基于编码粒子显微偏振成像的数字化液相芯片技术研究

This project aims to develop a suspension chip based digital bio-detection system which utilizing plasmonic nanoparticle to encode every target molecule followed by enrichment and enumeration of the encoding nanoparticles. To increase the throughput of the detection system, the.optical information carried by different nanoparticles will be thoroughly investigated to develop a method enables the differentiation and enumeration of nanoparticles in a complex system. First, we will develop techniques to identify nanoparticles according to their imaging color and polarized light scattering characteristics through theoretical simulation and experimental verification. Especially, through Monte Carlo simulation, Mueller matrix decomposition, the extraction of polarization information of nanoparticles, we will be able to improve the dimension for particle differentiation and realize accurate identification of nanoparticles. Next, following encoding target biomolecules with nanoparticles and magnetic immune separation process, accurate digital detection of biomolecules will be realized. A nano-suspension chip being capable of.simultaneous detection of multiple targets with ultrasensitivity can thus be invented. Finaly, the detection of multiple tumor markers and ultra-sensitive detection of ct-DNA of lung cancer will be demonstrated.

本项目拟利用表面等离子基元共振（贵金属）纳米粒子对生物靶分子进行一对一编码和标记，通过对编码纳米粒子的分离富集、显微光学分类和计数来检测靶分子的数量（数字检测）。通过深度挖掘不同纳米粒子自身携带的光学信息，发展混合体系中对纳米粒子进行分类并分别计数的方法，从而提高检测的通量。首先，针对纳米粒子在组成、形貌和尺寸等方面的不同，通过理论模拟和实验验证，发展基于粒子成像颜色和光学偏振特性的纳米粒子分类方法。尤其通过蒙特卡洛模拟和穆勒矩阵的分解，提取粒子偏振信息，提高纳米粒子识别维度，实现粒子精准识别。在此基础上，通过纳米粒子表面的功能化实现对生物靶分子的编码，结合磁免疫分离技术，对靶分子浓度进行精准的数字检测，从而建立生物分子超灵敏数字检测的纳米液相芯片系统，实现多组分生物分子的超灵敏同时检测。最后，通过对常规肿瘤标志物和非小细胞肺癌循环肿瘤DNA的检测，验证该系统多通道特点和超灵敏特性。

疾病的早期诊断，尤其是恶性肿瘤的早期检测和诊断对提高预查能力、降低其死亡率等都具有重要意义。但是在肿瘤早期，与肿瘤相关的一些生物分子的浓度非常低且易受干扰，检测难度大。本项目是基于贵金属纳米粒子的基本性质，研究其光学显微成像分类和计数方法，在此基础上，通过纳米粒子对生物靶分子编码，结合磁免疫分离技术和编码纳米粒子自身携带光学信息的读出和识别，对靶分子浓度进行精准的数字检测，从而建立基于纳米编码显微成像计数的检测系统，实现对多种肿瘤相关的生物标志物的灵敏检测。主要研究内容包括贵金属纳米颗粒和上转换纳米颗粒的制备，以纳米粒子特性为依据的图像处理程序的编写，将贵金属纳米粒子和上转换纳米颗粒表面功能化并构建纳米探针，设计搭建显微成像系统，用显微镜对游离的纳米粒子计数和定量来实现定量检测，使用上转换纳米颗粒替代贵金属纳米粒子，减少杂质散射的影响，并以上转换纳米颗粒为载体定量检测了多种生物分子。取得的成果包括搭建了基于核酸适配体和金纳米球的纳米探针并用于CRP的检测，利用暗场显微镜计数得到金纳米球个数与CRP在5 nM-67 nM的浓度范围具有良好的线性相关性；将金纳米颗粒放大检测信号的方法应用在反射式弱测量系统中，对凝血酶的检测下限达到了0.3 nM；将DNA指示分子探针修饰到上转换纳米颗粒表面，构建了纳米指示探针，将生物素修饰的DNA捕获分子探针修饰到磁球表面，构建功能磁捕获探针，该探测体系检测HPV基因片段时的线性范围为10 pM -250 pM，检测限为2.6 pM，检测CEA时的线性范围为0.02-6.0 ng/mL，检测限为65 fM，搭建的数字化检测平台结合了上转换纳米粒子以及显微成像的影像化数字检测方法的独特优势，有潜力应用于更多生物标志物的检测。