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納米激光探針研究獲得重要進展

日期: 2019-01-16
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近日,南京大學化學化工學院陳洪淵院士團隊在基於等離子體激光體係的發光探針方麵取得重要進展。

現代生命科學和醫學的高度發達,很大程度上依賴於發光探針的先進性及其發展。過去幾十年,人類創造出一係列的發光物質,並得以在基礎研究、醫學診斷及化學工業等多個層麵廣泛應用。這些發光探針包括:有機熒光染料、半導體量子點、熒光蛋白、上轉換熒光材料、生物發光分子等等。

使用不同顏色的發光探針,可觀測生物體係中多種生物分子的協同行為,或同時分析多種特征的疾病標誌物。上述發光探針的發光行為都是基於自發輻射,具有較寬的發射光譜分布。這種寬譜的發光特征,從物性限製了同時標記和檢測的發光探針的種類不過4-5種。如能從物性根源上改變發光探針的發光行為,使其發光呈現出類似激光的單色性,有望大大拓展生命分析的容許通道數。

然而,二能級等離子激光體係離實際生物應用還有較大的距離。要在納米尺度內實現光的受激輻射放大,必須對增益介質和諧振腔內的電子躍遷和能量轉移實施精準的設計和調控,以降低激射閾值、延長激射時間,滿足實際生物應用的要求。

在激光基礎理論的啟發下,研究團隊通過設計增益介質的電子能級,利用電子的三重激發態躍遷,第一次在實驗上構建了三能級的等離子體激光探針。 受益於三重激發態的長壽命以及自旋禁阻的量子規則,實現了~3 nm的激射線寬、~102 μs的發光壽命以及低至1 mJ cm-2的激射閾值(較之前降低了2個數量級),已能與常規生物檢測儀器(如共聚焦顯微鏡、流式細胞儀)相兼容。該探針設計理念的建立,為下一代新型發光探針的設計、開發和應用具有重要指導意義。


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