基于等离子体热纳米探针技术的单细胞分析

Current cytosensors focus on the interaction between probe and target biomolecule, which confined the response time, selectivity and sensitivity. To achieve real-time analysis of temporal intracellular biochemical reactions, a new detection strategy providing rapid response and high sensitivity is required. Chemical reaction comes with thermal change, thus it is possible to realize dynamic analysis of single cells via monitoring the heat generated by intracellular reactions. This strategy avoids interaction between probe and target biomolecule, indicating its great potential in single-cell analysis. In this proposal, we plan to synthesis a thermal-responsible plasmonic nanoprobe for accurate intracellular temperature imaging with purpose of thermogenesis dynamic tracing. In addition, we plan to fabricate a plasmonic thermal nano-oscillator based on the vibration of nanoprobes under a periodic laser irradiation, avoiding nonspecific adsorption interference of biomolecules, and we plan to utilize this thermal nano-oscillator for high-sensitive single-cell analysis.

传统细胞传感策略利用探针与目标生物分子之间的相互作用产生信号并对其进行分析，其响应时间、抗干扰能力、灵敏度均受到探针对目标分子特异性识别能力的限制，因而无法实现对细胞内的一些瞬间生物化学反应的精准分析。为了实现这一目标，需要发展一种更加灵敏、快速的传感模式。化学反应总伴随着热的变化，因此可以直接利用细胞中生化反应产生的热对单细胞行为进行动态分析，从而避免与被测生物分子的接触，该策略在单细胞分析中具有极大的应用潜力。本项目拟合成具有热响应性能的等离子体纳米探针，利用其在温度变化时产生的散射光信号，实现对细胞内局部温度的高灵敏实时成像，并以此对细胞内的发热生理过程进行动态追踪。在此基础上，拟利用该纳米探针在周期性激光辐照下发生的振动，开发一种等离子体热纳米振子，其振动信号不受非特性吸附生物分子的影响，利用这一性质，我们拟将该热纳米振子应用于单分子级别的细胞分析。

传统细胞传感策略利用探针与目标生物分子之间的相互作用产生信号并对其进行分析，其响应时间、抗干扰能力、灵敏度均受到探针对目标分子特异性识别能力的限制，因而无法实现对细胞内的一些瞬间生物化学反应的精准分析。为了实现这一目标，需要发展一种更加灵敏、快速的传感模式。化学反应总伴随着热的变化，因此可以直接利用细胞中生化反应产生的热对单细胞行为进行动态分析，从而避免与被测生物分子的接触，该策略在单细胞分析中具有极大的应用潜力。本项目严格按照既定研究计划进行，顺利地完成所制定的全部研究目标。首先，本项目搭建了TIRF-激光等离子体热显微镜，采用双色脉冲激光作为TIRF光源对单颗粒金纳米棒探针的LSPR散射光进行激发，并通过自主创制的算法对其光谱波长进行高时空分辨成像。通过对探针进行细胞靶向性修饰后将其孵育至HeLa细胞内部，最终实现单细胞内的局部瞬态热成像这一目标。同时，本项目自主研制搭建了共轴双物镜成像系统，提出表面等离子共振耦合暗场显微成像技术。利用这一技术研制了等离子体光驱热纳米振子，实现了单分子miRNA杂交动力学分析。此外，本项目基于自主研制的全内反射暗场显微镜，利用石墨烯可调的光散射性质，打造了一种基于石墨烯的电化学显微成像系统GEM，可以实现对石墨烯表面微小电荷变化的成像分析。本项目目前共发表SCI论文9篇，其中影响因子大于5.0的论文9篇。项目成员参加了2次国内相关领域学术会议和3次国际会议。在经费使用方面，本项目严格遵照国家法律法规及南京大学经费管理规定，专款专用，符合预算书的规定。