单颗粒暗场光散射成像：灵敏度、准确度提升及多靶物分析应用研究

摘要

独特的斜射照明方式使暗场光散射成像具有无背景信号、信噪比高及分辨率高等独特优势。贵金属纳米颗粒作为等离子体探针具有光学信号强、光稳定性高、光学性质可调及易标记等优势。将单个贵金属纳米颗粒作为光学探针，与暗场光散射成像技术结合后获得单颗粒暗场光散射成像技术。单颗粒暗场光散射成像技术具有传统成像技术无法比拟的优势，如高灵敏度、高分辨率及精准的局域信息，因此，在单纳米颗粒水平监控动态反应过程和空间分辨方面具有广阔的应用前景。然而，单颗粒暗场光散射成像技术仍存在一定局限性，例如对单纳米颗粒局域表面等离子体共振性质研究不完善、暗场成像结果准确度不高及无法实现定量分析多靶物等。
　　本论文围绕上述研究难点和问题，在单颗粒暗场光散射成像技术的成像性能改进及多靶物分析检测应用方面开展了如下具体工作：
　　1.径向比对单个金纳米棒光散射分析灵敏度的影响
　　首先，我们制备出具有不同形貌的金纳米颗粒（AuNPs），利用暗场光学显微镜与扫描电子显微镜对同一批次纳米颗粒进行共定位，研究形貌与其散射光性质的关系。结果显示，在暗场显微镜下散射绿光的为球形或者立方纳米颗粒，散射黄光的为椭球形颗粒，散射红光的为棒状纳米颗粒，并且径向比越大的纳米颗粒其散射光的红色程度越大。接下来，我们将纳米颗粒置于具有不同折光指数的介质中观察其散射光的变化，发现径向比越大的金纳米棒（AuNRs）对折光指数的变化响应越灵敏。该研究为进一步筛选具有高灵敏度的探针颗粒提供了理论基础。
　　2.内标纳米颗粒提高暗场光学成像的准确度
　　手工操作会在暗场光学成像结果中引入一些不可避免的误差。为了校准这一部分误差，我们引入内标纳米颗粒（IR），利用IR的散射光信号来校准探针纳米颗粒的散射光信号。我们选用未经修饰的AuNPs作为IR，选择银纳米颗粒（AgNPs）或者修饰后的AuNPs作为探针纳米颗粒。首先，我们考察了这种内标法的使用是否可行。结果表明，在不发生化学反应或者经受外界物理刺激的情况下，IR与探针纳米颗粒散射光强度的比值保持不变，证明这种方法是可行的。接下来，我们做了三组实验考察引入IR对暗场下探针光学信号准确度的影响：（1）室温下监控AgNPs在空气中的氧化过程；（2）利用AuNPs催化葡萄糖产生的过氧化氢（H2O2）降低AgNPs散射光强度来测定葡萄糖的浓度；（3）研究AuNPs与染料四甲基罗丹明（TAMRA）或者Cy3发生等离子体共振能量转移（PRET）后散射光的变化。结果表明，未经修饰的AuNPs作为IR可以大大提升探针纳米颗粒暗场光散射成像结果的准确度。
　　3.金纳米颗粒与染料发生等离子体共振能量转移效率与供受体之间距离的关系
　　我们将内标法进一步引入到对PRET的理论研究中。粒径为50nm的AuNPs的散射峰位于550nm左右，而染料TAMRA和Cy3在550nm左右具有强吸收。当纳米颗粒与染料之间距离足够近时，两者之间能够发生PRET。其中，AuNPs作为供体，染料作为受体。我们将纳米颗粒与染料利用双链DNA连接在一起，通过调节双链DNA的长度来调控供受体之间的距离，并考察不同距离下AuNPs散射光变化情况，这样就能得到供受体之间的距离对PRET效率的影响。时域有限差分方法（FDTD）模拟结果和实验结果均表明，供受体之间的距离确实会影响PRET效率，两者之间距离越近，则PRET效率越高。
　　4.双色光学探针对两种疾病标志物的同时检测
　　我们在载玻片表面修饰甲胎蛋白（AFP）抗体和癌胚抗原（CEA）抗体。加入AFP和CEA后，修饰有AFP抗体的AuNPs和修饰有CEA抗体的AgNPs通过形成三明治免疫夹心结构而结合到玻片表面。金纳米颗和银纳米颗在暗场下分别散射绿光和蓝光，通过计数暗场光散射成像图片中绿色光斑和蓝色光斑的数量就能实现同时检测AFP和CEA，检测范围为0.5-100ng/mL。我们进一步考察了AFP和CEA在同时检测中的相互干扰，发现当两者浓度在0.5-10ng/mL时不存在相互干扰。并且我们构建的这种方法能够用于多靶物检测，只要使用散射多种颜色的纳米光学探针，便能实现对多种靶物的同时灵敏检测。
　　总之，本论文对单颗粒暗场光散射成像分析从灵敏度、准确度、靶物检测三方面做了改进，并研究了在暗场光散射成像分析中占有重要地位的 PRET的理论部分，这对于实现更简便、更灵敏的分析检测方法具有重要意义。

目录

声明

第1章 选题依据及研究内容

1.1 研究意义

1.2 研究现状

1.3 研究内容和拟解决的关键问题

第2章 单金纳米棒光散射分析化学：径向比与光散射成像分析灵敏度研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 结论

第3章 金纳米颗粒作为内标提升暗场显微成像准确度

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 总结

第4章 供受体之间距离对金纳米颗粒与染料之间等离子体共振能量转移（PRET）效率的影响

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 总结

第5章 双色光学探针用于对双癌症标志物的同时定量检测

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 结论

第6章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 论文创新点

6.3 展 望

参考文献

附录

科研成果

致谢