一种光学无损探测单纳米颗粒表界面转化的方法
阅读说明：本技术 一种光学无损探测单纳米颗粒表界面转化的方法 (Method for optical nondestructive detection of surface interface conversion of single nano particle ) 是由 刘贤伟 吴刚 钱晨 于 2021-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种光学无损探测单纳米颗粒表界面转化的方法。该方法利用单纳米颗粒表界面转化光学成像系统对单个纳米颗粒的表界面转化过程进行无标记识别,通过计算目标颗粒的本征参数ψ——这一特征量的变化,分析颗粒的表界面转化过程,克服目前现有分析方法难以对纳米颗粒的表界面转化过程进行原位实时精准分析与识别的难题,该方法具有非侵入性、高通量、抗干扰、研究对象宽泛等优点,可用于单粒子水平下的纳米颗粒表界面转化及构效关系等研究,拓展了纳米科学成像分析的应用。(The invention relates to a method for optical nondestructive detection of surface-to-interface conversion of single nano-particles. The method utilizes a single-nanoparticle surface-interface conversion optical imaging system to perform label-free identification on the surface-interface conversion process of a single nanoparticle, analyzes the surface-interface conversion process of the particle by calculating the intrinsic parameter psi of the target particle, namely the change of the characteristic quantity, and overcomes the difficulty that the conventional analysis method is difficult to perform in-situ real-time accurate analysis and identification on the surface-interface conversion process of the nanoparticle.)
技术领域
本发明涉及一种光学无损探测单纳米颗粒表界面转化的方法，属于单纳米颗粒成像与分析技术领域。
背景技术
纳米材料的发展在纳米科技的进步中发挥重要作用，其中纳米颗粒由于其尺寸可控，性能优异等特点，在催化、传感、生物医学领域扮演着越来越重要的角色。近年来，由于生化分析领域的不断发展，对生物分子的检测速度、灵敏要求不断提高。纳米颗粒作为一种被广泛深入研究的纳米材料，更是在医学和生物工程中得到广泛应用。
表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域，在单颗粒尺度上，认识纳米颗粒的表界面过程，对于揭示纳米颗粒的异质性规律，理解纳米颗粒的构效关系，进而发展高效的纳米催化剂、吸附剂和示踪剂，具有重要的意义。但是认识纳米颗粒的表界面转化过程，在工具与方法上存在诸多挑战：1)纳米颗粒尺寸小，检测难度大；2)已有的电化学分析方法不具备空间分辨率，难以实现对纳米颗粒的高通量分析；而电子显微成像(如SEM，TEM等)只能对干燥条件下的纳米颗粒进行表征，无法原位应用于溶液条件下的颗粒分析；3)无标记识别颗粒也是该领域目前面临的挑战之一，如暗场成像技术虽具有免标记的优点，但无法特异性识别颗粒，且对成像颗粒的种类有特定限制，单分子荧光成像技术尽管可以满足特异性识别颗粒的需求，但需使用特定荧光分子进行标记。因此，现有方法难以对纳米颗粒的表界面转化过程进行原位实时精准分析与识别。
因此，亟需研发一种简单、高效、精准、可特异性识别单纳米颗粒表界面转化的方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种光学无损探测单纳米颗粒表界面转化的方法。
本发明的方法具有非侵入性、高通量、抗干扰、研究对象宽泛等优点，可对单纳米颗粒进行无标记特异性识别，可实现对单纳米颗粒表界面转化过程中的成分变化进行分析的功能。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种光学无损探测单纳米颗粒表界面转化的方法，该方法采用光学成像系统进行，包括步骤如下：
(1)搭建单纳米颗粒表界面转化光学成像系统，该系统包括：
单色光源，用于将固定波长的单色光引入表面等离激元成像中并调节所述激光的光强以满足成像需求；
单纳米颗粒激发组件，包括用于光学信号放大成像的光学显微放大物镜、用于与高数值孔径油镜的折射率相匹配的镜油、用于吸收激发光从而产生表面等离激元共振现象的金膜玻片和用于盛放溶液的样品池；光学显微放大物镜与镜油配合用于将激光入射以激发金膜玻片表面的等离激元共振来获得单个纳米颗粒的散射光和反射光；
反应条件控制模块，包括电化学控制单元或目标条件控制单元，所述电化学控制单元包括电化学工作站和电极体系，反应条件控制模块与样品池配合以控制样品池的条件；
图像采集及分析模块，包括反射镜、用于获取反射镜发射光成像的相机采集系统以及软件处理模块；
(2)调节入射光入射角到50°-80°，使之能激发金膜玻片产生等离激元，根据目标条件更改样品池溶液，在电化学控制单元中设置相应的电化学参数；
(3)采集纳米颗粒在不同条件下的表界面转化过程中的时间图像序列；
(4)使用算法程序公式1对图像序列进行特征相位参数ψ计算；
ψ＝argminψ∈[0,2π)(∑r(Im(r)-I(r,ψ))2) 公式1
Im是测量的图像强度，I为理论图像强度，r为该点在图像上的位置，通过迭代计算优化得到反映颗粒折射率信息的相位参数ψ；
(5)根据步骤(4)理论模拟得到的特征相位参数ψ与物质成分含量的关系，得到单个颗粒表界面转化过程中的成分变化信息。
根据本发明优选的，步骤(1)中，搭建单纳米颗粒表界面转化光学成像系统时，入射光通过透明金膜玻片以50°-80°的入射角激发产生等离子共振激元，相机采集系统直接采集图像记录位于金膜玻片上的颗粒转化过程。
根据本发明优选的，步骤(1)中，搭建单纳米颗粒表界面转化光学成像系统时，镜油位于光学显微放大物镜和金膜玻片之间，光学显微放大物镜的数值孔径大于等于1.0，镜油的折射率大于等于1.33。
根据本发明优选的，步骤(1)中，搭建单纳米颗粒表界面转化光学成像系统时，所述软件处理模块包括：控制电化学工作站电化学参数的程序软件，控制激发光入射角度的程序软件，接收相机图像信号的程序软件以及对所采集的颗粒图像进行相位参数ψ计算的软件。
上述程序软件均为现有技术。
根据本发明优选的，步骤(3)中，所述采集颗粒在转化过程中的时间序列图像包括：
(31)在反应池中加入溶液，通过反应条件控制模块给目标纳米颗粒施加控制条件；
(32)在反应池中加入分散好的所述纳米颗粒，使之撞击到所述金属薄膜上，由所述相机采集目标界面的时间图像序列。
附图说明
图1是本发明光学无损探测单纳米颗粒表界面转化的方法涉及的装置结构示意图；
图中，1、激光光源，2、物镜，3、镜油，4、金膜玻璃片，5、样品池，6、电极体系，7、电化学工作站，8、软件处理模块，9、相机采集系统，10、反射镜。
图2为合成的Ag纳米颗粒、AgCl纳米颗粒的实验和模拟图，a为合成的Ag纳米颗粒的实验和模拟图；b为合成的AgCl纳米颗粒的实验和模拟图；c是a和b中黄色虚线的强度分布图；
图3为Au纳米颗粒电化学循环伏安扫描过程图及扫描过程电压图；a是Au纳米颗粒电化学循环伏安扫描过程图；b是Au纳米颗粒电化学循环伏安扫描过程电压图，ψ值和强度随时间变化图；
图4是施加氧化电位后Ag纳米颗粒表界面转化效果图，a是施加氧化电位后Ag纳米颗粒表界面转化过程示意图和实验图；b是施加氧化电位后Ag纳米颗粒表界面转化过程ψ值随时间变化图；c是模拟计算的Ag纳米颗粒转化过程中ψ值随成分变化图；
图5施加氧化电位后AgCl纳米颗粒表界面转化效果图，a是施加还原电位后AgCl纳米颗粒表界面转化过程示意图和实验图；b是施加还原电位后AgCl纳米颗粒表界面转化过程ψ值随时间变化图；c是模拟计算的AgCl纳米颗粒转化过程中ψ值随成分变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。实施例中涉及的产品，若无特殊说明，均为普通市售产品。
实施例1
搭建单纳米颗粒表界面转化光学成像系统，该系统结构如图1所示，包括：
激光光源1，物镜2，镜油3，金膜玻璃片4，样品池5，反应条件控制模块包括电极体系6和电化学工作站7，软件处理模块8，相机采集系统9，反射镜10。
激光光源1用于将固定波长的单色光引入表面等离激元成像中并调节所述激光的光强以满足成像需求，选择630nm以上的激光作为激发光源；
物镜2用于光学信号放大成像，镜油3位于光学显微放大物镜和金膜玻片之间，光学显微放大物镜的数值孔径大于等于1.0，镜油的折射率大于等于1.33。
镀有金属薄膜的金膜玻璃片4用于吸收激发光从而产生表面等离激元共振现象，样品池5用于盛放溶液；光学显微放大物镜与镜油配合用于将激光入射以激发金膜玻片表面的等离激元共振来获得单个纳米颗粒的散射光和反射光；
反应条件控制模块与样品池配合以控制样品池的条件；相机采集系统9用于获取反射镜发射光成像。
软件处理模块包括：控制电化学工作站电化学参数的程序软件，控制激发光入射角度的程序软件，接收相机图像信号的程序软件以及对所采集的颗粒图像进行相位参数ψ计算的软件。
激光通过物镜2以特定角度激发玻璃片4上的金属薄膜产生表面等离子体激元，与界面上的目标纳米颗粒作用产生散射光，经反射镜10改变方向后被相机采集系统收集。
激光进入物镜之前，先在镀有金属薄膜的玻璃片上构建反应池5。在本实例中选择PDMS材质的池子压在玻片上作为样品池，加入一定浓度的电解质溶液。连接电极体系6和电化学工作站7。
进行实验时，打开激光光源1，通过软件控制模块8设置反应条件参数，将纳米颗粒加入反应池5中，利用相机采集系统9收集目标颗粒时间序列图像，通过软件控制模块8分析时间序列图像，得到单颗粒的特征相位参数ψ随时间变化图。
实施例2
一种光学无损探测单纳米颗粒表界面转化的方法，以Ag和AgCl纳米颗粒为例，采用实施例1搭建的系统进行，探测方法包括步骤：
(1)合成目标Ag和AgCl纳米颗粒；
(2)搭建单颗粒光学成像装置；
将含有目标颗粒的溶液加入反应池中，采集时间序列图像，利用软件处理模块解析得到纳米颗粒的特征相位参数ψ随时间变化图，从而对单纳米颗粒表界面转化过程进行分析。
结果分析：
合成的Ag纳米颗粒的实验和模拟图见图2a所示，Ag纳米颗粒直径为80nm，通过成像实验图和理论模拟图可以看出，实验和模拟结果一致。实验图像通过计算得到特征参数ψ为2.40，与纯Ag纳米颗粒的理论数值一致，表明颗粒成分未发生改变；
合成的AgCl纳米颗粒的实验和模拟图见图2b所示，AgCl纳米颗粒直径为80nm，过成像实验图和理论模拟图可以看出，实验和模拟结果一致。经计算得到该图像的ψ值为0.62，与纯AgCl纳米颗粒的理论数值一致，表明颗粒成分未发生改变。
图2c为所述两个颗粒实验图中黄色虚线处的强度分布，结果表明两种颗粒的条纹宽度存在明显差异，提取的特征参数ψ可以无标记识别不同种类的颗粒。
实验例1
为了测试本发明的方法可以有效抗背景电流信号干扰的免标记光学成像，以Au纳米颗粒为例进行验证，具体测定步骤包括:
(1)合成目标Au纳米颗粒；
(2)搭建装置；
在电化学池中加入一定浓度的KCl溶液，将含目标Au颗粒的溶液滴加到样品池，通过软件处理模块8设置电化学参数，采集时间序列图像，利用软件处理模块8得到Au颗粒的特征相位参数ψ的数值，同时在图像序列上直接读取颗粒强度值。
结果分析：
测试结果见图3所示，图3a，Au纳米颗粒在该电势区间(+0.2V，-0.2V)时不发生任何成分转化，因此颗粒的条纹形状不会改变。背景由于金属薄膜的充放电影响其强度产生了明显的波动。图3b，在循环伏安扫描过程中，本发明得到的Au颗粒的ψ值保持稳定，表明颗粒成分没有改变。而采用传统成像分析方法中读取强度的方式得到Au颗粒的强度信号由于受到背景电流的干扰，呈现与电势相关的数值变化趋势，无法有效反映纳米颗粒的真实状态。结果表明，本发明涉及的方法具有良好的抗背景电流噪声干扰的能力。
实施例3
一种光学无损探测单纳米颗粒表界面转化的方法，以Ag纳米颗粒为例进行详细描述，采用实施例1搭建的系统进行，探测方法包括步骤：
(1)合成Ag纳米颗粒；
(2)搭建装置；
(3)在反应池中加入20mM KCl溶液，通过软件控制模块(8)设置电化学参数，将含目标Ag颗粒的溶液加入反应池，采集时间序列图像，利用软件处理模块(8)得到纳米颗粒的特征相位参数ψ的时间序列。
根据模拟结果分析所述颗粒的表界面转化过程。
结果分析：
测试结果见图4，图4中，图4a为代表的直径为80nm的单个Ag纳米颗粒发生电化学氧化过程中的示意图和实验采集图，颗粒图像条纹发生明显变化，表明该过程中颗粒被氧化。图4b为本发明实验过程中所述Ag颗粒ψ值随时间变化图，ψ值从2.5下降到0.9左右，表明由于AgCl的生成，颗粒正经历从纯金属到介电颗粒的转化。图c为ψ值与颗粒Ag成分含量的模拟计算结果，根据该结果可得出该Ag颗粒最终约有30％的成分被电化学氧化。结果表明，本发明涉及的方法可追踪单纳米颗粒表界面转化过程。
实施例4
一种光学无损探测单纳米颗粒表界面转化的方法，以AgCl纳米颗粒为例进行详细描述，采用实施例1搭建的系统进行，探测方法包括步骤：
(1)合成AgCl纳米颗粒；
(2)搭建装置；
(3)在电化学池中加入20mM KCl溶液，通过软件控制模块(8)设置电化学参数，将含目标AgCl颗粒的溶液滴加到反应池，采集时间序列图像，利用软件处理模块(8)得到颗粒ψ值的时间序列。
根据模拟计算结果分析目标颗粒表界面转化过程。
结果分析：
测试结果见图5，图5中，图5a为代表的直径为80nm的单个AgCl纳米颗粒发生电化学还原过程中的示意图和采集的实验图，颗粒成像条纹出现明暗变化，表明颗粒成分生了改变。图5b为本发明从实验图像中提取的参数ψ值随时间变化图，ψ值从0.5最终上升到2.3，变化趋势先上升后单调下降，与图5c模拟计算的结果一致，表明转化过程是从AgCl颗粒表面开始。结果表明，本发明涉及的方法可识别单个介电纳米颗粒表界面转化过程。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。本发明的范围并不限于上述实施例，合适地组合或替换各实施例的结构也包含在本发明的范围中。