文摘

荧光标记的成像技术在细胞生物学研究。在统计调查涉及大量的细胞,实验研究需要低放大获得可靠的统计人口和高对比度达到准确诊断细胞的扰动的性质。低放大倍数的显微镜目标一般产量低的收集效率,这样的研究是有限的荧光信号的弱点。为了克服这个技术不足,Le Moal等人提出了一个基于覆盖金属基板的方法,提高了荧光过程和荧光显微镜观察和收集效率提高,可以直接使用一个共同的显微镜设置。在本文中,我们使用一个Ag-Si₃N₄ag)多层薄膜涂层衬底和数值分析的荧光团的光学行为放置在基体上合成薄膜涂层。结果表明,通过使用一个Ag-Si₃N₄ag复合的薄膜荧光成像技术可以明显增强。

1。介绍

许多生物研究和应用程序涉及到生物分子检测的荧光。荧光标记的使用是最广泛的标签技术特别是细胞成像。一个大范围的荧光团与独特的光谱特性是可用的,提供多种可能性多色的生物标记。使用一套多色的功能化染料(生物标记物)和适当的光学过滤器,可以选择性的图像部分细胞或跟踪几个活跃的细胞内生物分子。然而,这些荧光分子的消光系数与荧光纳米粒子相比相对较弱。因此,检测低浓度的荧光团的荧光信号是有限的弱点。分子荧光团的另一个缺点是其较低的耐光性。当一个组装的荧光团不断兴奋,他们的光明所发出的光会逐渐消退的破坏。信号强度可以很难标准化。

信号弱和photoreactivity已经在一定程度上克服由于最近进展的使用半导体纳米晶体,通常称为量子点在生物学。然而,他们引入新的问题,如闪烁的发射信号和低生物相容性,限制了体内应用的范围。

尽管荧光纳米颗粒提出的兴趣越来越浓厚,使用荧光分子标记的生物医学应用程序仍有相关性和吸引力。除了开发新的荧光标记,兴趣重燃标准分子荧光团一直出于对荧光增强创新的光学技术的发展。

近年来,金属表面发挥独特的作用在许多生物分子自组装等技术和自组织的蛋白质和脂类1- - - - - -3]。一层薄薄的金属薄膜表面能产生plasmon-coupled发射(SPCE)。表面plasmon-coupled排放提出了方法是一种高效、高灵敏度的荧光检测方法由Lakowicz et al。4,5]。他们通过成像显示,镀银玻璃衬底,附近的荧光团的荧光发射高度定向,这增加了近50%的收集效率以及导致低背景噪音。SPCE发现大量的应用在生物技术和生物等领域测量(6,7]。

在这项工作中,我们考虑放置超过一个Ag-Si荧光团₃N₄ag)多层膜表面和描述荧光增强的物理机制。荧光团的光学行为是通过实现一个简单的电偶极子模型模拟。

2。理论

如图1,我们假设在物镜和充油盖玻片覆盖玻璃的折射率相同;一个金属电介质多层胶片涂布封面玻璃。荧光分子位于物镜焦点附近的距离从金属与介电质间的多层膜的表面。为了有效地激发荧光,在这篇文章中,我们考虑一个径向偏振光束入射在物镜。

2.1。偶极子激发的对象空间

使用方法提出的托罗et al。8,9),激发场在对象空间只是给出的 在哪里是物镜的聚焦角度。显然,偶极是兴奋不已极化入射平面波,电场分量的方向极角为零。

2.2。在图像空间电场

用矢量衍射理论和理查兹提出的一些方法et al。10- - - - - -14),我们可以获得电场的表达式在图像空间。它仅仅是由 在哪里 在哪里第一类贝塞尔函数的订单,波前像差函数,是下标吗,,表示变量数量位于目标空间,成像空间,物镜之间的空间和盖玻片,分别。

2.3。强度在图像空间

在图像空间中发现的强度 在归一化因子由偶极子发出的总功率在金属界面的存在15,16]。的偶极子垂直地面向金属界面,,强度是旋转对称。

考虑以下:

另一方面,一个偶极子的形象沿着一个方向平行于金属界面方向不是旋转对称;也就是说,它有依赖。

3所示。数值结果

我们假设金属薄膜的厚度和介电薄膜和,分别。接口之间的距离和几何物镜的焦点,然后呢,nm。在本文中,我们假定金属材料是银(Ag),具有不同的激发光和发射光折射指数。我们的数值结果表明,较大的介电薄膜的折射率之间的金属薄膜,越有利于加强双向传输的光。为此,我们采取高折射率材料的非晶硅(Si₃N₄)。首先,我们做个比较聚焦光斑的强度最大的两种情况:一是使用Ag-Si₃N₄ag)多层胶片涂布封面上玻璃,另一个是使用单层金属薄膜。如图2,我们可以看到,在第一种情况下使用Ag-Si₃N₄ag)多层膜,当nm,聚焦光斑的强度得到最大价值,。在使用单一金属薄膜的情况下,当海里,nm,聚焦光斑的强度得到最大价值,。这里的负面意味着正确的Ag-Si表面₃N₄ag)多层胶片应该在右侧几何物镜的焦点,如图1。很明显,现货中心的强度可以增强使用Ag-Si 251倍₃N₄ag)多层涂膜比单层金属薄膜在封面上玻璃。

如图所示3规范化成像相比,我们由偶极子的辐射强度方向在焦平面的情况下使用两个不同的电影:一个Ag-Si₃N₄ag)多层膜和单层金属薄膜。偶极子的取向角。最大强度归一化到成像强度使用单层金属薄膜。图中显示,使用Ag-Si₃N₄ag)多层胶片涂布封面上玻璃,成像可以增强荧光强度比使用单层金属薄膜数千倍。这可能克服的缺点分子荧光团软弱和photoreactivity等信号。

然后我们研究之间的关联成像光斑和一个偶极子的取向。发射光的强度分布与不同偶极子取向角的焦平面成像空间如图4。在这些数据中,我们代表组件的强度分布,,和总强度不同方向的角度。比较这些图表的强度分布,尽管成像强度分布与不同方向的偶极子有一个看起来相同,强度和光斑的大小是不同的。

最后,我们研究的总光强的光强度成像光斑中心和半宽度与偶极子的极角。如图所示5偶极子方位角的增加(电偶极矩通过平行光轴垂直轴),光斑的强度逐渐增加。当偶极矩光轴平行,成像光斑的大小比较大。当偶极矩垂直于光轴,成像光斑的大小更小。如果一个偏振器放置在探测器前,成像的或极化组件可以获得。

强度模式的和极化组件或位置与方位变化。这些结果表明,使用金属电介质多层膜,一个偶极子可以被检测出来。这可以用于许多光学设备。

4所示。结论

在本文中,我们假定荧光团上面放置一个Ag-Si₃N₄ag)多层膜表面,我们已经描述了荧光增强的物理机制。荧光团的光学行为是通过实现一个简单的电偶极子模型和比较模拟结果与单层金属薄膜。结果表明,通过使用一个金属电介质多层膜,现货中心的强度可以增强251倍比使用单层金属薄膜。因此,荧光成像技术的强度可以增加了成千上万次。偶极子方位角的增加(电偶极矩通过平行光轴垂直轴),光斑的强度逐渐增加。这可能克服的缺点等传统荧光成像强度低和难以检测。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项工作是支持的科研补助金从日本促进社会科学(批准号23560404)。