溶液中金屬納米粒子計數器的製作方法

2023-05-24 12:19:31

專利名稱：溶液中金屬納米粒子計數器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種溶液中金屬納米粒子計數器，用於金屬納米粒子相對濃度 的測定，可廣泛應用於納米科學，生命科學、化學、物理學等技術領域。
背景技術：
某些金屬(如金和銀)納米粒子由於其表面等離子體效應和量子尺寸效應 表現出特殊的光學性質，如強的散射特性和吸收特性。同時，金(銀)納米粒 子具有生物相容性好、易於與生物分子連接的特性，是一種具有廣泛應用前景
的生物探針。目前金納米探針己成功地應用於核酸雜交檢測，免疫分析以及細 胞成像等領域。目前檢測金屬(如金)納米粒子的方法主要有比色法、紫外 光譜法、散射法和動態光散射法。這些方法所用的儀器簡單，但是它們的主要 的缺點在於檢測的靈敏度不高，所需的樣品的體積較大，其應用十分有限。另 外，這些方法均屬於集合測定方法。

發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種溶液中金屬納米粒子計 數器，能夠靈敏、準確地檢測單個金屬納米粒子的光子爆發，進而根據溶液中 納米粒子的光子爆發數與其濃度成正比的規律，測定金屬納米粒子的濃度。
為實現上述目的，本發明基於雷射共焦構型和金屬納米粒子具有強的共振 散射特性，設計出一種全新的金屬納米檢測系統一金屬納米計數器。所述金屬 納米計數器由雷射器、中性衰減片、擴束鏡、蓋玻片或樣品池、顯微鏡物鏡、 雙色鏡、透鏡、針孔、單光子檢測器、數據採集卡及計算機組成。樣品溶液置 於蓋玻片或樣品池上，雷射照射溶液中的金屬納米粒子，產生的散射光經物鏡 收集後通過透鏡聚焦到針孔，針孔與單光子檢測器耦合在一起。單光子檢測器 產生的信號經數據採集卡，由計算機輸出。
本發明的工作原理是在一個很小的雷射共焦照射微區內( 10—15升)，溶
3液中具有強散射特性的金屬納米粒子由於布朗運動進入或離開該照射微區時將 產生散射光信號的漲落現象一即光子的爆發。納米粒子光子的爆發的數目與其 濃度成正比。因此，這種方法可用於金屬納米粒子相對濃度的測定。
本發明的溶液中金屬納米粒子計數器以雷射為激發光源，採用共焦構型， 通過擴束鏡和高數值孔徑的物鏡得到高聚焦的雷射束，採用單光子計數器(或 光電倍增管)將納米粒子的散射光信號轉換為電信號，數據採集卡用於數據採 集和實時分析。其具體結構為由雷射器、中性衰減片、擴束鏡、蓋玻片或樣 品池、顯微鏡物鏡、雙色鏡、透鏡、針孔、單光子檢測器、數據採集卡及計算 機組成。蓋玻片(或樣品池)放於樣品臺上，樣品液滴置於蓋玻片(或樣品池) 上。雷射器發出的雷射經中性衰減片調節強度並經擴束鏡擴束後，再經雙色鏡 反射進入顯微鏡物鏡聚焦後，照射到蓋玻片(或樣品池)上方的樣品液滴；樣 品液滴中的金屬納米粒子散射光經過顯微鏡物鏡收集穿過雙色鏡並經透鏡聚焦 到針孔上，針孔與單光子檢測器的光敏感區耦合，單光子檢測器產生的信號經 數據採集卡由計算機輸出。
本發明工作時，打開雷射器，待雷射器穩定後，調節中性衰減片使雷射強 度達到要求；調節擴束鏡，使雷射束直徑達到要求。雷射束經過擴束鏡後照射 到雙色鏡，經雙色鏡反射後進入顯微鏡物鏡(高數值孔徑物鏡)，聚焦於蓋玻片 上的樣品液滴。樣品經雷射照射產生共振散射光，其波長與入射光相同。在焦 點處收集散射光，該散射光經過相同的物鏡後發散為平行光，穿過同一雙色鏡， 然後通過透鏡聚焦於針孔。針孔與單光子檢測器耦合在一起並置於透鏡的焦點 區，此焦點區正好是物鏡的像平面。針孔與物鏡焦點同軸可將雷射在樣品上的 照射體積限定在很小的範圍(小於10"5升)。單光子檢測器產生的信號經數據採 集卡，從計算機輸出。
本發明中的雷射器和雙色鏡可根據不同的金屬納米粒子進行選擇。
本發明所述的雷射器，包括氣體雷射器、固體雷射器、半導體雷射器和染 料雷射器。
本發明採用的顯微鏡物鏡為高放大倍率(大於40)和高數值孔徑(大於0. 9 )
4的水浸或油浸物鏡。
本發明採用的蓋玻片(或樣品池)的厚度為O. 1 0.3毫米。 本發明採用的針孔直徑從10微米到300微米可變，可方便更換。
本發明採用的單光子檢測器包括了雪崩二極體型的單光子計數器(或光電 倍增管)以及高靈敏的光放大器。
本發明採用數據採集卡進行實時快速採樣，採樣時間間隔從1微秒到50毫秒。
本發明的金屬納米粒子計數器能夠準確、靈敏地檢測單個金屬納米粒子的
光子爆發。本發明採用簡單的光學構型一雷射共焦構型，不需要激發濾光片和
發射濾光片，縮小照射體積，減少背景散射的影響，從而提高檢測信號與背景
的比值(即信/背比)。在光子收集系統中，將針孔與單光子檢測器的光敏感
區緊緊耦合在一起，避免了光能量損失，並使調節方便。當對系統進行調節時，
針孔與單光子檢測器同時移動，容易實現檢測器光敏區、針孔和物鏡焦點同軸，
顯著地提高了檢測靈敏。
本發明光學構型簡單，穩定性好，操作方便。檢測方法靈敏度很高，適合
生命科學、化學以及物理學等領域的基礎研究，特別在均相免疫分析、高通量
藥物篩選、腫瘤早期診斷、核酸雜交分析等方面的具有廣闊的應用前景。


圖1為本發明的結構原理圖。
圖1中，l為雷射器，2為中性衰減片，3為擴束鏡，4為蓋玻片(或樣品 池)，5為顯微鏡物鏡，6為雙色鏡，7為透鏡，8為針孔，9為單光子計數器(或 光電倍增管)，IO為數據採集卡，ll為計算機。
圖2為納米金光子爆發圖。其中，雷射(632.S納米)能量為O. l毫瓦，金 納米粒子粒徑為36納米。
圖3為光子爆發數與金納米粒子濃度的線性關係。其中，雷射(632. 8納米)
能量為0. 1毫瓦，金納米粒子粒徑為36納米。檢出限為1. 288X10—"摩爾/升。 圖4為銀納米粒子光子爆發圖。其中，雷射(48S納米)能量為0.05毫瓦，
5銀納米粒子粒徑為30納米。
圖5為光子爆發數與銀納米粒子濃度的線性關係。其中，雷射(48S納米) 能量為0.05毫瓦，銀納米粒子粒徑為30納米。
圖6為銀納米在532納米雷射下的光子爆發圖。其中，雷射(532納米)能 量為0. 1毫瓦，銀納米粒子粒徑為30納米。
圖7為金納米在532納米雷射下的光子爆發圖。其中，雷射(532納米)能 量為0. 1毫瓦，金納米粒子粒徑為36納米。
具體實施例方式
以下結合附圖和幾個具體的實施例對本發明的技術方案作進一步描述。以 下實施例不構成對本發明的限定。
本發明溶液中金屬納米粒子計數器的結構原理如圖1所示，由雷射器1、 中性衰減片2、擴束鏡3、蓋玻片或樣品池4、顯微鏡物鏡5、雙色鏡6、透鏡7、 針孔8、單光子檢測器9、數據採集卡10及計算機11組成。；蓋玻片或樣品池4 放於樣品臺上，樣品液滴置於蓋玻片或樣品池4上；雷射器l發出的雷射經中 性衰減片2調節強度並經擴束鏡3擴束後，再經雙色鏡6反射進入顯微鏡物鏡5 聚焦後，照射到蓋玻片或樣品池4上方的樣品液滴。樣品液滴中的金屬納米粒 子散射光經過顯微鏡物鏡5收集穿過雙色鏡6並經透鏡7聚焦到針孔8上，針 孔8與單光子檢測器9的光敏感區耦合，單光子檢測器9產生的信號經數據採 集卡10由計算機11輸出。
工作時，首先打開雷射器l，穩定20分鐘，調節中性衰減片2使照射光束 的強度達到要求。調節擴束鏡3使照射光束的直徑達到要求。根據實驗的要求， 選擇合適的雙色鏡6。將蓋玻片(或樣品池)4置於樣品臺上，將待分析的樣品 溶液I一IO微升滴於蓋玻片(或樣品池)4上，然後蓋上樣品蓋。啟動單光子 檢測器9、數據採集卡IO和計算機11，拉開光閘，擴束的光束經雙色鏡6反射 進入顯微鏡物鏡5的後孔，經顯微鏡物鏡聚焦到樣品液滴上。納米粒子散射光 由顯微鏡物鏡5收集後穿過雙色鏡6後，由透鏡7將其聚焦到針孔8並進入單 光子檢測器9，單光子檢測器9產生的信號經數據採集卡LO採集和實時分析由 計算機ll輸出。下面是幾種不同納米粒子的檢測實施例及其光子爆發圖。採用組件為 雷射器氬離子雷射器(488納米)，半導體雷射器(543納米)和氦一 氖雷射器(632.8納米)。
實施例1 金納米粒子計數分析
雷射器氦一氖雷射器(632.8納米)，二色鏡為650納米， 採用35微米的針孔，樣品測定過程如前述。圖2給出了金納米粒子的光 子爆發圖。圖2的橫坐標為記錄時間(或稱為測量時間)，縱坐標為光子的爆發 強度，每一峰代表一次爆發。圖3為光子爆發數與金納米粒子濃度的線性關係。 橫坐標為金納米粒子的濃度，縱坐標為光子的爆發的個數(即圖中的峰個數)。 可以通過測定未知的溶液中金納米粒子的發光個數，根據光子爆發數與金納米 粒子濃度的線性關係可以計算待測溶液中金納米粒子的濃度。
實施例2 銀納米粒子計數分析
雷射器氬離子雷射器(488納米)，二色鏡為505納米。 採用35微米的針孔，樣品測定過程如前述。圖4給出了金納米粒子的光子
爆發圖。圖5光子爆發數與銀納米粒子濃度的線性關係。
實施例3 金和銀納米粒子計數分析
雷射器半導體雷射器(543納米)，二色鏡為550納米。 採用35微米的針孔，樣品測定過程如前述。圖6和圖7分別給出了銀納米
粒子和金納米粒子的光子爆發圖。
由上述實施例可知，本發明的金屬納米粒子計數器能夠準確、靈敏地檢測 單個金屬納米粒子的光子爆發。同時，因溶液中納米粒子的光子爆發數與納米 麼粒子的濃度成正比，可以根據光子爆發數測定金屬納米粒子的濃度。
權利要求
1、一種溶液中金屬納米粒子計數器，其特徵在於由雷射器(1)、中性衰減片(2)、擴束鏡(3)、蓋玻片或樣品池(4)、顯微鏡物鏡(5)、雙色鏡(6)、透鏡(7)、針孔(8)、單光子檢測器(9)、數據採集卡(10)及計算機(11)組成；蓋玻片或樣品池(4)放於樣品臺上，樣品液滴置於蓋玻片或樣品池(4)上；雷射器(1)發出的雷射經中性衰減片(2)調節強度並經擴束鏡(3)擴束後，再經雙色鏡(6)反射進入顯微鏡物鏡(5)聚焦後，照射到蓋玻片或樣品池(4)上方的樣品液滴；樣品液滴中的金屬納米粒子散射光經過顯微鏡物鏡(5)收集穿過雙色鏡(6)並經透鏡(7)聚焦到針孔(8)上，針孔(8)與單光子檢測器(9)的光敏感區耦合，單光子檢測器(9)產生的信號經數據採集卡(10)由計算機(11)輸出。
2、 根據權利要求l的溶液中金屬納米粒子計數器，其特徵在於所述雷射器 (1)為氣體雷射器、固體雷射器、半導體雷射器或染料雷射器。
3、 根據權利要求l的溶液中金屬納米粒子計數器，其特徵在於所述顯微鏡 物鏡(5)的放大倍率大於40，孔徑大於0.9。
4、 根據權利要求1的溶液中金屬納米粒子計數器，其特徵在於所述針孔(8) 的直徑為15 300微米。
5、 根據權利要求1的溶液中金屬納米粒子計數器，其特徵在於所述數據採 集卡(10)的採樣時間從1微秒到50毫秒。
全文摘要
本發明涉及一種溶液中金屬納米粒子計數器，用於溶液中金屬納米粒子相對濃度的測定。計數器由雷射器、中性衰減片、擴束鏡、蓋玻片或樣品池、顯微鏡物鏡、雙色鏡、透鏡、針孔、單光子檢測器、數據採集卡及計算機組成。樣品溶液置於蓋玻片或樣品池上，雷射照射溶液中的金屬納米粒子，產生的散射光經物鏡收集後通過透鏡聚焦到針孔，針孔與單光子檢測器耦合在一起。單光子檢測器產生的信號經數據採集卡，由計算機輸出。本發明的工作原理是基於一個很小的雷射共焦照射微區內(～10-15升)，溶液中的金屬粒子由於布朗運動進入或離開該微區時將產生光子的爆發，光子爆發數目與其濃度成正比。本發明可用於生物醫學、化學和物理學等領域的研究和臨床檢測。
文檔編號G01N15/10GK101581655SQ200910053758
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月25日 優先權日2009年6月25日
發明者任吉存, 超 謝 申請人:上海交通大學