荧光相关光谱系统及其荧光纳米材料的表征手段
对单个分子的空间分布和时间轨道进行直接观测,并对其进行识别、分类和定量描述,一直是分析工作者的梦想。上世纪七十年代由于研究生物大分子的化学动力学的需要,出现了荧光相关光谱技术。
随着九十年代显微共焦技术,计算机技术和光学检测技术的发展进步,荧光相关光谱逐渐发展为一种溶液中单分子检测技术,被广泛用于DNA与蛋白质之间的相互作用研究,细胞膜上和细胞内部的粒子的扩散研究和药物的高通量筛选等方面。荧光相关光谱通过测定溶液中微区内(通常 <10-15L)发光粒子由于布朗运动或化学反应而产生的荧光涨落(荧光强度的明暗变化),并对荧光强度随时间变化的函数进行相关分析,从而获得粒子浓度、化学动力学参数等有关信息。本论文工作以减少检测体积,提高荧光收集效率,增加信/背比为理念,在总结前人工作的基础上,经过艰苦实验摸索,自主构建了一套性能优良的荧光相关光谱单分子检测系统,建立了一系列荧光纳米材料表征的新方法,用于荧光纳米材料中一些重要的基础问题研究。
主要研究内容包括如下几方面:
1.荧光相关光谱系统的研制。以激光共焦构型为其主体光学结构,选用水浸物镜作为光学收集元件,针孔作为空间滤波元件,自组装了一套检测体积小于1fL, 信/背比达到400的荧光相关光谱单分子检测系统。系统测试和基因的点突变分析结果表明,该系统具有高灵敏和高稳定性的特点,可以用于生物大分子的扩散动力学,生物大分子间的相互作用研究和基因点突变分析等领域。
2.采用荧光相关光谱技术建立了一种水溶液中荧光粒子的动力学半径测定的新方法。同时将荧光相关光谱技术与其它光谱技术相结合,对水相合成的碲化镉量子点的分子量和摩尔消光系数等参数进行了系统研究。并在传统的FCS测定发光量子点浓度方法的基础上,提出了一种快速测定量子点样品中发光量子点比例的新方法,并对一系列量子点样品的发光量子点比例进行了测定。实验结果发现,水相合成的量子点的量子产率与发光量子点比例成正比,而发光量子点的量子产率可以认为接近100%。同时,将荧光相关光谱用于量子点标记辣根过氧化物酶的产物的表征,发现在一个辣根过氧化物酶分子可以结合大约一个量子点。
3.将荧光相关光谱系统与微流控芯片电泳联用,建立了一种溶液中荧光粒子的荷电或表面电荷的测定方法,并对荧光素的荷电和CdTe量子点的表面电荷进行了测定。我们发现,荧光素在pH7.4和pH8.4的缓冲溶液中的带电荷分别为1.1±0.5和1.5±0.4。巯基丙酸(MPA)为稳定剂的CdTe量子点在不同pH的TBE缓冲溶液中的表面电荷分别为6.2±0.4 (pH 8.4), 6.3±0.8(pH 9.3)和7.6±0.7(pH10.0)。此外,还发现量子点的表面电荷不仅与量子点所在的缓冲溶液的pH有关,而且还跟表面配体的种类等其它因素有关。巯基丙酸(MPA)为稳定剂的CdTe量子点在高浓度的谷胱甘肽(GSH)溶液中充分交换后,表面电荷变为11.8±0.5。
4.采用荧光相关光谱和其它光谱技术,对重金属离子(Ag~+离子)对碲化镉量子点的淬灭过程和机理进行了研究。研究发现,在Ag~+离子淬灭量子点的过程中,Ag~+离子进入量子点表面未配位完全的Te原子位置,形成的AgTe结构而产生新的表面缺陷,导致量子点荧光淬灭。尤为重要的是,发现Ag~+离子在量子点表面结合后,直接将发光量子点变成不发光的量子点,从而导致量子点的荧光淬灭。因此,认为Ag~+离子淬灭量子点过程是量子点逐个淬灭过程,而不是单个量子点荧光逐步衰减的过程。同时,我们还系统地研究了透析过程对荧光量子点的荧光增强作用。实验发现,透析过程可以将部分不发光量子点转变成发光量子点,从而显著提高量子点的荧光量子产率。其原因可能是由于透析过程消除了溶液中过量的Cd-MPA复合物,并导致量子点表面结构发生重组和调整的缘故。
5.采用荧光相关光谱技术对激光照射下量子点发生团聚和光活化的过程进行了系统的研究。实验结果表明,量子点在激光照射下发生的光活化过程与量子点的团聚直接相关。量子点的光活化是由于激光照射下量子点发生团聚后,量子点表面发生重组优化的结果。而量子点的粒径对量子点在光照下能否发生团聚具有决定性作用。粒径越小的#