可调控银纳米阵列结构制备及其在生物表面增强荧光技术中的应用研究

Surface-enhanced fluorescence technique could increase the fluorescence detection limitation and resolution dramatically. Appliactions of such metal-based enhancement methodology to life science research field particularly pertaining to the diagnosis of disease at the early stage, the discovery of pathogenic factors at molecular level and the development of new therapy. This cutting-edge study attracts more and more colleagues. There are a lot of efforts made towards the mechnism of surface-enhanced fluorescence and the fabrication of activated substrates. In this project, a new fabrication process is proposed to achieve tunable silver nano-array. The observation of surface plasmonic resonance phenomena on the as-prepared substrates could figure out the prerequisite to resonance, and build up the relationship between the structural features of nanoscaled silver array and the enhancement effeciency of fluorescence because the enhanced fluorescence is caused by the million-foldly stronger local electomagnetic field from the resonance. The relation analysis is helpful to model the experimental consequences and guide the forthcoming substrates designing. Meanwhile, the theoretical result could be contributory to mature the mechanism of surface-enhanced fluorescence. The engaged fabrication techniques in this project include electron-beam lithography, nanoimprinting lithography and the thin film deposition. The whole process is compatible to the fabrication process of the large-scale integrated circuit. so this top-down route guarantees the quality and reproducibility of samples. The purpose of this study is to set up a practical model to engineer the surface-enhanced fluorescence substrate fabrication at least. The massive results from the sysmatical experiments may provide evidences for the theoratical study to develop the mechanism. Finally, the achievments will be tried in the conventional fluorescence techniques especially on the cell imaging for higer resolution and the immunofluorescence analysis for greater sensitivity.

表面增强荧光能显著提高荧光检测技术的效能，拓宽其在疾病早期诊断、致病机理探索及治疗方案完善等生命科学领域的用途，国内外这方面的应用基础研究才刚起步。由于对荧光表面增强的本源还处于探索阶段，因此实现根据荧光物质来适配特定结构的增强基底尚有困难。本项目拟结合电子束光刻、纳米压印和薄膜淀积技术，提出一种制备可调控银纳米阵列结构的方法，该法与大规模集成电路制造工艺兼容，可控性高，制备的结构重复性好，可实现纳米结构的大范围调控。通过银纳米阵列结构的调控，系统的研究其表面等离体激元共振现象及其产生条件，结合荧光检测结果来确立纳米阵列结构特征与荧光增强效能的关系，建立相关的理论模型来科学的阐释荧光表面增强的现象，完善和发展表面增强荧光的机理。最终实现所建立的模型能用于指导增强基底结构的设计，并应用于生物学荧光技术，获取高分辨的细胞图像，提高免疫荧光分析的灵敏度。

表面增强荧光是一种基于金属纳米结构的荧光增强现象，能够显著的提高荧光检测技术的效能，并将这种广泛应用于化学和生物学研究的技术提升到一个新的高度。特别是在生物学研究中，荧光实验技术已经成为了最重要的研究手段之一，但是传统荧光技术中，荧光发射的方向是全方位的，几乎不可能获到全部的发射荧光，因此荧光信号弱且不稳定成为荧光技术应用的掣肘。在本项目中，可调控银纳米阵列结构被成功的制备出来并应用于生物表面荧光的增强，通过具有指向性的荧光发射，提高了荧光的收集效率，实现了高质量的细胞荧光成像。研究内容围绕着模板法展开，分别采用电子束光刻制备的硅基模板使用纳米压印技术和采用阳极氧化制备的钛基模板使用薄膜技术制备出了银纳米阵列结构。在电子束光刻模板压印工艺路线中，通过控制磁控溅射技术参数来实现对银阵列结构的调控，改变阵列单元的大小和形貌；在阳极氧化模板自组织路线中，通过控制阳极氧化的参数来实现对银纳米阵列结构的调控，获得了具有增强特性的阵列结构。同时运用时域有限差分法模拟结构中的电场强度分布来分析和验证增强效果的来源以及影响增强效果的决定性因素，通过反馈机制来指导增强基底材料的制备。最终确定了在银纳米阵列中结构单元需要具备有顶部半球柱状形貌，而且结构单元之间的间隙需要控制在十纳米及以下的范围。在具有这种结构的基底材料上才能有效的发生表面等离子体激元共振现象，从而调制在荧光物质周围的光学环境来实现对荧光发射的空间分布控制，获得增强荧光的效果。在细胞成像应用研究中，使用Propidium Iodide荧光素染色的AG1522细胞核荧光成像清晰，几乎无干扰，能够准确判断细胞核的状态，在观察与细胞核相关的病理学研究中具有应用价值；使用P-FITC荧光素染色的 Mc3t3-E1细胞骨架成像荧光强度大，至少是传统荧光技术的15倍，而且荧光稳定性好，在20分钟后仍然有最初强度的20%，适合于细胞动力学相关的研究。随着纳米制备技术的不断进步发展，以及人们对等离子体激元及相关近场作用的不断深入了解，通过材料的结构设计来调制荧光的定向发射，获取高质量的荧光信号无疑为生产用于致病机理探索、生物传感、基因测序、临床医学检测等具有实用价值的器件做好了准备。