Time-Resolved Full-Spectrum All-Fiber Fluorescence Biosensing with Ultrafast Supercontinuum(I)

摘要

[[abstract]]本計劃旨在研發一新穎的全頻域即時遠距螢光檢測技術。為瞭解細胞中不同分子在複雜的生物反應中的作用，能夠同時量測多種不同的生物標記是至關重要的技術。然而，受限於激發光源的波長，傳統的螢光檢測技術只能同時量測有限頻寬內的螢光分子，而無法同時量測整個可見光至紅外光波段的所有螢光分子。為了量測到更廣頻帶的螢光分子，現行的作法是增加不同波長的激發雷射並加入許多濾光鏡以增加量測的（頻域）通道數。然而，這麼一來整個系統將變得十分複雜且有很大的螢光訊號損失。這麼一複雜又龐大的系統很難運用在實驗室外的實地量測或是生物體內的即時量測。然而，為真正了解細胞中生物反應的進行，能夠即時在其生長的生物體內進行直接測量是很重要的一環。為根本解決上述問題，本計劃將發展一全新的螢光量測技術，方法簡述如下：我們將用單一雷射產生的超連續譜(supercontinuum)脈衝光源激發所有在此頻域內的螢光分子，並將其產生的各個不同波長的螢光訊號同時收集回來，此方法將不使用帶通濾波片(filter)或分色鏡(dichroic mirror)，因此可完全使用超連續譜的所有頻帶，且所激發之螢光亦包含所有頻帶，而在頻率域重疊的激發光與螢光信號將用時間解析的方法在時間域分開來。為實現一個能夠即時遠距進行量測的單分子頻譜儀，我們將利用光纖元件製造一精巧、可攜的原型，我們將用一根高數值孔徑(numerical aperture) 雙包覆光纖(double-clad fiber)作為探頭(probe)，激發的光脈衝將經由光纖之蕊心 (core)傳遞至待測物，而螢光信號將經由高數值孔徑之內包覆(inner cladding)傳回。這個柔韌的光纖探頭不僅解決了在混濁環境（如生物組織）中光學量測的最大問題：光的散射與吸收，同時加長了被散射的激發光脈衝與螢光信號之間的時間延遲，因此我們可以更有效率地濾除雜散的激發光，進而得到更好的信號雜訊比。除此之外，此雙包覆光纖的內包覆之高數值孔徑(~0.5)提供了極佳的螢光偵測效率，非常適合用來做生物體內單分子的量測。配合適當的光纖探頭設計，此種量測技術將可應用在多種常用的生物醫學光學量測技術上，從而產生出精簡可攜式的螢光顯微鏡、流式細胞儀等。研究成果將可能對立基於分子診斷學的生物醫學及保健工業造成深遠的影響。