荧光传感器促进生物和显示技术发展

当前，生物医学研究人员掌握了较多的研究工具用以研究细胞内部活性，了解细胞内部过程。带来了更好的疾病检测、诊断和治疗效果。

生物医学科学家们致力于研发化学标志物或传感器用以指示细胞活性和细胞功能的变化情况。Lars-Olof Pålsson 博士就是其中的一员。

Pålsson 博士是杜伦大学化学系副教授，从事光谱学生物环境感知的研究。他在荧光光谱学也有所涉猎。

“我们目前借助发光成像技术，通过发射探针研究生物活性材料，”他说。“采用显微时间分辨荧光监测有机荧光探针和有机金属络合物的激发态衰变情况。”

他还使用门控和传统的光子计数法进行有机荧光研究。

此外，他还能通过显微镜检测研究单细胞。他可以在 100 个以上数量级的极宽动态范围内研究许多不同类发射探针的激发态衰变情况。

例如，我们进行的部分研究就与金属传感有关。某些过渡金属是酶促反应的关键，但在细胞中的浓度范围极窄。此外，过渡金属的类别也很重要，因为有些金属在哺乳动物细胞中可能致癌，但在植物细胞中对生物功能起到重要作用。

“当达到饱和水平时，我们能够利用荧光金属传感络合物的自荧光衰减进行跟踪。通过一般的共聚焦荧光显微镜实验很难获得上述信息，因为强度变化可能受到其他影响。而时间分辨荧光是与浓度无关的测量技术。”

又比如利用镧系元素络合物进行感测成像研究。

“实际上我们可以提供部分来自杜伦大学的示例，部分研究已经用于临床前医学筛查，”他说。“例如，由我的同事 David Parker FRS 教授主导的镧系元素络合物用于筛查前列腺癌的研究，已经进入了临床环境状态。”

在前列腺癌早期，膀胱内体液的酸性发生变化。取尿样，然后混入一定的镧系元素络合物，再检查镧系元素的发射谱，这样大体上可以检查出体液的酸性变化。研究人员已经开发出了一套小型标准设备，可用于医生的医务工作中。与目前更普遍使用的前列腺特异性抗原检测相比，临床前筛查相对简单。前列腺特异性抗原（PSA）检测可测量血液中的 PSA 水平。PSA 是一种由前列腺生成的物质。患有前列腺癌的男性，其血液中的 PSA 水平可能更高。[i]

Pålsson 说 PSA 检测会有假阳性结果。从开始检测到从外部实验室取回结果需要几天时间，因此存在时间延迟的情况。当然，假阳性结果会造成焦虑并且需要进一步临床检测。

工作原理？

“镧系元素络合物有明显的发射光谱，有些峰强度对环境很敏感，例如环境的酸度。一条光谱会保持镧系元素的放射性水平，但是另一条光谱会发生强度变化。所以光谱的相对强度具有区别性特征。然后由他们进行校准，以便更早地构建校准曲线。事实证明，上述变化是由酸度造成的。”

“他们掌握了相当可观的数据和统计材料，我认为这是目前相当稳健的做法。”

Pålsson 还利用荧光光谱开发以有机材料为基础的更好的显示技术和电子产品，从而使有机显示材料最终具有更好的显示属性，更环保、生产成本更低等优点。

Pålsson 表示，显示技术的研究热点仍是寻找能够发射蓝色光谱的材料。如果想要做成和电脑屏幕、手机屏幕或电视屏幕一样的显示器，那么需要能够发射所有彩虹色。上述聚集材料中有不少大致是 20 年前，也就是 20 世纪 90 年代生产的，相对坚固且易于生产。显然，光谱表征很重要。但是，Pålsson 表示，要实现蓝色发射更具有挑战性。

“带隙或能隙更大，” Pålsson 说道。“这种材料更容易发生光降解。反馈回路由有机合成研究人员进行一定程度的改造，希望能提高材料的稳定性，延长使用寿命，让设备具有更高的亮度。然后交由我们进行检测。因此，我们需要对材料层进行适当的光谱表征。放射光谱从何而来？可见光谱？我们观察到的发射光谱范围有多广？”

材料供应公司可能会提出不同要求。

“当然，亮度是量子效率的一部分，是另一个关键因素，我们稍后阐述，”他说。“放射光谱从何而来？当然还有另一个因素，那就是发光材料所在溶液，我们称之为溶质。我们基本上都称之为电介质，无论是猝灭、红移还是蓝移，都会影响荧光。”

Pålsson 以创造更好的传感器为目的，主要进行优质显示材料荧光特性的检测。

杜伦大学在其实验室内使用四台 HORIBA Fluorolog 模块化研究级荧光光谱仪进行寿命和稳态测量。该实验室拥有Fluorolog从早期到最新等各代产品。模块化仪器能够在后期添加其他若干附件和组件，包括两个发射通道，一台带有阵列探测器的 iHR成像光谱仪和一个 Quanta-Phi 积分球，从而将荧光光谱仪扩展为完整的量子产率测试系统。

其实验室还使用配有近红外光电倍增管检测器的 DeltaFlex TCSPC 系统。

“我们现在测试的一些材料在显示技术方面也曾有过短暂的使用史，”他说。“所以，这次是在薄膜——荧光薄膜上进行新的应用。由于具有极高的灵敏度，这就是我喜欢我们现在在杜伦大学Fluorolog 系统的原因。”

[1] Prostate Specific Antigen (PSA) Test, Centers for Disease Control

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