开发单颗粒全信息示踪成像技术用于纳米颗粒和细胞相互作用研究

Investigation into the interactions between nanoparticles and cells is critical for the application of nanotechnology in biomedical field and in-depth understanding life activities. Single molecule techniques are powerful tools to study this process. However, previous work generally focused on tracking single nanoparticles by translational motions , namely the change of spatial position. In fact, nanoparticles could not only go translational but also rotational motions，that is, the alteration of its direction. The applicant has already found that unprecedented information could be obtained by tracking rotational motions in biological processes in earlier studies. Therefore, the project intends to overcome the shortcomings and limitations of the existing imaging methods, optimize the dual-channel polarization darkfield microscopy and differential interference contrast microscopy, develop multi-channel polarization imaging techniques and low background total internal reflection illumination microscopic technique, establish single particle full-information (translational and rotational) tracking methods with high sensitivity and high spatial and temporal resolution, systematically develop single molecule data analysis methods, and finally study the details and mechanisms of the interactions between nanoparticles and cells at the single molecule level through full-information tracking. The launching of the project would further promote the development of single molecule technique and have profound impact on scientific research in the field of biology, physics, chemistry.

研究纳米颗粒和细胞相互作用对纳米技术在生物医学领域中的应用和深入认识生命活动有重要意义。单分子技术是考察这一过程的强大工具，但以前的研究工作一般是通过平动示踪，即获得空间位置变化来进行的，而实际上颗粒不仅会平动还会转动,即改变自身方向。课题申请人前期工作研究中发现利用转动来研究生物学过程能够得到前所未有的信息。因此，本项目计划克服已有成像技术的缺点和局限性，优化双通道偏振暗场显微镜和微分干涉相差显微镜成像技术，开发多通道偏振显微成像技术和低背景的全内反照明成像技术，建立高灵敏和高时空分辨率的单颗粒全信息（平动和转动）示踪方法，系统地发展单分子数据分析方法，最后在单分子水平通过全信息示踪研究纳米颗粒和细胞相互作用细节和机制。本项目的开展将会进一步推动单分子成像技术的发展，对生物、物理、化学等领域的科学研究产生深远的影响。

实时示踪单个纳米颗粒的运动轨迹和自身空间方向变化是全面获得化学生物学细节过程和动态机制的一种重要手段。本项目围绕纳米颗粒与细胞相互作用机制问题，从纳米颗粒探针光学性质调控、光学成像技术优化和数据新分析方法建立等几个方面开展了研究。我们使用硫化钠终止金纳米棒再生长的方法可以在600 nm-850 nm范围内准确调节金纳米棒的LSPR波长位置，其误差小于3nm。优化了成像时Nomarski棱镜对偏振分光的影响，最终改善了纳米颗粒空间方向精度。新的数据分析方法能够有效挖掘数据，极坐标系中角度分布能够证实棒状纳米颗粒以端点的方式与细胞膜接触。在纳米颗粒的细胞内吞过程中，平动和转动是相互独立的，两者统一起来才能获得全面信息，但纳米颗粒吸附到细胞表面后都会经历由快变慢，跨膜完成后再变快的过程。此外，我们还将纳米颗粒应用于食品安全领域。如用聚乙烯亚胺（PEI）制备的银纳米簇具有很强的抗菌抑菌能力，PEI分子量越小抑菌能力越大；金银双金属纳米颗粒光学性质可以通过改变两者比例进行调节，并在比色检测时有目的地改变溶液颜色和波长的变化，用这种纳米颗粒实现了钴离子的检测；枝状金纳米颗粒具有高比表面积，基于汞会引进其形状的变化开发了高灵敏高选择性的汞离子定量检测方法等。我们建立的成像方法对认识细胞生命活动和纳米材料在生物医药中的应用有重要意义，开发的基于纳米颗粒的检测技术方法助力于食品安全。