各向异性金纳米粒子的可控组装、多元信号输出及其体外诊断应用

In the present proposal, the applicant and co-workers will study the facet selective modification and structure controllable self-assembly of anisotropic gold nanoparticles (AuNPs) based on colloidal NP fabrication, surface modification chemistry, as well as density functional theory and finite different time-domain calculations. The applicant will also investigate the self-assembly behaviors using binary anisotropic AuNPs as building blocks. Furthermore, the collective properties and/or synergistic effects of the building blocks in the resulting self-assemblies will be employed for modulating and/or outputting various optical signals, such as surface plasmon resonance, surface enhanced raman scattering, resonance light scattering, fluorescence, and circular dichroism, etc. By combination of antigen-antibody, enzyme-substrate specific interactions, the obtained anisotropic AuNPs based self-assembly systems will be constructed the corresponding in vitro diagnostics platforms.

本项目拟以各向异性金纳米粒子的合成为基础，结合表面修饰化学、密度泛函（DFT）和时域有限差分法（FDTD）计算，研究各向异性纳米粒子晶面选择性修饰及其结构可控组装，探索不同形貌的组装基元（二元体系）的组装行为，借助组装基元之间的集合性质和协同效应实现多元信号（表面等离子共振、表面增强拉曼散射、共振光散射、荧光、圆二色光谱等）的调制与输出，以期发展灵敏度高、可靠性强的分析方法与分析策略。进一步结合抗原-抗体、酶-底物等特异性识别作用，构筑基于各向异性金纳米粒子的体外诊断体系，服务于疾病检测、预后和监控，探索其临床应用的可行性。

纳米粒子具有尺寸、组成、形貌依赖的光、电、磁等性质。以纳米粒子为组装基元，可构筑各种同质、异质的纳米超级结构，而调控组装基元间的电荷输运和能量传输行为即可调制其集合性质和协同效应。本项目致力于纳米自组装的分析应用研究，旨在通过组装体结构的理性设计或组装↔解组装的动态转换，实现基于组装体集合性质/协同效应的各种物理信号响应与输出，以期实现优势分析性能、拓展现有的分析方法与分析策略。主要研究内容和成果如下：.1. 发展了各向异性金纳米粒子组装基元、单分散纳米超粒子的制备新方法。1）提出了利用在空气中稳定的还原剂合成金种，制备高产率纳米金锥和金纳米棒的新方法；2）发展了各种动力学调控的原位自组装策略，如温度、浓度、氧化还原电位等调控手段，制备Fe2O3、Au@Cu2-xS、Au@MnO2等同质和异质的纳米超粒子，且其形貌可从各向同性调至各向异性。.2.研究了各向异性纳米超粒子与细胞的相互作用特点。1)实验发现Janus结构的Au@Cu2-xS超粒子细胞摄取是核@壳结构的4倍。2)利用可变形的飞碟状Au@MnO2超粒子为探针，首次发现纳米材料的细胞内吞过程，存在两种动力学过程，速度相差达一个数量级。.3.研究了纳米超粒子的活体成像及代谢行为。1）Au@Cu2-xS纳米超粒子具有光声、光热和CT造影能力，可实现活体水平的多模态成像，且其清晰的核@壳结构，特别适合研究代谢动力学。2）Fe2O3纳米超粒子可实现激活型T1模式的磁共振成像，其及时的解组装赋予其肾脏代谢的特点，这有助于缩短清除时间，提高生物安全性。.4.拓展了基于纳米粒子形貌、结构设计与调制的分析体系。1）发现了金纳米棒直径依赖的刻蚀行为和显色特点。2）设计了基于主客体相互作用增强（二氧化硅-染料）的稳定性，并实现细胞pH变化的成像分析。3）提出了碳纳米粒子“多中心”的发光机制并实现了特定模型氧化应激过程的动态成像分析。.5.阐释了巯基小分子诱导金纳米棒的机制与规律。