米線中較粗的曲線表示激光激 發(fā)的表面等離子體，細(xì)胞中的發(fā)射狀的箭頭表示從納米線耦合出來的光； 圖3中納米線中較細(xì)的曲線表示細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)或標(biāo)記物的信號(hào)激發(fā)的表面 等離子體，左側(cè)發(fā)射狀箭頭表示信號(hào)光從納米線端點(diǎn)耦合出來，從納米 線指向標(biāo)記物的箭頭表示表面等離子體激發(fā)標(biāo)記物，反方向的箭頭表示 被激發(fā)的標(biāo)記物可以激發(fā)納米線中的表面等離子體，在每個(gè)標(biāo)記物中， 這兩個(gè)過程都會(huì)發(fā)生，圖中為了看得清楚而將其分別畫在了兩個(gè)不同的 標(biāo)記物上。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
及附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于下列實(shí)施例，應(yīng)包括權(quán)利要求書中的全部內(nèi)容，以 及各個(gè)實(shí)施例之間的交叉結(jié)合。
實(shí)施例1:
本發(fā)明實(shí)施例提供了 一種利用表面等離子體傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì) 的激發(fā)和探測(cè)的新方法。步驟如下
將制備好的金、銀等的納米線(直徑為IO納米至300納米，長度約 為1微米至100微米)通過離心分離等手段M到細(xì)胞的營養(yǎng)液中；然 后將包含納米線的營養(yǎng)液加入到細(xì)胞培養(yǎng)皿中，經(jīng)過幾十分鐘到幾個(gè)小 時(shí)的時(shí)間，很多納米線會(huì)被細(xì)胞吞入；選擇一根部分插入細(xì)胞中的納米 線，如圖l所示，將激光聚焦在納米線露在細(xì)胞外的一端A，則在納米線 另一端B有光發(fā)射出來，表明激光可以在納米線中傳導(dǎo)；從納米線端點(diǎn) 發(fā)射出來的光可以將該處細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的熒光或拉曼激發(fā)，另外，細(xì)胞內(nèi) 距離納米線(BC段)幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米范圍內(nèi)的物質(zhì)可被銀納米線
中傳導(dǎo)的表面等離子體直接激發(fā)而發(fā)射熒光信號(hào)，通過顯微鏡的物鏡收 集，經(jīng)CCD成像或者經(jīng)光語儀得到光譜。
實(shí)施例2:
本發(fā)明實(shí)施例提供了 一種利用表面等離子體傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì) 的激發(fā)和探測(cè)的新方法。步驟如下
通過化學(xué)修飾方法將金、銀等的納米顆粒連接到制備好的金、銀等 的納米線(直徑為IO納米至300納米，長度約為l微米至IOO微米)上， 通過控制納米顆粒的濃度和用以連接納米線和納米顆粒的化學(xué)物質(zhì)的濃 度控制每條納米線上的納米顆粒的數(shù)量，使得每條納米線上只有少數(shù)幾 個(gè)納米顆粒。通過離心分離等手段將連接有納米顆粒的納米線分散到細(xì) 胞的營養(yǎng)液中；然后將包含納米線的營養(yǎng)液加入到細(xì)胞培養(yǎng)皿中，經(jīng)過 幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間，很多連接有納米顆粒的納米線會(huì)被細(xì)胞吞 入；選擇一根部分插入細(xì)胞中的連接有納米顆粒的納米線，如圖2所示， 將激光聚焦在納米線露在細(xì)胞外的一端，則在納米線另一端及納米線上 有納米顆粒的地方有光發(fā)射出來；利用納米顆粒和納米線之間的耦合作 用產(chǎn)生的巨大的電磁場(chǎng)增強(qiáng)，使得處于該區(qū)域的細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的拉曼信號(hào) 得到巨大增強(qiáng)，通過顯微鏡的物鏡收集，經(jīng)CCD成像或者經(jīng)光語儀采集光語可以探測(cè)到細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的拉曼信號(hào)。
實(shí)施例3:
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種利用表面等離子體傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì) 的激發(fā)和探測(cè)的新方法。步驟如下
通過化學(xué)修飾方法將量子點(diǎn)或焚光分子等標(biāo)記物連接到到細(xì)胞內(nèi)的 特定物質(zhì)上；將"""根金、銀等的納米線(直徑為IO納米至300納米，長 度約為1微米至100微米)連接到納米操縱器(nanomanipulator)上， 通過納米操縱器將納米線插入細(xì)胞中有標(biāo)記物的特定位置，如圖3所示， 將激光聚焦在納米線露在細(xì)胞外的一端，納米線中傳導(dǎo)的表面等離子體 可以與納米線附近的標(biāo)記物發(fā)生相互作用，從而將標(biāo)記物激發(fā)而發(fā)射出 熒光。若標(biāo)記物為上轉(zhuǎn)換材料，則上轉(zhuǎn)換材料發(fā)出的光可以作為點(diǎn)光源 激發(fā)細(xì)胞內(nèi)的特定物質(zhì)。通過顯微鏡的物鏡收集，可經(jīng)CCD得到成像或 者經(jīng)光語儀得到光譜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)萸光信號(hào)的遠(yuǎn)程激發(fā)。標(biāo)記物或細(xì)胞 內(nèi)物質(zhì)被激發(fā)以后，會(huì)有一部分能量激發(fā)納米線中傳導(dǎo)的表面等離子體， 因而會(huì)有一部分熒光信號(hào)在納米線中以表面等離子體的形式傳播，在納 米線端點(diǎn)如A點(diǎn)以光的形式耦合出來，通過顯微鏡的物鏡收集，可經(jīng)CCD
得到成像或者經(jīng)光語儀得到光譜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光信號(hào)的遠(yuǎn)程激發(fā)與遠(yuǎn) 程探測(cè)。
實(shí)施例4:
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種利用表面等離子體傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì) 的激發(fā)和探測(cè)的新方法。步驟如下
制*、銀等的納米線,直徑為IO納米至300納米，長度約為l微 米至100微米；利用化學(xué)修飾方法將具有上轉(zhuǎn)換特性的納米顆粒連接到 納米線上；利用納米操縱器將納米線的一端插入細(xì)胞中，另一端露在細(xì) 胞外；將激光聚焦在納米線露在細(xì)胞外的一端，則納米線中傳導(dǎo)的表面 等離子體可以直接激發(fā)上轉(zhuǎn)換顆粒發(fā)光，這樣納米線就成為一個(gè)線光源， 用于激發(fā)細(xì)胞中的物質(zhì)，如圖4所示。激發(fā)的熒光或者拉曼信號(hào)通過顯 微鏡物鏡收集，或者通過納米線傳導(dǎo)到激發(fā)端被顯微鏡物鏡收集，經(jīng)CCD 成像或者經(jīng)光譜儀測(cè)量光譜。
權(quán)利要求
1、一種對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程激發(fā)和探測(cè)的新方法，具體為1)制備金、銀的納米線，直徑為10納米至300納米，長度約為1微米至100微米；2)利用細(xì)胞的內(nèi)吞作用或者利用微納操縱設(shè)備將納米線的一端插入細(xì)胞中，另一端露在細(xì)胞外；3)將激光聚焦在納米線露在細(xì)胞外的一端；4)利用從納米線另一端導(dǎo)出來的光或納米線中傳播的表面等離子體，來激發(fā)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)、標(biāo)記物的熒光或者拉曼信號(hào)；5)熒光或者拉曼信號(hào)通過顯微鏡物鏡收集，或者通過納米線傳導(dǎo)到激發(fā)端、納米線的其它不連續(xù)點(diǎn)而被顯微鏡物鏡收集，最后經(jīng)CCD成像或者經(jīng)光譜儀測(cè)量光譜。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中所用激光 包括連續(xù)激光、脈沖激光和超連續(xù)白光。
3、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4 )中標(biāo)記物為熒 光分子、熒光球、量子點(diǎn)、上轉(zhuǎn)換材料。
4、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4 )中納米線中傳 導(dǎo)的表面等離子體在納米線端點(diǎn)或者納米線的其它不連續(xù)點(diǎn)以光的 形式耦合出來，從而激發(fā)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)、標(biāo)記物的熒光或拉曼信號(hào)。
5、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4 )中納米線中傳 導(dǎo)的表面等離子體直接激發(fā)納米線附近的細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)或標(biāo)記物的熒 光信號(hào)。
6、 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟4 )中若將上轉(zhuǎn)換 材料連接在細(xì)胞內(nèi)的特定物質(zhì)上，上轉(zhuǎn)換材料作為點(diǎn)光源，利用納 米線中傳導(dǎo)的表面等離子體激發(fā)上轉(zhuǎn)換材料發(fā)出波長較短的光，上 轉(zhuǎn)換材料發(fā)出的光作為激發(fā)光源激發(fā)細(xì)胞內(nèi)的特定物質(zhì)。
7、 如權(quán)利要求3所迷的方法，其特征在于，所述步驟4 )中若將上轉(zhuǎn)換 材料連接在納米線上，則納米線中傳導(dǎo)的表面等離子體直接激發(fā)上 轉(zhuǎn)換材料發(fā)光，納米線就成為一個(gè)線光源，用于激發(fā)細(xì)胞中的物質(zhì)。
8、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(5 )中信號(hào)收集的位置可以是信號(hào)發(fā)射的位置，也可以是信號(hào)經(jīng)納米線傳導(dǎo)又以光 的形式發(fā)射出來的納米線端點(diǎn)或其它不連續(xù)點(diǎn)。
9、 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述步驟5 )中的其它不連 續(xù)點(diǎn)為另一端點(diǎn)、拐點(diǎn)、有納米顆粒的點(diǎn)、納米線的缺陷點(diǎn)。
10、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(5)中的信號(hào) 收集可以與激發(fā)光共用 一個(gè)物鏡，也可以使用另外一個(gè)物鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程激發(fā)和探測(cè)的新方法，本發(fā)明將金屬納米線作為波導(dǎo)，利用金屬納米線中傳導(dǎo)的表面等離子體將激發(fā)光傳播到細(xì)胞內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)或標(biāo)記物的納米范圍的遠(yuǎn)程激發(fā)。細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)或標(biāo)記物被激發(fā)后，除了直接發(fā)出光信號(hào)被探測(cè)以外，有一部分能量可以激發(fā)金屬納米線中的傳導(dǎo)的表面等離子體，即細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)或標(biāo)記物的信號(hào)可以沿納米線傳導(dǎo)，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)信號(hào)的遠(yuǎn)程探測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/64GK101634634SQ20091009176
公開日2010年1月27日 申請(qǐng)日期2009年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月27日
發(fā)明者徐紅星, 紅 魏 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院物理研究所