基于暗场散射成像的金纳米材料多参数动态传感方法研究与应用

Plasmonic metal nanomaterials, benefiting from the localized surface plasmon resonance effect, have been widely used in biosensing and medical diagnostics realms. As the sensitivity, accuracy and precision are constantly demanded by the application, the dark-field light-scattering imaging method, along with the single-particle spectrum analysis, exhibit unique advantages on optical sensing for bioanalytical and medical purposes. Based on the multidimensional information providing capability of the dark-field imaging approach, this proposal seeks methodological developments and innovations on multi-parameter measurement of gold nanomaterials, as well as on bioanalytical applications. The research in this project will investigate the statistics of spatial information, spectral characteristics and morphology of gold nanomaterials, as well as the dynamical change of these parameters with the variation of chemical environment and reaction; and then establish the multi-parameter measurement method using the statistical relation. The study also expected to apply the multi-parameter measurement method in the bioanalytical assays, in order to make progress on the theory and application of gold nanomaterial optical biosensing.

基于局域表面等离子体共振效应的贵金属纳米材料光学传感方法在生化分析、细胞成像以及医学诊断等领域已取得广泛使用。进一步拓展方法原理与适用范围、提升检测灵敏度、准确度与精密度是各领域对传感方法的持续要求。暗场散射成像及构建于其上的单颗粒光谱分析可提供与纳米材料有关的多个维度的信息，因而在贵金属纳米材料参与的光学传感方面有独特优势与广阔前景。本项目拟围绕金纳米材料的多种特性参数动态测量方法与应用这一科学问题，开展基于金纳米材料暗场散射成像与化学刻蚀的传感方法研究与生化分析应用。通过使用统计学方法处理大量金纳米材料的空间位置、谱学特性与尺寸形貌等信息，以及这些信息随化学环境、化学反应条件与反应时间的动态变化情况，尝试在金纳米材料暗场散射图像与其尺寸、形貌、聚集情况及绝对数量之间建立联系，进而构建可同时测量多种参数的传感方法，并应用于实际分析体系，以丰富和发展金纳米材料光学传感的理论与应用。

本研究项目以金纳米材料暗场散射成像传感方法为切入点，基于单颗粒光谱（色彩）分析，开展对于金属纳米材料的数量浓度、尺寸、聚集状态等参数进行同时测量的方法学研究，建立了金纳米材料多参数测量方法及相应的图像处理算法。以此为基础，进一步发展建立了适用于荧光微球传感体系的多色荧光微球同时测量方法。将上述传感方法应用于生化分析体系，以DNA和RNA的非放大直接检测为例，分别实现了基于金纳米颗粒和荧光纳米颗粒的微量核酸检测。基于金纳米颗粒的DNA传感方法检测限可达到fmol/L至pmol/L水平。基于荧光纳米颗粒的DNA与RNA传感方法可实现pmol/L水平上的三种目标序列同时检测。传感方法具有良好的抗干扰性，可直接应用于细胞裂解液样品的分析。本项目所建立的基于颗粒成像识别计数的传感方法可作为通用的生化分析方法，具有广泛的适用性和良好的抗干扰性。