CN101581655A - 溶液中金属纳米粒子计数器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种溶液中金属纳米粒子计数器，用于溶液中金属纳米粒子相对浓度的测定。计数器由激光器、中性衰减片、扩束镜、盖玻片或样品池、显微镜物镜、双色镜、透镜、针孔、单光子检测器、数据采集卡及计算机组成。样品溶液置于盖玻片或样品池上，激光照射溶液中的金属纳米粒子，产生的散射光经物镜收集后通过透镜聚焦到针孔，针孔与单光子检测器耦合在一起。单光子检测器产生的信号经数据采集卡，由计算机输出。本发明的工作原理是基于一个很小的激光共焦照射微区内(～10^－15升)，溶液中的金属粒子由于布朗运动进入或离开该微区时将产生光子的爆发，光子爆发数目与其浓度成正比。本发明可用于生物医学、化学和物理学等领域的研究和临床检测。

Description

溶液中金属纳米粒子计数器

技术领域

本发明涉及一种溶液中金属纳米粒子计数器，用于金属纳米粒子相对浓度的测定，可广泛应用于纳米科学，生命科学、化学、物理学等技术领域。

背景技术

某些金属(如金和银)纳米粒子由于其表面等离子体效应和量子尺寸效应表现出特殊的光学性质，如强的散射特性和吸收特性。同时，金(银)纳米粒子具有生物相容性好、易于与生物分子连接的特性，是一种具有广泛应用前景的生物探针。目前金纳米探针已成功地应用于核酸杂交检测，免疫分析以及细胞成像等领域。目前检测金属(如金)纳米粒子的方法主要有：比色法、紫外光谱法、散射法和动态光散射法。这些方法所用的仪器简单，但是它们的主要的缺点在于检测的灵敏度不高，所需的样品的体积较大，其应用十分有限。另外，这些方法均属于集合测定方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种溶液中金属纳米粒子计数器，能够灵敏、准确地检测单个金属纳米粒子的光子爆发，进而根据溶液中纳米粒子的光子爆发数与其浓度成正比的规律，测定金属纳米粒子的浓度。

为实现上述目的，本发明基于激光共焦构型和金属纳米粒子具有强的共振散射特性，设计出一种全新的金属纳米检测系统—金属纳米计数器。所述金属纳米计数器由激光器、中性衰减片、扩束镜、盖玻片或样品池、显微镜物镜、双色镜、透镜、针孔、单光子检测器、数据采集卡及计算机组成。样品溶液置于盖玻片或样品池上，激光照射溶液中的金属纳米粒子，产生的散射光经物镜收集后通过透镜聚焦到针孔，针孔与单光子检测器耦合在一起。单光子检测器产生的信号经数据采集卡，由计算机输出。

本发明的工作原理是：在一个很小的激光共焦照射微区内(～10^-15升)，溶液中具有强散射特性的金属纳米粒子由于布朗运动进入或离开该照射微区时将产生散射光信号的涨落现象-即光子的爆发。纳米粒子光子的爆发的数目与其浓度成正比。因此，这种方法可用于金属纳米粒子相对浓度的测定。

本发明的溶液中金属纳米粒子计数器以激光为激发光源，采用共焦构型，通过扩束镜和高数值孔径的物镜得到高聚焦的激光束，采用单光子计数器(或光电倍增管)将纳米粒子的散射光信号转换为电信号，数据采集卡用于数据采集和实时分析。其具体结构为：由激光器、中性衰减片、扩束镜、盖玻片或样品池、显微镜物镜、双色镜、透镜、针孔、单光子检测器、数据采集卡及计算机组成。盖玻片(或样品池)放于样品台上，样品液滴置于盖玻片(或样品池)上。激光器发出的激光经中性衰减片调节强度并经扩束镜扩束后，再经双色镜反射进入显微镜物镜聚焦后，照射到盖玻片(或样品池)上方的样品液滴；样品液滴中的金属纳米粒子散射光经过显微镜物镜收集穿过双色镜并经透镜聚焦到针孔上，针孔与单光子检测器的光敏感区耦合，单光子检测器产生的信号经数据采集卡由计算机输出。

本发明工作时，打开激光器，待激光器稳定后，调节中性衰减片使激光强度达到要求；调节扩束镜，使激光束直径达到要求。激光束经过扩束镜后照射到双色镜，经双色镜反射后进入显微镜物镜(高数值孔径物镜)，聚焦于盖玻片上的样品液滴。样品经激光照射产生共振散射光，其波长与入射光相同。在焦点处收集散射光，该散射光经过相同的物镜后发散为平行光，穿过同一双色镜，然后通过透镜聚焦于针孔。针孔与单光子检测器耦合在一起并置于透镜的焦点区，此焦点区正好是物镜的像平面。针孔与物镜焦点同轴可将激光在样品上的照射体积限定在很小的范围(小于10^-15升)。单光子检测器产生的信号经数据采集卡，从计算机输出。

本发明中的激光器和双色镜可根据不同的金属纳米粒子进行选择。

本发明所述的激光器，包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器。

本发明采用的显微镜物镜为高放大倍率(大于40)和高数值孔径(大于0.9)的水浸或油浸物镜。

本发明采用的盖玻片(或样品池)的厚度为0.1～0.3毫米。

本发明采用的针孔直径从10微米到300微米可变，可方便更换。

本发明采用的单光子检测器包括了雪崩二极管型的单光子计数器(或光电倍增管)以及高灵敏的光放大器。

本发明采用数据采集卡进行实时快速采样，采样时间间隔从1微秒到50毫秒。

本发明的金属纳米粒子计数器能够准确、灵敏地检测单个金属纳米粒子的光子爆发。本发明采用简单的光学构型-激光共焦构型，不需要激发滤光片和发射滤光片，缩小照射体积，减少背景散射的影响，从而提高检测信号与背景的比值(即：信/背比)。在光子收集系统中，将针孔与单光子检测器的光敏感区紧紧耦合在一起，避免了光能量损失，并使调节方便。当对系统进行调节时，针孔与单光子检测器同时移动，容易实现检测器光敏区、针孔和物镜焦点同轴，显著地提高了检测灵敏。

本发明光学构型简单，稳定性好，操作方便。检测方法灵敏度很高，适合生命科学、化学以及物理学等领域的基础研究，特别在均相免疫分析、高通量药物筛选、肿瘤早期诊断、核酸杂交分析等方面的具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图1中，1为激光器，2为中性衰减片，3为扩束镜，4为盖玻片(或样品池)，5为显微镜物镜，6为双色镜，7为透镜，8为针孔，9为单光子计数器(或光电倍增管)，10为数据采集卡，11为计算机。

图2为纳米金光子爆发图。其中，激光(632.8纳米)能量为0.1毫瓦，金纳米粒子粒径为36纳米。

图3为光子爆发数与金纳米粒子浓度的线性关系。其中，激光(632.8纳米)能量为0.1毫瓦，金纳米粒子粒径为36纳米。检出限为1.288×10^-14摩尔/升。

图4为银纳米粒子光子爆发图。其中，激光(488纳米)能量为0.05毫瓦，银纳米粒子粒径为30纳米。

图5为光子爆发数与银纳米粒子浓度的线性关系。其中，激光(488纳米)能量为0.05毫瓦，银纳米粒子粒径为30纳米。

图6为银纳米在532纳米激光下的光子爆发图。其中，激光(532纳米)能量为0.1毫瓦，银纳米粒子粒径为30纳米。

图7为金纳米在532纳米激光下的光子爆发图。其中，激光(532纳米)能量为0.1毫瓦，金纳米粒子粒径为36纳米。

具体实施方式

以下结合附图和几个具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例不构成对本发明的限定。

本发明溶液中金属纳米粒子计数器的结构原理如图1所示，由激光器1、中性衰减片2、扩束镜3、盖玻片或样品池4、显微镜物镜5、双色镜6、透镜7、针孔8、单光子检测器9、数据采集卡10及计算机11组成。；盖玻片或样品池4放于样品台上，样品液滴置于盖玻片或样品池4上；激光器1发出的激光经中性衰减片2调节强度并经扩束镜3扩束后，再经双色镜6反射进入显微镜物镜5聚焦后，照射到盖玻片或样品池4上方的样品液滴。样品液滴中的金属纳米粒子散射光经过显微镜物镜5收集穿过双色镜6并经透镜7聚焦到针孔8上，针孔8与单光子检测器9的光敏感区耦合，单光子检测器9产生的信号经数据采集卡10由计算机11输出。

工作时，首先打开激光器1，稳定20分钟，调节中性衰减片2使照射光束的强度达到要求。调节扩束镜3使照射光束的直径达到要求。根据实验的要求，选择合适的双色镜6。将盖玻片(或样品池)4置于样品台上，将待分析的样品溶液1-10微升滴于盖玻片(或样品池)4上，然后盖上样品盖。启动单光子检测器9、数据采集卡10和计算机11，拉开光闸，扩束的光束经双色镜6反射进入显微镜物镜5的后孔，经显微镜物镜聚焦到样品液滴上。纳米粒子散射光由显微镜物镜5收集后穿过双色镜6后，由透镜7将其聚焦到针孔8并进入单光子检测器9，单光子检测器9产生的信号经数据采集卡10采集和实时分析由计算机11输出。

下面是几种不同纳米粒子的检测实施例及其光子爆发图。采用组件为：

激光器：氩离子激光器(488纳米)，半导体激光器(543纳米)和氦-氖激光器(632.8纳米)。

实施例1金纳米粒子计数分析：

激光器：氦-氖激光器(632.8纳米)，二色镜为650纳米，

采用35微米的针孔，样品测定过程如前述。图2给出了金纳米粒子的光子爆发图。图2的横坐标为记录时间(或称为测量时间)，纵坐标为光子的爆发强度，每一峰代表一次爆发。图3为光子爆发数与金纳米粒子浓度的线性关系。横坐标为金纳米粒子的浓度，纵坐标为光子的爆发的个数(即图中的峰个数)。可以通过测定未知的溶液中金纳米粒子的发光个数，根据光子爆发数与金纳米粒子浓度的线性关系可以计算待测溶液中金纳米粒子的浓度。

实施例2银纳米粒子计数分析：

激光器：氩离子激光器(488纳米)，二色镜为505纳米。

采用35微米的针孔，样品测定过程如前述。图4给出了金纳米粒子的光子爆发图。图5光子爆发数与银纳米粒子浓度的线性关系。

实施例3金和银纳米粒子计数分析

激光器：半导体激光器(543纳米)，二色镜为550纳米。

采用35微米的针孔，样品测定过程如前述。图6和图7分别给出了银纳米粒子和金纳米粒子的光子爆发图。

由上述实施例可知，本发明的金属纳米粒子计数器能够准确、灵敏地检测单个金属纳米粒子的光子爆发。同时，因溶液中纳米粒子的光子爆发数与纳米么粒子的浓度成正比，可以根据光子爆发数测定金属纳米粒子的浓度。

Claims (5)

1、一种溶液中金属纳米粒子计数器，其特征在于由激光器(1)、中性衰减片(2)、扩束镜(3)、盖玻片或样品池(4)、显微镜物镜(5)、双色镜(6)、透镜(7)、针孔(8)、单光子检测器(9)、数据采集卡(10)及计算机(11)组成；盖玻片或样品池(4)放于样品台上，样品液滴置于盖玻片或样品池(4)上；激光器(1)发出的激光经中性衰减片(2)调节强度并经扩束镜(3)扩束后，再经双色镜(6)反射进入显微镜物镜(5)聚焦后，照射到盖玻片或样品池(4)上方的样品液滴；样品液滴中的金属纳米粒子散射光经过显微镜物镜(5)收集穿过双色镜(6)并经透镜(7)聚焦到针孔(8)上，针孔(8)与单光子检测器(9)的光敏感区耦合，单光子检测器(9)产生的信号经数据采集卡(10)由计算机(11)输出。

2、根据权利要求1的溶液中金属纳米粒子计数器，其特征在于所述激光器(1)为气体激光器、固体激光器、半导体激光器或染料激光器。

3、根据权利要求1的溶液中金属纳米粒子计数器，其特征在于所述显微镜物镜(5)的放大倍率大于40，孔径大于0.9。

4、根据权利要求1的溶液中金属纳米粒子计数器，其特征在于所述针孔(8)的直径为15～300微米。

5、根据权利要求1的溶液中金属纳米粒子计数器，其特征在于所述数据采集卡(10)的采样时间从1微秒到50毫秒。

Images