激光诱发荧光漂白测速仪荧光染料发射光谱和光漂白时间常数的研究

发布时间：2020-10-10 05:37

　　开发具有理想功能和性能的高效微纳流控芯片是世界各国研究人员的梦想。然而,功能性微流体器件的发展需要对所涉及的流体动力学有深入的了解。当流体的尺寸减小到纳米尺度时,许多新的流动现象已经被观察到,并没有得到解决。为了揭示微/纳米流体力学中的难题,发现新的现象,对微/纳米流体学的流动动力学进行全面的理解,需要适当的流速诊断技术。本文以Coumarin 102为荧光染料基于共聚焦显微系统,研究了Coumarin 102荧光激发光谱、发射光谱、光漂白时间常数等因素对LIFPA测量的影响。我们发现,在无光漂白的激发光谱测量中,激发光谱的峰值位置随着染料浓度的增大向长波方向移动,即“红移”;在有光漂白的情况下,Coumarin 102溶液的发射光谱向短波方向移动,即“蓝移”,并且蓝移程度随着染料浓度增大,我们尝试用光化学反应解释漂白现象的机理。同时,在发射光谱的不同波段也观察到不同的光漂白时间常数,这是除了荧光染料浓度,激光功率等影响因素外新发现的能对光漂白时间常数产生影响的参数。并且测量的所有的光漂白时间常数都在3μs以下,几乎比之前研究发现的光漂白时间常数的要小一个数量级。在所有光谱带中,研究给出470-492nm的光谱带能提供较高的荧光强度和更好的速度测量精度,适合用于对于研究具有较小速度波动和相对较低频率的流动,430和460nm波段则可以提供更高的时间分辨率,适用于研究研究高频快速瞬变过程。最后,通过对LIFPA装置的改进,将传统共聚焦显微镜的荧光信号接收光路中的单根光纤或者小孔替换成光纤丛,从而在端面进行空间滤波的同时,对荧光光斑的强度分布进行同时测量,进一步根据荧光强度沿流动方向减小的分布规律,实现对垂直于光轴的平面上的流动大小和方向的同时测量,亦即实现二维流动速度矢量的测量。
【学位单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O657.3;TQ617.3
【部分图文】：

测速原理

西北大学硕士学位论文4）表示一个给定的系统（包括给定的染料、缓冲液和激光光束特性）中，随增而增加。如果荧光强度已知，使用方程（4）就可以计算出流动速度。激光束宽越小，模型就更精确。实际上，光漂白时间常数作为一个系统参数，依赖于探测的激光强度、激光束宽度、特定染料和缓冲液、染料浓度和缓冲液浓度。因为这些数和光漂白时间常数从理论上很难建立关系，光漂白时间常数需要通过实验确定。如，使用几个已知的流速值及其对应的值，我们可以通过方程（4）计算确定光白时间常数的值。另一个方法是直接校准和之间的关系，校准曲线可以使用多式拟合，通过校准关系，任何都可以通过测量来计算，这是我们实验中通常使校准曲线的方法。LIFPA 的测量原理示意图如图 1 所示。

示意图,实验装置,示意图,光束

西北大学硕士学位论文光斑，采用空间滤光器（SLF）（SFB-16DM，OptoSigma）和并在 AQS 后对光束进行扩展。最后用透镜收集光束，从而得径为 4 mm 的扩展光束对准物镜并填充其光圈。二向色镜反射波长为 420-520 nm 的光束。共聚焦显微镜采用 OlympunApo100XNA1.4oilimmersion）。荧光染料发出的荧光由物滤波片，然后经过透镜聚焦到多模光纤中(25μmdiameter,400光子计数器（ -SPAD，PicoQuant）收集荧光信号。共聚焦显约为 200nm。为了精确控制检测位置，采用了 1 nm 定位分辨性平移台（NC，P-562.3CD，PIMARS），对于较大的移动距位分辨率的 2 轴平移台（TS、M-521.DG、PI）。

共聚焦显微镜,神经纤维,图像

3. （a）LIFPA 中使用的共聚焦显微镜扫描的神经纤维图像。（b）用（a）中的蓝线标记的上的图像轮廓。由于没有采用光纤而采用的镜片组搭建的光路，因为振动和温度等的影响，激束在每次实验前都要进行校准调试，通过调整透镜的俯仰来调整光斑的上下左右置，近处以小孔为准，小孔从完全打开到关闭的过程中，应该与圆形光斑的各个向均匀相切至消失，远处以标定的标靶为准，将光斑位置调整至标靶中心，以确激光束平行出射，还要调整单光子计数器前光纤入口处的光斑位置，使得接收器收到最大的荧光信号，通过机械平台在 x,y,z 三个方向上调整使得光纤进口处光斑全进入。4.2 信号采集系统由于光路的搭建是以 STED 系统为基础，紫光是激发光，绿光消激发光，这里测时序图是以两个声光开关控制的两束光的时序进行说明，荧光信号的检测是通过同两束激光的 AQS 和光子计数器的捕获来控制的，测量的时间顺序如图 4 所示。在

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