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科研動態

空天院高光譜SPR顯微成像技術研究成果發表于《自然·通訊》期刊

發布時間:2022-11-08

  近日,中科院空天信息創新研究院(空天院)傳感技術國家重點實驗室在表面等離子體共振(SPR)生化傳感技術方面取得重要進展,研制出高光譜SPR顯微成像檢測裝置,實現了對生化樣品和納米薄膜材料的單色成像、光譜成像、單像素SPR傳感以及二維量化分析等多種功能的融合,極大發揮了SPR傳感技術的優勢。以上相關成果以“Flexible Hyperspectral Surface Plasmon Resonance Microscopy” 為題,于10月29日發表在Nature Communications(《自然·通訊》),空天院博士生劉紫威為第一作者,研究員祁志美為通訊作者。

  SPR成像傳感器是目前國際上主流的原位非標記光學生化分析儀器,具有抗干擾、高靈敏、高通量、響應快等優點。SPR成像傳感器可分為棱鏡耦合型和物鏡耦合型兩類,前者視場大,但空間分辨率低;后者空間分辨率高,但視場小。此外,兩者輸出的圖像都以灰度圖像為主,不僅探測動態范圍窄,而且不利于通過仿真擬合進行厚度、折射率、孔隙率等參數的量化分析。

  為了解決這些難題,研究人員提出了一種高光譜SPR顯微成像傳感方法,構建了基于棱鏡耦合的高光譜SPR顯微鏡系統,簡稱為HSPRM。研究人員首先將高光譜成像儀與單筒顯微鏡組裝成為高光譜顯微鏡,然后用它對棱鏡耦合型SPR成像傳感器輸出的大視場光譜圖像進行選區分析,獲得關于待測樣品微觀區域的SPR高光譜圖像。組成該圖像的原始數據是一個x-y平面代表空間信息、z軸代表光譜信息的數據立方體。研究人員開發了針對該數據立方體的處理方法和軟件,從處理后的數據立方體中可提取出在可見-近紅外光譜區間任一波長的高分辨灰度圖像和任一像素的高分辨共振光譜,進而利用各個像素對應的共振波長建立樣品被觀測區域的共振波長圖像。為了實現量化分析,研究人員還提出了基于菲涅耳公式和布拉格曼等效介質近似方程相結合的實驗數據擬合算法,通過對測得的共振波長進行仿真擬合,就可得到樣品被觀測區域的厚度、折射率、孔隙率等參數的二維分布。研究人員對HSPRM的入射角進行了逐像素校準,消除了SPR靈敏度的像素間差異性,在此基礎上使用HSPRM分析了附著于SPR芯片表面的單層石墨烯厚度分布、蛋白質的不均勻吸附以及粘附單細胞的折射率分布及細胞壁厚度分布。

  研究結果表明,HSPRM系統的工作波長范圍為400 nm ~1000 nm,可選視場范圍為0.884 mm2 ~ 0.003 mm2,最高橫向分辨率為1.2 μm,光譜相鄰數據點的波長間隔為0.41nm。HSPRM具有不同于以往任何一款SPR成像傳感器的工作模式和獨特性能,它兼顧了大視場和高空間分辨率,允許像普通顯微鏡一樣靈活切換不同倍數的物鏡對棱鏡耦合型SPR傳感器產生的樣品圖像進行選區觀察和精細分析;HSRPRM光譜范圍寬、光譜分辨率高,允許采用各種SPR和PWR(等離子體波導共振)傳感芯片進行多功能檢測。HSPRM的每一個像素就是一個獨立的高分辨光譜SPR微傳感器,具有對單細胞甚至細胞器進行量化分析的潛力。正如Nature Communications邀請的同行評審專家所說:“本文帶來了SPR成像的創新,擴展了SPR成像的應用 (This manuscript brings SPR imaging innovation and expand SPR imaging applications.)”,HSPRM系統在材料科學、表界面科學、生物化學、細胞生物學等領域顯示出良好應用前景。

  該研究成果得到國家自然科學基金(創新研究群體項目、重點項目、面上項目)、中科院科研儀器設備研制項目等資助。

  論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-022-34196-7
HSPRM系統及其典型應用示例

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