等离子体共振能量转移在膜电位实时光学成像中的应用研究

Voltage sensitive dye imaging (VSDI), as a non-invasive technology, has been widely applied to investigate the neuronal electrical activity at a mesoscopic level thanks to its high spatial and temporal resolution, however, an outstanding problem that the low relative ratio of change restricts the imaging efficiency. Although potential-sensitive fluorescent protein with high performance can be developed, there is a lot of randomness in the screening process. The aim of this program is to solve the existing problems, including the limited analysis methods for neuronal electrical activity determination and the aforementioned low relative ratio of change. Present program is to establish new method with high signal intensity to analyze the membrane potential in imaging mode. Plasmon resonance energy transfer is used as a leverage to accomplish the signal transduction from the light absorption signal of voltage sensitive molecule into the scattered light of plasmonic nanoparticles effectively. Then, the scattering imaging of single nanoparticle is used to probe the dynamic membrane potential. This program can develop new single nanoparticle optical probe of neuronal membrane potential, which can be used to record electrical activity of groups of neurons synchronously and achieve high throughput neurotoxicity study of drugs. Besides, this program can supply new optical imaging analysis methods for electrophysiology of nerve and diagnosis and treatment of nervous system disease.

电压敏感染料成像因其较高的时空分辨率被广泛应用于非侵入式神经元电活动的介观水平研究，然而信号相对变化率低这一突出问题制约了成像效果。尽管可以开发性能优良的电压敏感的荧光蛋白，但是筛选工作的随机性较大。本项目以解决神经电位光学研究手段单一且荧光染料法信号响应弱的问题为目标，拟开展建立强信号响应的神经电位光学成像分析新方法的研究。通过信号转导的方法，借助等离子体共振能量转移作为信号转导杠杆，将电压敏感分子的局域光学吸收信号变化高效地转化为等离子体纳米颗粒散射信号的变化。进而通过高信号变化率的单颗粒光散射成像来指示电位变化，并最终用于介观水平的非侵入性神经电活动动态成像分析。通过本项目的研究，能达到开发新型膜电位单颗粒光学成像探针、同步记录神经元群体电活动和高通量考察药物神经毒性的目的，为神经系统疾病诊疗领域中处于基础地位的神经电生理研究提供实时成像分析新方法。

电子转移是化学反应和氧化还原过程的本质。筛选氧化还原敏感的受体来构建等离子体共振能量转移系统，是实现电子得失过程光学成像分析的一个重要策略。本项目拟借助PRET开展氧化还原过程的实时成像分析。.项目研究中，首先筛选了氧化还原敏感的受体，考察了电化学触发的吸收光谱的可逆调节。然后进行PRET的构建和探针的性能考查。进而用于氧化还原相关的过程的成像分析。我们尝试通过静电吸附构建PRET探针并用于酶活的成像测定。同时，通过借助DNA双链的精准距离调节性能，实现了对PERT的距离因素影响的系统性考查。此外，单颗粒腐蚀反应以及单颗粒水平电子转移也得到了充分的研究。最后，系统总结了等离子体纳米颗粒参与的PRET和纳米金属表面能量转移以及两者共存系统的研究和分析应用。.我们借助静电吸附构建的PRET探针成功实现了酸性磷酸酶的精准分析。经过系统研究，PRET被理论和实验地证实是一种近距离的能量转移方式。我们采用金三角纳米片实现了焦磷酸根的单颗粒成像分析。并且，单颗粒水平的电子转移过程也可以实时原位成像分析，且发现了一个有趣的“电子转移延迟”效应。.本项目研究的意义在于明确了PRET作用模式的近距离性，为构建新型高效的PRET系统提供了重要的参考价值。同时，开发了一种简单有效的PRET构建方式，具有一定的普适性。另外，光致电子转移过程的延迟效应，对我们探索光致氧化还原的探索具有很强的启示性。总之，本项目对于PRET的理论和应用发展具有重要的推动作用。.