可视化分析方法在薄膜基材料荧光传感中的应用学术资讯

来源：中国科学杂志社

随着光学成像技术的不断突破, 荧光可视化已经从简单的肉眼观察逐步向宽场显微、共聚焦显微、超分辨成像等方向发展。然而, 荧光可视化在薄膜基材料中的传感应用依然以肉眼观察以及少量的宽场显微为主要分析手段。同时, 薄膜基材料结构和性质的可视化分析研究也滞后于荧光可视化技术的发展。

基于此, 结合近几年的研究成果, 北京化工大学吕超教授课题组系统评述了荧光共聚焦显微技术在薄膜基材料体相分散状态和表面性质的可视化分析中的应用进展, 并对当前薄膜基荧光传感材料面临的问题和可能的解决方案进行了简要探讨。相关文章近期发表于《中国科学：化学》“薄膜基荧光传感专刊”。

利用可视化技术对材料结构以及化学反应过程进行成像是探究材料性能和化学反应动力学的最直观手段。提升可视化图像的对比度是获取更精细材料结构信息以及更准确动力学过程的重要途径。近年来, 荧光可视化技术因其超高的图像对比度成为可视化领域发展最迅速的技术之一。荧光图像的高对比度来源于荧光团发射的荧光信号和周围暗场背景之间的显著区别, 因此设计并合成更高发光效率的荧光团以及开发合理的可视化体系是提升荧光可视化技术成像分辨率和检测灵敏度的关键。化学家在近数十年间开发了不同类别的荧光团, 如有机小分子、量子点、荧光蛋白以及纳米颗粒, 使荧光可视化技术的应用范围大幅拓宽。多种可视化体系的构筑则进一步丰富了荧光可视化技术在化学、生物以及材料领域的应用。

最传统的可视化方法是借助紫外光激发荧光团, 通过肉眼观察荧光信号的产生或者淬灭, 实现对外部刺激的可视化传感。由于观察者的肉眼无法感知紫外光, 因此激发光源的辐射背景在肉眼中显示为黑色暗场, 与荧光信号形成鲜明的对比。但是对于不同种的荧光团, 最佳激发波长差异巨大, 可从紫外光区域达到近红外区域, 因此设计合理的光路用于分离入射激发光和发射光是拓宽荧光可视化技术应用领域的关键。随着仪器制造的发展, 荧光显微可视化技术应运而生, 该技术实现了光路的优化并解决了分光问题, 同时兼备显微成像功能, 使得观察材料微观结构中的荧光信号成为了一大研究热点。早期的荧光显微技术借助宽场荧光显微镜可获得微米尺度的荧光可视化信息, 但是无法排除非焦面荧光信号的干扰, 所以图像的对比度往往较低。科研人员通过向光路中引入针孔结构, 完美地解决这一成像难题, 并基于此原理制造出了共聚焦激光扫描显微镜(CLSM), 由该设备获取的荧光图像的分辨率可大幅提升至数百纳米。使用步进马达控制CLSM的扫描高度可获取垂直方向上的荧光图像序列, 通过三维重构能够实现结构的三维可视化。这一功能使研究人员能够更加深刻地分析材料的结构信息, 将荧光可视化的应用前景推向新的高度。接着, 超分辨共聚焦显微镜的问世将荧光可视化技术的分辨率进一步提升至数十纳米, 达到了与电子显微镜分辨率相当的水平。荧光传感薄膜具有可调节的形状和尺寸、易于器件化、良好的稳定性和便携性、非侵入性、可用于气体传感和可重复使用等优点, 因而在物理刺激响应、化学与生物传感等领域有着广泛的应用前景。通过与可视化技术的结合, 人们能够在荧光传感薄膜上直观便捷地鉴别出待测物并进行定量分析。最常见的可视化成像系统包括三个部分: 电荷耦合器件(CCD)相机作为检测装置、发光二极管(LED)阵列作为激发光源以及一组适当的滤光器用来滤掉复合光中的干扰光。与荧光光谱分析时采集单点数据不同, 使用CCD相机能够获取整个传感区域的荧光图像和强度数据。但是, 图像中的荧光强度数据通常具有几个固有缺点, 如背景荧光和光散射造成的干扰信号以及荧光探针在传感膜中的非均匀分布和光漂白导致的虚假信号。为了获得可信赖的准确结果, 一般可以加入惰性染料作为参比, 通过比较待测物探针和惰性染料的发光强度进行校准。此外, 利用数码相机中红/绿/蓝三个颜色通道, 也可以构建一个简单便捷的基于这三种不同波长的比率荧光可视化成像系统。相较而言, 发光寿命成像的数据则无需校准, 但是该方法多用于磷光探针并且对成像设备要求较高。相关的研究进展可以参阅Wolfbeis等撰写的综述。根据上述讨论, 虽然荧光可视化技术已经发展到共聚焦显微和超分辨成像, 但是视觉观察依然是薄膜基材料传感应用的主要可视化手段, 相应的薄膜基荧光可视化传感器件也是基于此构筑的。北京化工大学吕超教授课题组曾于2015年较为系统地总结过荧光传感薄膜的主要制备方法及其在化学、生物传感中的应用进展。经过近几年的深入研究, 他们认为可视化分析在薄膜基材料荧光传感中的应用(图1), 除了将可视化技术与薄膜基荧光材料结合进行传感分析, 也应该将先进的可视化技术用于薄膜基材料结构和性质的分析研究。因此, 为了促进荧光可视化技术在薄膜基材料荧光传感中的应用, 在这篇评述中着重介绍了薄膜基材料结构和性质的荧光可视化分析原理和最新进展, 并简要讨论了薄膜基荧光可视化传感器件的开发。

图1 荧光可视化在薄膜基材料中应用示意图可视化分析方法在薄膜基材料荧光传感中的应用可以包括两方面: 一方面是应用可视化技术对薄膜基材料的结构和性质进行分析研究, 另一方面则是利用薄膜基荧光材料作为传感器进行可视化传感应用。在此基础上, 该文着重评述了近年使用共聚焦显微可视化技术对薄膜基材料体相和表面性质的分析研究。与传统的电子显微镜可视化表征相比, 荧光可视化方法具有较低的操作门槛, 容易对薄膜基材料实现快速、原位、动态及三维可视化分析。同时, 超分辨成像技术的逐步成熟, 弥补了荧光可视化在分辨率上的不足。由此可见, 尽管薄膜基材料的荧光可视化分析研究还处于起步阶段, 但其应用前景非常广阔。相较而言, 经过数十年的快速发展, 薄膜基荧光材料作为可视化传感器的应用已经非常成熟。然而, 这些传感应用大多停留在实验室研究, 较少能应用到实际场景。一方面可能是因为实际应用时的干扰因素较多, 发光成像需要进行多重传感而不是单一传感; 另一方面也可能是由于当前便携式器件化的开发进展缓慢, 从而限制了薄膜基荧光材料的应用场景。针对这些问题, 可以通过构建可视化传感阵列来解决多重干扰, 注重学科交叉或者应用三维打印技术来简化器件制作难度, 并将更先进的荧光可视化技术引入传感分析, 拓展薄膜基荧光传感器可视化分析的应用范围。

来源：scichina1950 中国科学杂志社

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