选择性生物相容纳米表面增强拉曼基底的制备及其小动物无损分子影像的应用

Surface-enhanced Raman scattering(SERS), which developed with nano technology is a powerful means for quick, noninvasive, sensitivity, cheap tissue and molecular detection, including cancer tissue detection. Thus, SESR has enormous potential in medical diagnosis and biomedical imaging. This project focuses on basic science issues in nano multilayer SERS substrates, fabricating biocompatible and highly selective SERS substrates, and in vivo tumor targeting and spectroscopic detection by injecting these substrates. In this project, at first, we will use physical vapor deposition directed by theoretical simulation to prepare highly sensitive SERS substrates, such as Ag substrates; then, make the substrates absorbed by Raman label molecular and coated with shell layer to improve biocompatibility; third, conjugate the coated SERS label with selective molecular, including transport selective molecular which is chosen by metabolic process analyze, and absorption selective molecular which is chosen by immunology analyze, and these conjugated SERS probes will be able to detect targeting tissue or molecular; at last, inject these SERS probes into small-animal via tail-vein, detect targeting tumor tissue, and achieve Raman imaging. Our study in this project will also support SERS applications in selective detection of biological tissue and molecular, and medical imaging.

随着纳米技术迅速发展的表面增强拉曼效应能够快速、无损、灵敏、廉价地实现生物组织、细胞的检测，包括癌组织的早期检测，在医学影像及诊断中具有巨大的应用潜力。本项目着眼纳米多层结构拉曼基底中的基础科学问题，制备生物相容的高度选择性的表面增强拉曼基底，实现小动物活体癌组织的拉曼检测，进而实现其癌组织的拉曼成像，推动表面增强拉曼效应在医学诊断中的应用。 在项目研究中采用模拟分析指导物理气相沉积特定纳米结构的高灵敏度表面增强拉曼基底，如银基底；再通过化学方法吸附拉曼标签分子，并制备包覆层以提高生物相容性；通过代谢过程的研究来关联选择性输运的分子，通过免疫学方法关联选择性吸附的分子，使得制备的表面增强拉曼探头能够提供指定生物组织的信息；最后将所制备的探头药剂注入小动物静脉，实现指定癌组织的拉曼检测并得到拉曼影像。本项目的研究也将为表面增强拉曼效应在生物组织选择性检测以及医疗影像中的应用提供研究支撑。

随着纳米技术发展起来的表面增强拉曼效应能够快速、无损、灵敏、廉价地实现生物组织、细胞的检测，包括癌组织的早期检测，在医学诊断以及医学影像中具有巨大的应用潜力。本项目通过制备生物相容的高度选择性的表面增强拉曼基底，并将其混合药剂注入小动物体内，实现小动物活体癌组织的拉曼检测，进而实现其癌组织的拉曼成像，推动表面增强拉曼效应在医学诊断中的应用。. 在项目研究中采用模拟分析指导物理气相沉积特定纳米结构的高灵敏度表面增强拉曼基底；再通过化学方法吸附拉曼标签分子，并制备包覆层以提高生物相容性。主要取得了如下研究进展：.1）通过有限元模拟获得了纳米颗粒二聚体纳米间隙对其近场及远场等离子体行为的影响，为获得高灵敏度的表面增强拉曼基底提供了理论基础。.2）通过实验验证了有限元模拟得出的“hot spots”对纳米结构表面增强拉曼效应影响的结果，并通过在结构中增加“hot spots”的数量，以及提高表面增强拉曼基底衬底层反射率，明显提高了基底的表面增强拉曼效应，为制备高灵敏度的Ag纳米结构表面增强拉曼基底提供了实验基础。.3）通过原子层沉积技术，在Ag纳米结构表面沉积纳米量级厚度的Al2O3以及TiO2薄层，显著提升了Ag纳米结构表面增强拉曼基底的温度稳定性和抗氧化能力，在增强生物相容性的同时，为制备长期稳定有效的Ag纳米结构表面增强拉曼基底提供了实验基础。.4）通过化学修饰，制备了具有良好稳定性和表面增强拉曼信号灵敏度的表面增强拉曼标签，为表面增强拉曼标签用于小动物活体拉曼检测提供了实验基础。. 在后续的研究中，将进一步通过代谢过程的研究关联选择性输运的分子，通过免疫学方法关联选择性吸附的分子，使得制备的表面增强拉曼探头能够提供指定生物组织的信息；最后将所制备的探头药剂注入小动物，实现指定癌组织的拉曼检测并得到拉曼影像。. 本项目的研究也将为表面增强拉曼效应在生物组织选择性检测以及医疗影像中的应用提供科学支撑。