基于波长可调谐等离激子纳米激光器的细胞特异性示踪研究

Increasing of essential concern about process of life and genesis of diseases has led to tighter development on the acquisition techniques of individual specific information of cells. The greatest challenge to accomplish that goal is to find an effective method of marking lots of individual cells with unique tags to real-timely and dynamically track cell behaviors. In the present project, we will propose a novel design and fabrication on plasmonic nanolasers with three-layer core-shell structures to serve as nanoprobes for the applications of the multicellular dynamic tracking, which can possess many excellent properties, e.g., low threshold, good water solubility, high brightness and narrow linewidth. A high tuning precision of nanolaser wavelength from visible to near-infrared region can be obtained by both modifying the shape of the silver nanoparticles and controlling the particle corner sharpness in a modified photochemical method to contribute to sufficient information dimensions for long-term single-cell tracking applications. After the nanolaser probes are designed and fabricated, experiment verification of single-cell labelling and specific tracking will also be carried out. The current methods will provide an available portable means in studying the secrets of growth of living things, understanding where the cancer comes from, and achieving the new generation of cellular therapeutics. Therefore, the research is of great significance to the clinical or biomedical sciences.

随着生物医学的发展，人们逐渐认识到以往对群体细胞平均效应的研究很可能掩盖了许多与生命进程或疾病起源密切相关的重要个体信息，因此迫切需要发展可对大量单细胞进行特异性标记且实时动态监控的细胞示踪新技术。为此，本项目提出一种基于三层核壳结构的等离激子纳米激光器工作新模式。将这种纳米激光器用于细胞特异性标记\示踪的纳米探针，具有低激发阈值、水溶性好、高亮度、窄线宽的显著优势。通过改良光化学合成手段，高精度控制银纳米颗粒形貌和棱角锐化程度，能实现纳米激光器发射波长由可见到近红外的连续精确调节，可为大量单细胞同时示踪提供足够的复用波长数。通过将制备的纳米激光器用于单细胞标记，并开展对体外大量单细胞的特异性靶标示踪实验研究，本项目可为生物发育、癌症机制研究和细胞疗法技术研究提供一种优异的个体细胞特异性信息获取技术手段，相关研究对于下一代生物医学基础及临床应用研究具有重要的意义。

随着生物医学的发展，人们逐渐认识到以往对群体细胞平均效应的研究很可能掩盖了许多与生命进程或疾病起源密切相关的重要个体信息，因此迫切需要发展可对大量单细胞进行特异性标记且实时动态监控的细胞示踪新技术。为此，本项目提出一种基于三层核壳结构的等离激子纳米激光器工作新模式。将这种纳米激光器用于细胞特异性标记\示踪的纳米探针，具有低激发阈值、水溶性好、高亮度、窄线宽的显著优势。通过改良光化学合成手段，控制温度和光照时间，可实现纳米激光器发射波长由可见到近红外的连续精确调节，可为大量单细胞同时示踪提供足够的复用波长数。本项目重要成果包括：（1）选用双介孔二氧化硅复合纳米颗粒为载体，将钙钛矿量子点嵌入外层介孔中，研究该复合纳米材料在双光子激发下的光学特性，并考察其环境稳定性问题；（2）利用金纳米结构的表面等离子效应产生的局域场效应增强，及金属表面等离子共振能量转移效应，实现了钙钛矿量子点的在常温环境下单激子区域的低阈值受激发射，光学增益阈值降低至没有金颗粒的对照组复合结构的光学增益阈值的四分之一；（3）制备的纳米激光器具有低荧光寿命、稳定的荧光、无生物毒性、良好的生物相容性和透膜性、丰富的表面功能基团、环境友好、廉价及制备过程简单等优点，不需要二次修饰抗体就可以对细胞器和细胞结构进行靶向；（4）面向肿瘤精准治疗成像应用，依托项目开发了多种新型纳米探针，如稀土掺杂上转换纳米材料、近红外激发长余辉纳米材料、核酸适配体纳米传感器等，分别实现了淋巴结的近红外二区和光声双模态成像、近红外长余辉发光和CT双模式成像、和肿瘤微环境促转移因子多元相关检测。本项目研究成果不但可以促进纳米激光器在生物医学成像方面的应用，还将为临床广泛应用的干细胞治疗提供极有价值的研究手段，具有重要的研究意义和应用前景。