数字全息显微镜的搭建及其在高分子界面粘附行为研究中的应用

Adhesion of colloids and biosomes at the polymer interfaces is an ubiquitous and important phenomenon. A direct way to describe the dynamics of such adhesion is to obtain three-dimensional spatial information including position and profile of the object. However, monitoring both 3D profile and position in real time still remains a challenge. In this proposal, a digital holographic microscopy (DHM) that incorporates high-speed cameras will be established. Employing this technique, we can reconstruct the individual 3D trajectory of both position and profile of objects based on a sequence of holograms. By taking the advantage that DHM has a deep depth with a high spatial resolution (<100 nm), and can observe multiple objects with either spherical or irregular shapes, it enables us for in-situ 3D tracking of adhesion process of micronsized objects, from bulk, to approaching near to the polymer surface, and finally to contact and deformation. Specifically, we will employ this method to evaluate the adhesion properties of colloids and biosomes onto surfaces functionalized with some typical polymers. The outcome of this research will provide useful information for the development of novel surfaces for the control of adhesion.

胶体及微生物体在高分子界面上的粘附是极为广泛且重要的现象。粘附行为可通过该物体的三维位置及轮廓变化来直观描述。然而，实时得到这两个参量十分困难。在本课题中，我们计划搭建基于干涉照明的数字全息显微镜，结合高速相机，获取记录物体空间信息的全息图像序列。之后，结合基于衍射的重构和定位算法，重建物体的三维位置轨迹及形貌变化。该方法的观测范围可达远离界面数百微米，适用于多粒子及不规则生物体，并具有100 nm甚至更高的空间分辨率。因此，它可原位追踪物体从远离至靠近界面，再到接触形变等粘附不同阶段的完整动态信息。基于此方法，我们将选用具有代表性的高分子界面，观测典型胶体和生物体在该界面的粘附行为，系统探索微尺度下的粘附机理。

本项目针对微尺度物体在高分子界面粘附研究中的技术难点，设计建立了可实时观测胶体及微生物三维位置及轮廓的数字全息显微镜(DHM)。数字全息显微镜基于入射光与目标物体散射光之间的干涉，将目标物体的立体信息记录于干涉生成的全息图样序列中。结合不同波长的笼式平行光路照明及高速相机，我们实现了对视野范围内多个颗粒物及微生物的实时、高精度的三维成像、定位及行为分析。我们提出了一种纵向定位的高斯拟合优化方法，使对纳米颗粒和微生物的三维定位分辨率达到100nm以下。此外，为实现高通量的微生物追踪，我们建立了轨迹续连算法，用于研究高浓度下大肠杆菌的相互作用，发现细菌个体能对相互之间的碰撞作出主动响应。我们进一步将DHM应用于对微生物在高分子界面粘附机理的研究中，探究了不同种类细菌在不同亲疏水性高分子表面、可降解高分子涂料以及软硬度不同的高分子表面附近的动态行为，发现高分子表面对细菌粘附的影响包括物理相互作用及主动响应刺激两种。细菌在与高分子表面不断碰撞的过程中感受表面的物理作用力，同时细菌受到表面及周围环境的刺激（譬如降解产物及柔软表面）可激发主动响应改变自己的动态行为从而影响粘附。我们的研究揭示了细菌对界面物理化学性质的主动响应是细菌近界面行为的重要组成部分（与物理作用占比相当甚至更高），为我们设计新一代抗菌和防污防腐材料提供了新思路。