基于核酸适配体双金属纳米探针的高特异性光学成像

Gold nanoparticles hold unique optical and electronic properties in themselves, which makes them ideal multimode labels to combine optical and electronic microscopies in order to complement the shortcomings of each method. The important values in life science and potentially broad applications in medical applications ask for the direct optical imaging method with the ability to detect the nanometer sized gold particles with high sensitivity and specificity to be established. Due to their large specific area, the non-specific adsorption is a challenge to find the right target. The application here is aiming to explore the optical method to high specifically detect the bio-target in living cells. Aptamers are pieces of DNAs or RNAs that can bind to specific target molecules. Based on the split and recovery properties of aptamers, the application proposed a target-recognition method with high specificity by producing dynamically a dimer gold nanostructure. Two metallic probes will be produced by splitting each aptamer into two pieces, and each piece is labelled with gold nanoparticle. The binding event will be accepted only when the two individual probes bind to the same target. To depress the huge background noise from the cell itself, the application will explore how to extract the dimer signal based on the material difference between noble metallic material and biomaterials. The target-recognition will be explored by studying the resonance mode of the dimer excited under an objective. The exploration of its point spread function especially the vector field in the far field will build a way to control oscillation of the resonant dipole to obtain the optimized depolarization for the cross-polarization heterodyne interference detection.

金纳米粒子具光、电特性于一身，其作为多模态分子标记物将光学与电子显微成像方法融合可互补两者的不足，实现多信息获取与补充，在生命科学研究中具有重要价值，使得发展贵金属纳米探针的直接光学成像方法成为国际前沿课题，尤其纳米粒子比表面积大，容易发生非特异性吸附，如何利用这些探针在细胞环境中实现高特异性的靶标识别更是一个挑战。本申请在前期实现了纳米级物体光学可见的基础上旨在探索纳米金粒子作为分子探针在复杂的细胞环境中进行生物靶标的高特异性识别与成像方法。为此，基于核酸适配体分裂复原的性质，拟通过两个金纳米探针经与同一靶标绑定而“合成”的二聚体结构提出基于二聚体的高特异性靶标识别方法。利用贵金属纳米材料与生物材料不同的光学性质研究二聚体粒子在显微镜激发条件下的共振模式和点扩散函数及其远场矢量场，探索通过激发场控制偶极子的振动模式以获得增强的远场去偏振，通过外差正交干涉成像实现高灵敏度的特异性靶标识别。

贵金属纳米颗粒物具有独特的光、电、热等性能，这些物理性能赋予其多模态的成像潜力在生命科学研究中具有重要价值，使得发展贵金属纳米探针的直接光学成像方法称为国际前沿课题，尤其利用光散射纳信号成像中，如何高特异性的识别目标靶标更是一个挑战。本项目利用两个贵金属纳米颗粒物间的局部表面等离子体共振(LSPR)耦合作用产生的偶极子共振散射矢量特征信号建立了基于贵金属纳米探针的目标成像和识别方法，实现了基于双金属纳米探针的生物靶标的直接光学成像和高特异性识别方法。本项目在前期工作的基础上，1）基于有限元分析方法建立了光与纳米级颗粒物作用的麦克斯韦方程的求解模型。光作用下贵金属纳米颗粒的消光性能近20年来得到了大量的研究，在二聚体的研究中多数集中在同构颗粒物间的LSPR耦合模式，对于三维异构结构尤其是偏振态影响下的性能鲜有报道，该模型的建立使得各种纳米结构颗粒在光的作用下所产生的光电性能得以充分研究，尤其是消光光谱、电场分布、电荷分布为理解纳米颗粒物间的相互作用模式和耦合方式建立了理论依据。2）贵金属二聚体结构的最佳LSPR性能强烈依赖于激发光的偏振方向，本项目建立了基于“补丁”的异构二聚体结构通过性能补偿去除了最佳LSPR近红外消光性能对偏振方向的依赖。建立了三维纳米自由曲面上补丁定点定向组装的异构二聚体制备方法。3）在生物环境中存在着众多亚波长尺寸的颗粒物，在直接散射成像中，这些背景图像会干扰贵金属探针的识别。本项目中建立的系统通过弱信号提取，获得了这些颗粒物间的散射作用，通过理论建模分析和成像探测，发现了这些颗粒物间的Mie干涉作用，颗粒物间的相对方位可直观的通过图像特征观测。4）建立了基于贵金属二聚体纳米探针的特征识别方法。不同于生物颗粒物间的Mie干涉，本项目发现贵金属颗粒物作用后构成的二聚体构成一个新的光源，偶极子振动产生的远场矢量场在正交偏振探测模式下呈现出与众不同两瓣结构用于目标的特征识别。