微空间非相干光源激励光热透镜显微技术研究

Realizing highly sensitive, non-contact and fast detection of analytes in a scattering environment is quite important to physical and biochemical analysis in micro space. Fluorescence-based detection is quite sensitive, but just suitable for fluorescent molecules or those tagged with fluorophores. Laser-excited thermal lens microscopy is capable of detecting nonfluorescent molecules with high sensitivity, but it is sensitive to wavelength-scale scattering background and lacks good tunability, which limits the range of analytes and its commercialization. In order to detect a larger range of nonfluorescent molecules in a scattering environment, in this study we will develop an incoherent light source (ILS)-excited broad-band thermal lens microscopy. Through detailed theoretical and experimental analyses, we will investigate the mechanism of ILS excitation-induced photothermal effect in micro spaces of different scales, and subsequently propose some measures for heat control and optimization of systematic parameters (including parameters of excitation unit, probing unit and micro space structure). We can expect to develop a photothermal lens microscopic technique and a platform with relatively high sensitivity, good tunability, insensitivity to scattering background, applicability to flowing sample analysis and a promising prospect of commercialization. This will provide a solid detection tool for microscale analytical devices, promoting the development of environmental monitoring, chemical and biomedical analyses.

在散射背景下(如微流控芯片中成分较复杂的流体分析物或原样分析物)，高灵敏、非接触和快速探测目标物是实现微空间物理及生化分析的重要手段和前提。基于荧光的光学探测灵敏度很高，但只适用于荧光分子或被荧光团标记的分子；而激光激励光热透镜显微技术适于高灵敏探测非荧光分子，但该技术存在对波长级散射粒子较敏感、可调谐性较差等缺点，限制了可分析的样品范围和仪器的商业化。为探测更大范围的散射背景下的非荧光分子，本项目拟发展一种非相干光源激励宽光谱光热透镜显微技术。本研究项目将通过详细的理论和实验分析，探究非相干光源激励下微空间光热效应机理，采取适当的热控制和系统(包括激励单元、探测单元和微空间结构)优化措施，预期发展出灵敏度较高、可调谐性好、对散射不敏感以及适于流体分析的具有商业化前景的光热透镜显微技术及平台，为微空间分析器件提供探测技术和设备支持，推动环境监测、分析化学及生物医学分析等领域向前发展。

高灵敏快速探测散射背景下目标物是实现微空间物理及生化分析的重要手段。作为荧光光学探测方法的重要补充，激光激励光热透镜显微技术适于高灵敏探测非荧光分子，但该技术对波长级散射粒子较敏感、可调谐性较差，限制了可分析的样品范围。为探测更大范围的非荧光分子，本项目发展一种非相干光源激励宽光谱光热透镜显微技术。我们建立起较详细的微空间光热透镜显微探测模型以及非相干光源激励的微流体-光热透镜显微探测系统，研究了微纳空间热波传递机理、非相干光源经物镜聚焦后焦场光强分布；提出了控制热波的微纳空间结构和优化的探测构型；分析了实际样品(如水体中微囊藻毒素等)。研究表明:（1）热物理性良好的材料(如TiO2)可实现对微纳空间中光热效应的热转移控制,可提高探测灵敏度一个数量级及以上；在一个300纳米的微空间中，差分干涉对比-光热显微探测检出限低至10-3m-1；(2)在较小微空间(<50μm),热透镜显微探测可工作于衍射受限模式；在较大微空间(50-1000μm)中，非衍射受限模式更适合。后者检出限仅为前者的1/8，且光学强度比前者小2-3个数量级，具有更高的散射耐受性，适用于流体分析和光不稳定目标物；(3)微囊藻毒素的检出限约20ng/L，与传统方法相比，分析时间从半小时缩短至6min,单次分析酶的用量(~1μL)比常规方法减少一个数量级(~50μL)。通过本课题研究，有助于我们对微纳空间热分布及光热信号行为的理解，构建的光热透镜显微探测系统相比以前在探测灵敏度、散射敏感性、可调性等方面有较大改进。经过进一步的改进和优化，预期可发展出实用的微空间分析测试系统，将在环境监控、生物及化学目标物分析等领域获得应用。这项研究还将有助于光热相关其他领域(诸如微纳空间热控制和利用、材料热物性表征、光催化反应研究等)的发展。