基于暗场单颗粒示踪的定量分析方法与应用研究

摘要

由于具有独特的局域表面等离激元共振效应，金纳米颗粒作为性能优良的光学探针，被广泛应用于生物传感与化学分析领域。与传统宏观测量方法相比，以金纳米粒子为探针的单颗粒分析方法在成像和检测方面往往表现出更高的分辨率和灵敏度。研究人员利用显微成像技术，通过分析目标物诱导的纳米探针信号响应，如光谱(或颜色)、强度、数量以及光学各向异性的变化等，已经实现了对气体介质、疾病标志物蛋白和DNA等的超灵敏检测。然而，现有的单颗粒检测技术大多需要对颗粒进行非原位沉积即把颗粒固定在界面上，而非特异性吸附过程中产生的纳米颗粒随机聚集限制了这些技术的应用。因此，发展适用于均相溶液体系的单颗粒检测方法具有十分重要的意义。众所周知，单颗粒示踪技术可以实现复杂体系中单个纳米粒子运动行为的检测并获取其相关动力学参数，然而基于单颗粒示踪技术的定量检测方法尚未被开发。基于此，本论文建立了基于暗场单颗粒示踪的定量分析方法，并探索了该技术在疾病标志物定量检测中的应用。具体工作如下：　　在第2章中，利用纳米粒子流体动力学效应与运动行为的关系，构建了基于暗场单颗粒示踪的定量分析方法，并从分辨能力和抗干扰能力两个方面对该分析方法进行了探究。首先，利用单颗粒示踪技术对五种不同粒径的金纳米颗粒流体动力学粒径进行分析，考察了暗场单颗粒示踪对纳米粒子粒径的区分能力。实验结果表明，两个颗粒粒径差异为5nm时，可被单颗粒示踪技术区分。同时，该方法可以对蛋白质吸附前后金纳米颗粒的流体动力学粒径进行了测量与分辨。此外，该方法还能对金纳米颗粒聚集产生的流体动力学粒径变化进行检测，并通过单颗粒速率分析实现对体系中聚集体与单体的含量进行分析。因此，结合靶标诱导探针聚集的策略，我们利用单颗粒示踪技术可以实现靶标的定量检测，为开发适用于均相溶液体系的单颗粒定量检测方法奠定了基础。　　在第3章中，癌胚抗原(CEA)捕获抗体和检测抗体修饰金纳米颗粒作为探针(Anti-CEA@AuNPs)，结合夹心免疫分析策略，对暗场显微镜示踪技术的单颗粒定量检测能力进行探究。由于加入不同浓度的CEA会引起探针不同程度的团聚，因此通过分析不同CEA浓度下探针的平均速度分布可获得溶液体系中聚集体和单体比例(aggregate-to-monomer ratio)的变化。根据聚集体和单体比例与CEA浓度的关系，可实现对CEA的定量检测，其线性范围为50至750pM，该方法的检测下限为50pM，能够满足临床上CEA检测的需求。同时，该方法展现出良好的选择性和抗干扰能力，可实现对血清样本中CEA的检测。　　由于相机检测性能的局限，该方法需要将反应后的探针分散于高粘度溶剂中进行成像，这在一定程度上限制了该方法的应用。为了解决这一问题，我们尝试引入了液膜受限模型，并利用暗场成像技术对金纳米颗粒的受限运动进行了初步探究，为拓展基于单颗粒速率分析的定量检测方法提供了参考。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 引言

1.2 金纳米颗粒的制备及表面功能化

1.2.1 金纳米颗粒的常见制备方法

1.2.2 金纳米颗粒功能化的常见手段

1.3 金纳米颗粒的重要光学性质及其在生化分析中的应用

1.3.1 金纳米颗粒的局域表面等离激元共振（LSPR）

1.3.2 金纳米颗粒光学探针在生化分析中的应用

1.4 生化分析中研究金纳米颗粒常见的表征手段

1.4.1 紫外-可见消光光谱

1.4.2 动态光散射（DLS）

1.4.3 透射电子显微镜（TEM）

1.4.4 暗场显微镜（DFM）

1.5 基于暗场成像的单颗粒分析技术与应用

1.5.1 单颗粒光谱

1.5.2 单颗粒计数

1.5.3 单颗粒示踪（SPT）

1.6 本论文的研究计划

第 2 章 基于暗场单颗粒示踪的定量分析方法的建立

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂和仪器设备

2.2.2 金纳米颗粒的制备和表征

2.2.3 金纳米颗粒的表面修饰

2.2.4 金纳米颗粒的表面蛋白质吸附实验

2.2.5 金纳米颗粒的盐团聚实验

2.2.6 实时监测金纳米颗粒生长的实验

2.2.7 基于暗场成像的单颗粒示踪实验

2.3 结果与讨论

2.3.1 单颗粒示踪分析方法的理论基础

2.3.2 暗场单颗粒示踪分析方法探究纳米颗粒的流体动力学效应

2.3.2 区分不同表面修饰度的纳米颗粒流体动力学效应的差异性

2.3.3 确定纳米颗粒流体动力学效应中聚集诱导的变化

2.3.4 暗场单颗粒示踪分析用于实时动态检测的探究

2.4 小结

第 3 章 暗场单颗粒示踪分析对癌胚抗原的定量检测

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂和仪器设备

3.2.2 Anti-CEA@AuNPs 免疫探针的制备和表征

3.2.3 Anti-CEA@AuNPs 对 CEA 的定量检测

3.2.4 Anti-CEA@AuNPs 对 CEA 的选择性实验

3.2.5 Anti-CEA@AuNPs 的抗干扰实验

3.2.6 液膜受限模型的构建

3.2.7 基于暗场成像的单颗粒示踪实验

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 暗场单颗粒示踪分析对 CEA 进行比率型定量检测

3.3.2 Anti-CEA@AuNPs 对 CEA 选择性的探究

3.3.3 Anti-CEA@AuNPs 抗干扰能力的探究

3.3.5 液膜受限运动的初步探究

3.4 小结

结 论

参考文献

附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致 谢