柱矢量光束紧聚焦条件下石墨烯基显微传感成像技术研究

More and more life science researchers hope for exploring the subcellular and molecular levels in the micro and nano scales, with the application of biomedical research transition from the tissue and organ levels to the cellular and molecular levels. Currently, the concerned detection techniques of the subcellular and molecular levels have an urgent need for label-free, high detection depth, high spatial resolution, high sensitivity and non-toxic biological characteristics. The microscopic refractive index sensing technology is extensively studied for its advantages of label-free and high sensitivity, in which the surface plasmon resonance refractive index sensing technology is an outstanding representative. However, limited by the low sensing depth, surface plasmon resonance sensing technology is difficult to achieve the purpose of sensing the internal structure and molecular behavior of cells. Here, a novel microscopic refractive index sensing technology is proposed under tight focusing of cylinderical vector beam, and it bases on the effect that the polarization absorption of graphene is sensitive to the change of refractive index. In addition to the advantages of label-free, high sensitivity, high spatial resolution, wide dynamic range, this technology also has the advantages of micrometers sensing depth and non-toxic biological characteristics, and it provides a new way to explore the biological behavior of sub-cellular level, especially opening a door for the studies of the internal structure and molecules of cells, and it provides strong supporting for revealing the mysteries of the smallest basic unit of life.

随着生物医学研究及应用向细胞和分子水平过渡，越来越多的生命科学研究希望在微纳尺度的亚细胞和分子水平展开探索。目前，人们关心的亚细胞和分子水平检测技术迫切需要具备免标记、探测深度大、空间分辨率高、灵敏度高、生物无毒性的特点。显微折射率传感检测技术由于具有免标记、灵敏度高的优势被广泛研究，其中以表面等离子体共振折射率传感技术为代表。然而受低传感深度的限制，该技术难以对细胞内部结构及其分子行为展开深入研究。本项目中，我们提出一种柱矢量光束紧聚焦条件下的新型显微折射率传感成像技术，该技术基于石墨烯偏振光学吸收的灵敏折射率依赖效应，除具有免标记、灵敏度高、空间分辨率高、动态范围大等优势外，该技术还具有微米量级的大传感深度和生物无毒性的特点，这为亚细胞水平展开探索开辟一条切实可行的新途径，尤其为细胞内部结构和分子行为的深入研究打开一扇大门，对进一步揭示最小生命基本单元的奥秘提供有力支持。

生物医学研究及应用逐渐向细胞和分子水平过渡，使得生命科学研究科学家越来越希望在微观尺度的细胞、亚细胞和分子水平展开深入探索。当前，生物科学研究密切关注的细胞和分子水平检测技术迫切需要具备免标记、探测深度大、空间分辨率高、灵敏度高、生物无毒性的特点。因此，免标记、灵敏度高的显微折射率传感检测技术被广泛研究。其中，表面等离子体共振折射率传感技术为免标记、高灵敏生物检测的代表，然而受低传感深度的限制，该技术难以对细胞内部结构及其分子行为展开深入研究，因此极大限制了其在生物医学前沿领域的发展。本项目，基于柱矢量光束紧聚焦条件和石墨烯偏振光学吸收的灵敏折射率依赖效应，我们提出一种新型显微折射率传感成像技术，该技术具有免标记、灵敏度高、空间分辨率高、动态范围大和生物无毒性的特点外，还具有微米量级的大传感深度，这使得研究细胞内部结构及其分子行为成为可能。本项目主要的研究内容如下：1. 研究机理；2. 提高参数；3. 应用于细胞内部结构及其分子行为检测。重要结果、关键数据及其科学意义如下：1. 我们通过机理研究和实验系统设计，将折射率探测灵敏度提升到1.2 × 10^8mV/RIU，探测极限提升到10^-8 RIU，这是目前世界报道的最高水平，这一参数世界领先；2. 我们在世界上首次将传感深度极限提升到2.5微米，并实现了可调的传感深度，这一探测深度能够完美匹配贴壁癌细胞高度，真正实现精确检测整个细胞与分子、药物的作用结果；3. 我们将系统的响应速度提升到了8 纳秒水平，这是目前世界上报到的同类检测技术的最高水平；4. 我们将这一技术应用在癌细胞对抗癌药物应答研究上，并发现了异于传统医学认识的异常癌细胞对抗癌药物应答，简单、快速的证明抗癌药物的用量并不是越多越有效。