基于量子特性荧光光谱学的高分子链动力学多尺度观测仪制造技术

本发明专利技术涉及一种基于量子特性荧光光谱学的高分子链动力学多尺度观测仪，包括：实现注入样品以及施加流场的功能的耦合流场模块、实现承载样品同时对样品做升降温处理的功能的光学控温平台模块、实现对焦平面内荧光标记高分子链的单光子荧光信号的检测和追踪功能的量子特性荧光光谱模块、软件终端模块和基于单光子探测器采集的荧光结果荧光共振能量转移信号进行自定义分析的采集数据分析模块。本发明专利技术通过研究荧光分子发射荧光的量子特性，包括荧光寿命、反聚束行为，解析高分子在流体中的构象及高分子链重构松弛等特征运动时间，基于预设或自定义的数学模型，研究高柔顺性的高分子链构象分布及特殊结构形态高分子链的复杂构象动力学信息。构象动力学信息。构象动力学信息。

【技术实现步骤摘要】
基于量子特性荧光光谱学的高分子链动力学多尺度观测仪


[0001]本专利技术属于高分子构象动力学测量装置
，具体涉及一种基于量子特性荧光光谱学的高分子链动力学多尺度观测仪。

技术介绍

[0002]高分子流体动力学研究一直是推动高分子材料高性能、高功能化发展的重要动力。然而，高分子动力学是多时空尺度相互耦合的科学问题，从时间尺度上理解，高分子链的松弛时间谱可以从10
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秒跨度到几天、甚至几年，因此很难通过单一研究手段解析内在的物理机制。此外，考虑到不同的研究技术通常基于的原理各不相同，不同研究技术解析的不同尺度下的分子链运动一般很难衔接在一起，甚至会彼此矛盾。目前针对高分子流体动力学尚缺乏从微观到宏观的系统认识，尤其是不同尺度间的衔接。
[0003]针对高分子链动力学多尺度研究，高分子学术界一直希望能够从理论或实验上做到多尺度上的连贯性。近来，得益于激光技术和各种光学元件发展的单分子荧光光谱学提供了这样一种多尺度测试技术手段。荧光光谱主要利用荧光分子的分子轨道量子态，即能量上的不连续。通常电子处于最稳定轨道基态上，当与激光光子发生相互作用，吸收光子的能量，跃迁至较高的能级激发态。电子处于相对不稳定的激发态时会自发通过释放能量返回基态。其释放能量途径一般分为辐射跃迁和非辐射跃迁，非辐射跃迁通过振动弛豫等途径返回基态，多余能量以热能传递给周围介质。而辐射跃迁则是通过发射一个光子释放能量，该过程被称为荧光发射，发射出的光被称为荧光。理论上，通过追踪荧光标记高分子链动力学轨迹，可以研究从纳秒至秒的多时间尺度动力学特征。
[0004]单分子荧光光谱不但具有较宽的时间尺度探测范围，而且不同于基于系综平均统计出的样品分子平均值，单分子荧光光谱可以对单个分子逐一分析测量，能够很好地揭示体系内分子间存在的群体差异性。即使对于均相体系而言，分子发生的动力学变化往往隐藏在大量分子的平均结果中而不能被观测到。单分子技术则可以实现在时间上对标记分子的跟踪研究，从而获得其动力学过程。
[0005]如何将单分子荧光光谱应用到高分子流体动力学研究中，一方面可以利用单分子荧光共振能量转移(Fluorescence Resonance Energy Transfer,smFRET)原位分析高分子链构象信息，另一方面可以通过荧光相关光谱(Fluorescence Correlation Spectroscopy,FCS)解析高分子链动力学，同时利用其中的单光子信号获得荧光寿命、反聚束效应等更多信息。前期我们提出了一种基于宽场显微镜，利用smFRET技术研究流场下高分子构象的观测仪。这里我们主要结合发射荧光的单光子量子效应，以获得高分子流体动力学的多时间尺度解析。
[0006]smFRET方法是指两个荧光发色基团在足够靠近时，通过分子间的电偶极相互作用，将供体激发态能量以非辐射形式转移到受体激发态的过程。FRET效率与供体和受体之间距离的六次方成反比，利用FRET作为“尺子”理论上可以精准测量尺寸小于且仅小于10纳米的尺寸信息。然而，高分子链柔性大，较大的构象熵赋予其丰富的构象转变，所以分子上
的给、受体间距离不应是确定数值，而更应该是一定数值范围内的分布，这给解析FRET数据带来困难。复杂的构象信息通常需要结合FCS测试中的单光子统计或荧光寿命进一步解析，以得到更精确的结果。
[0007]单光子统计或荧光寿命分析则主要利用单光子的量子效应，通过单光子探测元件标定单个光子的采集时间戳，进而根据采集到的光子间时间差，和/或脉冲激光激发荧光分子至采集到荧光光子的时间差来获得反聚束和/或荧光寿命等信息。反聚束效应指单光子源即同一荧光分子的发光基团吸收激发光子能量处于激发态，只有回到基态后才能被再次激发，因此不能在同时激发出两个光子。统计上讲，反聚束效应具有亚泊松光子统计，相比于具有泊松统计的相干激光场而言呈现更均匀的光场。荧光寿命则通过统计发光基团吸收激发光子能量处于激发态至发射出的荧光光子被单光子探测器采集到的持续时间解析，一般荧光分子的荧光寿命为纳秒级别，小于分子重构运动的松弛时间，因此通过单光子采集到的荧光强度与构象分布有关，从而可以精确解析高分子链构象分布与重构松弛等运动的特征时间。
[0008]以上介绍了利用基于量子荧光技术解析高分子链动力学的理论可行性，但将其实际应用到高分子链动力学研究中仍需解决如下问题，包括如何将smFRET测得的荧光共振能量转移效率与单光子统计、荧光相关光谱测得的动力学特征关联在一起，准确解析出具有丰富分布的高分子链构象；如何避免由于给、受体在高分子链上的不完整标记(包括只存在给、受体)、给受体在体系中的扩散运动等因素对FRET结果的影响；如何利用多色(multicolor)smFRET方案来解析具有复杂构象的高分子链等。

技术实现思路

[0009]本专利技术要解决现有技术中的技术问题，提供一种基于量子特性荧光光谱学的高分子链动力学多尺度观测仪。本专利技术的观测仪将共聚焦显微镜、皮秒脉冲激光、单光子探测器和流变仪耦合，实现利用量子荧光技术解析高分子链在流体中的动力学行为。该观测仪基于共聚焦显微镜，通过联用smFRET与荧光相关光谱技术，从而观测在高分子流动过程中的构象演化及多尺度动力学特征。
[0010]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案具体如下：
[0011]本专利技术提供一种基于量子特性荧光光谱学的高分子链动力学多尺度观测仪，包括：耦合流场模块、光学控温平台模块、量子特性荧光光谱模块、软件终端模块和采集数据分析模块；所述软件终端模块的一端与所述量子特性荧光光谱模块、光学控温平台模块和耦合流场模块的一端连接，所述软件终端模块的另一端与所述采集数据分析模块一端连接，所述采集数据分析模块另一端与所述量子特性荧光光谱模块、光学控温平台模块和耦合流场模块的另一端连接；同时，所述光学控温平台模块还与耦合流场模块和量子特性荧光光谱模块连接；
[0012]所述耦合流场模块包括注射泵，蓄样池，带有进样孔、出样孔以及流道的密封盖，这些部件配合使用使所述耦合流场模块实现注入样品以及施加流场的功能；
[0013]所述光学控温平台模块用于实现承载样品，同时对样品做升降温处理的功能，包括光学玻璃和温控单元；所述光学玻璃和所述耦合流场模块中的密封盖共同构成样品加载空间，实现承载样品的功能，所述温控单元用于测试时所需冷却或加热并保持温度恒定的
功能；
[0014]所述量子特性荧光光谱模块实现对焦平面内荧光标记高分子链的单光子荧光信号的检测和追踪功能，包括激光耦合平台、显微镜主体和单光子探测器，实现荧光光谱学的多尺度测试，包括smFRET测试用于检测高分子构象信息，FCS测试用于检测高分子链重构松弛特征运动时间；其中，所述激光耦合平台采用多波长光纤耦合激光系统，输出所需激发波长激光；所述显微镜主体包括多通路分光光路和三维电动位移平台，所述三维电动位移平台用于控制所述光学控温平台模块中光学玻璃相对于显微镜物镜的位置，使其用于识别样品中不同区域内荧光分子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于量子特性荧光光谱学的高分子链动力学多尺度观测仪，其特征在于，包括：耦合流场模块、光学控温平台模块、量子特性荧光光谱模块、软件终端模块和采集数据分析模块；所述软件终端模块的一端与所述量子特性荧光光谱模块、光学控温平台模块和耦合流场模块的一端连接，所述软件终端模块的另一端与所述采集数据分析模块一端连接，所述采集数据分析模块另一端与所述量子特性荧光光谱模块、光学控温平台模块和耦合流场模块的另一端连接；同时，所述光学控温平台模块还与耦合流场模块和量子特性荧光光谱模块连接；所述耦合流场模块包括注射泵，蓄样池，带有进样孔、出样孔以及流道的密封盖，这些部件配合使用使所述耦合流场模块实现注入样品以及施加流场的功能；所述光学控温平台模块用于实现承载样品，同时对样品做升降温处理的功能，包括光学玻璃和温控单元；所述光学玻璃和所述耦合流场模块中的密封盖共同构成样品加载空间，实现承载样品的功能，所述温控单元用于测试时所需冷却或加热并保持温度恒定的功能；所述量子特性荧光光谱模块实现对焦平面内荧光标记高分子链的单光子荧光信号的检测和追踪功能，包括激光耦合平台、显微镜主体和单光子探测器；所述激光耦合平台采用多波长光纤耦合激光系统，输出所需激发波长激光；所述显微镜主体包括多通路分光光路和三维电动位移平台，所述三维电动位移平台用于控制所述光学控温平台模块中光学玻璃相对于显微镜物镜的位置，使其用于识别样品中不同区域内荧光分子对的荧光信号；所述单光子探测器用于采集高分子链上标记荧光分子对发射的荧光光子；所述软件终端模块包括控制软件，嵌入式控制卡和/或信号光纤；所述控制软件用于设置测试参数，发出指令通过嵌入式控制卡和/或信号光纤，控制注射泵的进样速度从而调控Laminar层流梯度，控制所述光学控温平台模块的温度，控制所述激光耦合平台的调制、光路、滤镜选择，控制TCSPC时间相关测试中的延迟时间技术参数，单光子探测器的荧光信号采集、存储、计算和处理功能；所述采集数据分析模块基于单光子探测器采集的荧光结果，对荧光共振能量转移信号进行自定义分析，同时对荧光相关信号进行分析，荧光相关信号包括给体自相关函数，受体自相关函数，给、受体间互相关函数，和给体各向异性，最终获得高分子流动过程中高分子链的构象及其时空演化信息。2.根据权利要求1所述的高分子链动力学多尺度观测仪，其特征在于，所述观测仪适用的目标对象为两端分别标记和/或在多个特定位置标记多个能产生荧光共振能量转移现象的荧光给体和受体的探针高分子。3.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：王大鹏，陈洪波，胡铭，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：