Innoscan芯片掃描儀助力固相納米合成熒光新防偽材料研發(fā)
Innoscan芯片掃描儀助力新防偽材料開發(fā)——固相納米合成熒光防偽材料
目前，由于信息泄露、安全密碼或防偽措施被破解，每年造成的損失可達數(shù)萬億美元，而且嚴重威脅人類健康、社會公平和國家安全。以藥品的假冒證書或者電子產(chǎn)品秘鑰為例，如果出現(xiàn)漏洞就會造成巨大損失。而解決這類問題的一個有效手段就是設(shè)計安全性高的防偽標簽，例如通過光學驗證的熒光全息圖。在這一方面，目前已經(jīng)有很多團隊在做相關(guān)研究，包括半導體量子點、有機染料和碳點（carbon dots ，CDs）在內(nèi)的很多候選方案。其中CD因其穩(wěn)定性、低毒性、廣泛可用的前體等優(yōu)勢而特別突出。然而，大多數(shù)研究表面CD都是在溶液中發(fā)出熒光，固態(tài)則熒光淬滅。因此開發(fā)一種可以在固態(tài)情況下實現(xiàn)CD編輯，從而激發(fā)固態(tài)熒光 （solid-state fluorescence ，SSF）圖案，并且通過物理不可克隆函數(shù)（physical unclonable functions ，PUF）將其信息形成有效的唯一的熒光全息圖就成為一種值得期待的方法。
來自德國馬克斯·普朗克膠體與界面研究所，于2023年《Nature Nanotechnology》發(fā)表的這篇文章——一種新型的多合一納米打印方法。該方法以CD為原材料合成SSF圖案，并結(jié)合PUF加密技術(shù)，最終制成具有高防偽加密功能的熒光全息圖。固相的CD合成制備因π-π堆積導致熒光淬滅，目前CD合成多通過液相的方法制備。而本研究中，CD前體材料包被的載玻片在毫秒級激光脈沖照射后合成CD，不但成功避免了熒光淬滅，還可以精準控制所合成的CD高度、位置、圖案等參數(shù)，最終形成用來存儲加密信息的SSF圖案。這種技術(shù)，作者稱為nanoFlash原位合成技術(shù)。
nanoFlash原位合成SSF分為兩個主要步驟（具體步驟見文末）
驗證nanoFlash合成效果：為了驗證nanoFlash原位合成技術(shù)是否生成了預想的SSF圖案，作者利用法國innopsys公司的innoscan-1100 AL生物芯片掃描儀讀取了制成的SSF玻片。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，nanoflash方法能夠有效將CD前體通過脈沖激光轉(zhuǎn)化生成CD，并最終得到想要的SSF圖案。（圖1）
不僅如此，為了驗證除了激光之外其他因素對CD合成的影響，作者也嘗試了改變吸光層和CD前體的成分，并做了進一步實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同的添加劑也會影響CD所發(fā)出的熒光。例如，作者發(fā)現(xiàn)在吸光層加入聚乙烯醇會導致所合成的CD紅色激發(fā)光更強，而如果加入聚乙二醇則會淬滅紅色激發(fā)光。
nanoFlash原位合成SSF分為兩個主要步驟（具體步驟見文末）
驗證nanoFlash合成效果：為了驗證nanoFlash原位合成技術(shù)是否生成了預想的SSF圖案，作者利用法國innopsys公司的innoscan-1100 AL生物芯片掃描儀讀取了制成的SSF玻片。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，nanoflash方法能夠有效將CD前體通過脈沖激光轉(zhuǎn)化生成CD，并最終得到想要的SSF圖案。（圖1）
不僅如此，為了驗證除了激光之外其他因素對CD合成的影響，作者也嘗試了改變吸光層和CD前體的成分，并做了進一步實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同的添加劑也會影響CD所發(fā)出的熒光。例如，作者發(fā)現(xiàn)在吸光層加入聚乙烯醇會導致所合成的CD紅色激發(fā)光更強，而如果加入聚乙二醇則會淬滅紅色激發(fā)光。
圖1 nanoFlash合成方法的原理和轉(zhuǎn)移圖案的表征 a，溫度與時間是影響CD前體形成CD并產(chǎn)生不同熒光的關(guān)鍵因素；b，通過調(diào)節(jié)激光脈沖可以驅(qū)動CD前體形成不同微觀圖案的SSF；c，d，通過調(diào)節(jié)激光脈沖可以驅(qū)動CD前體形成不同高度的SSF；e，使用innoscan 1100AL的紅綠藍三色通道掃描制成的SSF圖案
通過改變合成參數(shù)，作者構(gòu)建了一個具有100個單獨圖案的SSF庫，即使在熒光相似的情況下，不同圖案也有截然不同的紋理結(jié)構(gòu)。（圖2）
圖2 熒光接近但微觀結(jié)構(gòu)不同的SSF圖案
接下來，作者測試了這種方法合成SSF圖案的加密能力。理論結(jié)果表明，一個利用PUF的方法，加密325*325像素的SSF圖案的編碼能力可以達到1063593，完全達到強PUF密碼的標準。并且，利用innoscan 1100AL在不同分辨率（每像素 1、5 和 10 μm）掃描出的圖案，所讀取的信息始終識別，這表明在身份驗證等類似安保措施中，具有很高的可靠性，防止信息被破譯。
結(jié)論：
- 1.作者成功利用納米激光脈沖，在固相（載玻片）上合成了CD，并通過預設(shè)的程序生成SSF圖案。
- 2.通過改變CD合成過程中的顏色、結(jié)構(gòu)、位置等參數(shù)，可以精確生成各種不同的SSF圖案，結(jié)合PUF等算法，保證一個325*325像素的SSF圖案能夠擁有足夠的編碼能力來達到防止破譯的效果。
更多資訊請訪問文獻全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41565-023-01405-3
Innopsys 成立于1999年�？偛课挥诜▏恢敝铝τ谏镝t(yī)學領(lǐng)域相關(guān)儀器和軟件的自主研發(fā)和生產(chǎn)。Innoscan系列掃描儀，采用先進的共聚焦PMT檢測器和多激光掃描光路，可以同時進行多通道熒光檢測。不僅有效降低了熒光光漂白現(xiàn)象以及信號損失，還可以有效縮短掃描時間。在基因組和蛋白組表達，基因突變，SNP檢測，CGH，細菌病毒檢測，腫瘤特異性標志篩查，病理組織篩查等方面都有非常廣泛的應(yīng)用。
環(huán)亞生物，生命科學產(chǎn)品全國性代理商，具備完善的公司運營、產(chǎn)品管理、營銷、售前技術(shù)支持和售后維修體系。環(huán)亞生物作為Innoscan大中華區(qū)代理商，負責Innoscan產(chǎn)品大中華區(qū)的營銷和售后支持。
nanoFlash原位合成SSF主要步驟：
- 1.將CD前體溶液（在本次研究中，作者使用D-（+）-氨基葡萄糖鹽酸鹽）均勻覆蓋在具有特殊吸光層的載玻片上，繼而烘干機烘干，制備出了包被CD前體的載玻片。
- 2.在包被CD前體的載玻片上，利用毫秒級的納米激光器根據(jù)預先設(shè)計好的打印方案快速打印，使CD前體轉(zhuǎn)化為可發(fā)出熒光的CD。具體原理是：激光脈沖具有很高能量，在到達吸光層后會迅速轉(zhuǎn)變成熱能，并使局部溫度達到500℃以上。在這個溫度條件下，CD前體會快速碳化并形成CD。作者通過調(diào)整激光的強度、位置、照射時間，就可以控制所合成的CD位置、厚度、寬度、激發(fā)熒光的顏色等參數(shù)，最終形成預設(shè)的、具有不同紋路、和高低落差的SSF圖案（圖1）。
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