暗场显微镜下的彩色“纳米星”

具有独特局域表面等离子共振散射特性的贵金属纳米粒子,在可见光区域表现出明显的吸收和散射光谱特性。在过去的几十年中,基于纳米金和纳米银溶液的可视化颜色传感器,被广泛应用在金属离子、生物分子、农药等灵敏检测。自2000年,暗场显微镜的出现,实现了纳米尺度下等离子共振散射光谱的精准获取,将传感尺度从传统的实验试管发展到单纳米颗粒界面。单颗粒检测消除了本体溶液中大量纳米粒子产生的平均效应,可提供更加准确的反应信息。纳米粒子的散射光谱主要取决于颗粒的尺寸、形貌、成分以及颗粒间耦合作用等,因此,具有特定散射颜色的单个纳米粒子,可以作为优异的纳米探针。这篇综述聚焦于单颗粒纳米传感,首先介绍了纳米粒子局域表面等离子共振的原理和发展历史。随后,主要讨论了单个贵金属纳米粒子作为颜色编码传感器,在生物分子、环境污染物以及能源等领域的应用,尤其是基于单颗粒的原位纳米光谱电化学传感及其在电催化反应中的应用。例如,利用纳米粒子的溶出和生长过程,精巧地设计了针对不同待测物的纳米探针。另一方面,对单纳米粒子结构演变过程的原位监测,也有助于对纳米材料制备机理的理解。最后,着重探讨了纳米颜色传感器信号提取放大的检测手段,包括将肉眼识别的颜色转换为可读的三原色信息以及偏振光检测技术等,进一步扩展单颗粒颜色传感的应用范围。

构建多模式全光谱暗场显微镜用于纳米单颗粒局域表面等离子共振实时动力学研究

金属纳米颗粒由于其局域表面等离子共振(LSPR),能显示出独特的光吸收和散射特性,常被应用于物理、化学和生物领域的分析检测。这类探针具有高强度、高稳定性,以及可以长时间成像观察等优势。对于单个金属纳米颗粒的LSPR光谱研究通常采用暗场显微镜(DFM)与光谱仪来观察。但是,现有的暗场显微镜-光谱仪联用装置受限于自带照明光源的强度与光谱范围等原因,造成对散射信号较弱的样品光谱采集时间长、采集范围窄,例如,无法做到对粒径在30 nm以下的小颗粒纳米金进行实时观察。本文针对这一问题使用超连续激光器作为光源,使对单个金属纳米颗粒的光谱采集时间可以缩短至1 ms。此外,针对细胞功能成像的需求,增加了光片成像模式,通过切换滤块,能够实现荧光成像与暗场成像的共定位。

基于碘刻蚀金银纳米立方块利用暗场显微镜高灵敏检测脑透析液中碘

采用局域表面等离子体共振(LSPR)技术研究了金银纳米立方块(Au@Ag NCs)与I2的反应过程,以Au@Ag NCs为探针,在暗场显微镜(DFM)下分析探针与不同浓度I-/I2作用后的颜色比和散射光强度,发现探针颜色由蓝色逐渐变为黄绿色,同时其散射光强度不断下降。此外,通过透射电镜(TEM)和紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱发现,Au@Ag NCs从边缘不断被氧化刻蚀,逐渐变成球形,最终变成类球形。以Au@Ag NCs作为探针检测I2,利用DFM检测I2的线性范围为0.1~50μmol/L,检出限为17 nmol/L,并将本方法应用于鼠脑透析液中I2的加标检测,探究了Au@Ag NCs与I-/I2之间的氧化还原反应过程。本研究为鼠脑透析液中I2的加标回收提供了一种新的高灵敏方法。

一种新型的暗场显微镜成像系统

传统的暗场显微镜要求暗场聚光镜数值孔径应大于物镜的数值孔径,这限制了暗场显微镜的成像分辨率和应用。在普通光学显微镜上搭建了一套新型的暗场显微镜成像系统,该系统没有限制物镜的数值孔径,采用数值孔径1.3、放大倍率100的浸油物镜实现了对尺寸为50nm的金纳米颗粒的成像。该系统能满足纳米尺度的观测和成像要求,提高了成像分辨率和应用范围,能在普通实验室普及应用。

暗场显微镜联合角膜激光共焦显微镜在非典型真菌性角膜溃疡的应用研究

目的对非典型的真菌性角膜溃疡患者（角膜刮片取材，涂片镜检不能确诊的真菌性角膜溃疡），采用暗场显微镜联合角膜激光共焦显微镜检查进行观察研究，并归纳总结其临床特点。方法23例（23只眼）非典型的真菌性角膜溃疡患者，在角膜刮片取材培养前采用激光角膜共焦显微镜对溃疡灶进行活体检查，然后进行角膜刮片取材，涂片常规镜检和暗场显微镜检查，研究其图象特点，并进行对比研究。结果非典型真菌性角膜溃疡灶中的真菌菌丝在活体角膜激光共焦显微镜中结构不完整、成像不清晰；在常规镜检下，成像不清甚至难以成像；但采用暗场显微镜检查能发现清晰的真菌菌丝。结论暗场显微镜观察非典型真菌性角膜溃疡有着独特的优点，该方法联合常规涂片镜检及共焦显微镜检查能提高对非典型真菌性角膜溃疡的诊断水平。

明/暗场正置金相显微镜照明系统设计

明/暗场正置金相显微镜是一种多用途的工业检测仪器,近年来应用领域越来越广泛。现从暗场显微镜的光学原理入手,分析明/暗场正置金相显微镜照明系统的结构特点,提出照明系统的结构方案,着重介绍落射式暗场聚光镜的设计方法,以实例的形式得到相应暗场聚光镜反射面的主截面双曲线方程,并运用PRO/ENGINEER的基准曲线创建功能,提出一种有效的曲线创建与曲面加工方法。结果证明采用双曲面作为落射式暗场聚光镜的反射面能有效提高轴外照明光束的利用率,设计与加工方法是可行的。

暗场显微镜成像原理初探

暗场显微镜在刑事检验中经常使用,但用几何光学解释其成像原理不能满足图像处理的要求。本文从理论光学的角度探讨了暗场显微镜的成像原理,从而为显微图像处理奠定了理论基楚。

暗场光散射技术在肿瘤标志物检测中的应用

本文总结了运用暗场光散射方法检测脱氧核糖核酸、微小核糖核酸、甲胎蛋白等肿瘤标志物的研究进展。基于暗场光散射技术,利用暗视野显微镜能够有效地捕捉探针的散射光信息,一方面靶引发纳米颗粒的聚集,引起散射光颜色的改变,可以对特征光点进行计数,建立起与靶标浓度相关的工作曲线,用来对肿瘤标志物靶标进行定量检测;另一方面与靶标相关的纳米颗粒微环境的改变,会影响散射光谱的变化,特别是强度的改变和峰位置的偏移。分析肿瘤标志物靶标与散射光谱变化的关系,也可以达到检测靶标的目的。

单纳米粒子表面的甲醇电催化氧化过程

由于全球资源短缺和环境污染等问题日益加剧,开发利用洁净高效的新能源已成为当今社会研究热点.其中,直接甲醇燃料电池(DMFC)具有低温启动、无需重整制氢、洁净环保和体积小巧等特性,展现出较好的应用前景.DMFC的阳极反应为甲醇氧化反应,甲醇的完全氧化涉及到复杂的六步电子转移反应过程.揭示甲醇氧化的反应路径与机理,阐明催化剂的真实活性中心以及毒化效应,对于高效催化剂的设计和制备至关重要.随着纳米技术的发展,在单颗粒水平对纳米催化剂进行表征受到了越来越多的关注.因此,亟需发展具有高灵敏度的原位界面表征方法,实现纳米尺度的精准测量,排除催化剂平均效应,获取纳米表界面真实的催化反应信息.本文结合纳米等离子共振散射光谱与电化学技术,获得了单个纳米催化剂的同步光电响应信号,实现单颗粒水平纳米粒子表面化学、电化学反应过程(如电荷转移、分子吸附等)的高灵敏监测,揭示纳米尺度表界面催化反应机制.利用这一技术,动态监测了单个金/铂包金纳米颗粒表面的甲醇氧化过程.结果表明,在金纳米颗粒表面,甲醇氧化主要通过HCOOH路径,生成产物为HCOOH或CO_(2).其中,反应中间体与羟基离子的竞争性吸附起到重要作用,反应决速步为Au-OH和Au-CHO的共吸附.而铂催化甲醇氧化主要经过CO路径,决速步为Pt-OH和Pt-CO氧化生成Pt-COOH过程.此外,观测到金和铂氢氧化物为催化反应的活性物种,进一步证实了金属氧化物对于催化活性的钝化作用.结合密度泛函理论模拟,明确了甲醇氧化反应中间体吸附与金属氢氧化物演变之间的内在联系.综上,本文利用纳米等离子共振散射光谱,原位监测了单个纳米粒子表面的甲醇电催化氧化过程,实现了催化剂真实活性物种演变与失活过程的直接观测,揭示了不同催化剂表面的决速步骤,为提高催化反应效率提供了更加准确的反应信息.本文将有益于纳米等离子共振散射光谱在电催化反应高灵敏监测方面的广泛应用,并为高效甲醇催化剂的制备提供参考.

单金纳米棒远场散射光谱技术

单金纳米棒(gold nanorod AuNR)的远场光学技术在近几年引起了相当大的关注。由于金纳米棒(AuNRs)独特的局部表面等离子体共振(localized surface plasmon resonance LSPR)特性,金纳米棒颗粒非常适合高度传导定域在表面的化学或物理刺激产生的光信号。根据该课题组的研究经验,对AuNR的光学探测和光谱学方法的原理、应用、进展和纳米系统表现出新奇的光学特性进行了综述。较为全面地介绍了:(1)AuNR散射光谱相关的各类技术,包括:暗场技术,零差和外差技术,光子晶体技术,空间调制和偏振调制技术等;(2)AuNR散射光谱特性,包括:光谱线形函数,线宽,衬底对光谱的影响以及理论和实验光谱的对比等;(3)相关光谱技术近年来的发展。重点研究了基于LSPR的远场光学散射方法。主要是基于AuNR线性的方法,如直接和间接的散射检测方法。注重强调了介质环境(如底物,表面结合的分子或其他纳米材料等)的重要性以及对散射光谱和消光幅度的影响。特别注重的是AuNR表面及形貌的定量方法及其相关性研究,无论是直接的还是间接的散射的方法,大都给出实验与理论模型精确的比较。这些实验和理论工具的结合可以详细解释单金纳米棒的光学性质。

纳米等离激元暗场显微系统的构建

构建了一套透射式的纳米等离激元暗场显微系统,光源入射端采用连续波长调制暗场光源的技术方法,探测端采用灰度工业相机连续采集对应波长的暗场图像,利用自编的matlab程序对图像进行光谱提取,提高了纳米粒子的散射光谱的检测精度.采集纳米粒子聚集前后的局域表面等离子共振光谱,实验结果与边界元方法(BEM)仿真结果一致.

Au@Ag纳米棒等离子体纳米探针的构建及在乙酰胆碱检测中的应用

乙酰胆碱(ACh)浓度与人的行为、学习、睡眠等生理活动密切相关,脑内乙酰胆碱浓度异常与帕金森病等神经精神疾病密切相关。因此,实现乙酰胆碱酯酶的灵敏检测具有重要意义。为此,合成了尺寸可控的金核银壳的纳米棒复合材料,基于该材料的等离激元特性,利用暗场散射成像方法实现了对ACh的灵敏检测。目标物ACh在乙酰胆碱酯酶(AChE)和胆碱氧化酶(ChOx)的催化下产生大量的H_(2)O_(2),然后在血红素/G-四联体的作用下生成羟基自由基(·OH),随着·OH对复合纳米材料银壳的刻蚀,该检测探针的散射信号产生红移,最终通过量化探针散射光谱的红移值,实现对ACh的定量检测。该方法简便易行,所需探针设计及制备方便,成本低,为构建高灵敏的检测探针提供了新思路。

基于暗场成像的LSPR传感器对铜离子的高灵敏度检测研究

以具有局域表面等离子共振特性的金纳米棒作为检测探针,以暗场显微镜作为光学信息检测手段,通过自组装方法在玻璃基片上固定金纳米棒,并在金纳米棒上修饰半胱氨酸分子,利用半胱氨酸分子中的羧基与溶液中铜离子的强烈结合作用,对溶液中的铜离子进行检测.随着铜离子浓度的增加,金纳米棒会更加趋向于团聚,使其LSPR光谱发生明显的红移,通过对不同浓度铜离子溶液的检测验证,传感系统对铜离子的检测灵敏度达到0.62μg/mL/nm.

二维快速Fourier变换及模拟CT

编制了软件可实现二维FFT和模拟CT ;可以进行多种图形的夫琅禾费衍射 ;模拟各种空间滤波实验 ;进行计算全息 ;

单个等离子体纳米颗粒在生化分析和生物成像中的应用

等离子体纳米颗粒(PNPs)因其独特的物理、化学、光学和生物学特性而被广泛地应用于材料科学、生物学和医药学等研究领域。PNPs的光学性质是可以通过改变其组成、形状和大小来进行调控的,所以利用可控合成的方式能够筛选出适合的光散射探针。在单分子水平上实时研究PNPs的动态行为对于理解细胞及活体组织的生命活动机制、制备功能型纳米材料和开发新型化学生物传感器等有着重要的意义。基于传统的暗场显微镜(DFM),通过对光源、检测器及其它光学元件的择优组装和调试,我们开发出了一系列具有高灵敏度、高时空分辨率和高通量的等离子体光散射成像技术,并将其应用于单分子检测、多颗粒传感、单细胞成像以及生物过程示踪等领域。基于具有光学各向异性的PNPs,我们还研制出了活细胞三维扫描成像系统和超连续激光光片成像与高速毛细管电泳联用系统,推进了单分子光谱方面的研究。本文将总结近十年来本课题组在PNP单颗粒分析及成像中的工作,并为该领域未来的发展提出一些新的思路。

磁纳米散射探针暗场超灵敏检测具核梭杆菌

【背景】具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum)作为机会致病菌,能够引起许多感染性疾病,已被证实是促直肠癌发展的潜在重要危险因素,临床检测中亟需一种快速简单检测F.nucleatum的方法。【目的】通过建立一种磁纳米探针结合暗场显微镜直接观察计数的方法,可方便快速地检测样本中具核梭杆菌的数量。【方法】在磁纳米颗粒(magnetic nanoparticle,MNP)表面修饰制备的抗F.nucleatum抗体,构建一种特异性结合F.nucleatum的MNP探针。此外,比较MNP探针-暗场显微计数法与实时荧光定量PCR(qPCR)方法检测F.nucleatum的灵敏度。【结果】该方法的检测限可低至3.42×10^(1) copies/µL,比qPCR的灵敏度高5倍左右。在实际样本的检测中,该方法与qPCR方法所检测F.nucleatum数量保持一致。【结论】本研究建立的方法用于检测F.nucleatum,操作简单、检测快速(约30 min)、灵敏且成本低,有应用于临床样本检测的前景。

Mg-Gd-Y合金中与β'相粗化相关的析出结构

为了研究Mg_(97)Gd_(2)Y_(1)合金中β'相的粗化过程以及相关析出结构的形成和演变机制,使用原子分辨的高角度环形暗场-扫描透射电子显微镜(high angle annular dark field scanning transmission electron microscope,HAADF-STEM)成像技术表征了合金不同时效阶段形成的析出结构,并结合第一性原理计算的方法分析了它们的稳定性.结果表明,相关的β_(F)'、β_(M)和β″相主要在β'相粗化过程的早期形成,它们的形成与β'相相界面周围存在较高的错配应变场密切相关;随着β'相粗化过程的进行,β_(M)和β″相的尺寸和数量逐渐减少,而由β'与β_(F)'相交替组成的竹节状析出物增多,成为合金基体中主要的析出结构;当错配应变足够大时,β_(F)'相内部出现位错,β相在位错处可以形核,并逐渐长大成为基体中主要的平衡析出结构.

铝锂合金纳米析出相结构与性能综述

纳米析出相种类、大小、形状、分布以及析出序列的调控是理解和设计第3、4代铝锂合金的基础。总结了铝锂合金中典型的Cu、Mg、Ag、Si合金元素作用下所产生的纳米析出相。重点介绍了Al-Li-Cu系中的δ′(Al3Li)相以及δ′(Al3Li)/Al3Sc核壳结构非平衡成分的稳定性问题、θ′(Al2Cu)/α-Al共格、半共格界面结构以及界面处的Cu元素偏析行为、δ′/θ′/δ′复合沉淀相中对立δ′相的“同相”和“反相”的位相关系起因,以及T1(Al2CuLi)的多种晶体结构模型;Al-Li-Cu-Mg系中的S(Al2CuMg)相与基体的界面结构、Ω(Al2Cu)相的抗粗化以及空位诱导的形核起源;Al-Li-Cu-Mg-Si系中的σ(Al5Cu6Mg2)-S′、σ-Ω由Si、Ag原子造成的竞争关系以及Q(Al3Cu2Mg9Si7)相中存在的本征点缺陷模型实现与B′(Al3Mg9Si7)的相互转变。结合X射线衍射、高分辨透射电子显微镜像、高角环形暗场扫描透射电子显微镜像以及第一性原理理论计算方法,为理解纳米沉淀相的性能提供启发。

Single scattering particles based analytical techniques

Single scattering particles,especially noble metal(plasmonic) nanoparticles,based analytical techniques are attractive recently and becoming the research focus of the light scattering analytical techniques.In this mini review,we summarize the single scattering particles based analytical techniques in the past decade including single scattering particles counting,single plasmonic nanoparticles sensing,and single plasmonic nanoparticles tracking/imaging.We emphasize the discussion on the single plasmonic nanoparticles sensing that combines with dark-field microscopy and resonant Rayleigh scattering spectroscopy.

基于光学显微术的单粒子传感

基于光学显微术的单粒子传感技术是一种将光学显微镜等具有空间分辨能力的研究工具应用于分析传感领域的检测技术.该技术将单个纳米粒子视作一个完整的纳米传感器,分子识别和信号转换均在单个纳米粒子界面上完成,信号读取则通过不同种类的光学显微镜来实现.与宏观的纳米传感器相比,单粒子传感技术通过对单个纳米粒子的光学特征信号进行测量、计数和追踪,可以获得局域微区内分析物的定性和定量信息,从而具有高灵敏度、高通量和可用于微观复杂体系的动态检测等显著优点.首先简要回顾了单粒子光学传感技术的发展历史和国内外研究现状,随后介绍了其主要技术特点,并重点综述了该领域近五年内的重要研究成果.最后指出通过纳米探针、光学成像技术和多维数据处理等多方面的持续发展,可进一步提高单粒子光学传感器的性能,有望使其在分析科学、生命科学和材料科学等诸多领域获得更加广泛和深入的应用.