一种不受背景干扰的多目标贵金属纳米粒子对的增强图像的同时提取方法

摘要

本发明公开了一种不受背景干扰的多目标贵金属纳米粒子对的增强图像的同时提取方法。本发明针对有大分子团存在的复杂生物环境，利用贵金属纳米粒子对的表面等离子体共振耦合效应，公开一种方法，该方法可实现方位随机分布的贵金属纳米粒子对最佳激发条件的同时匹配和剔除大分子背景噪声。该方法可实现在有大分子团噪声干扰的生物环境中无目标丢失的同时显影方位随机分布的每个贵金属纳米粒子对。

说明书

技术领域

本发明属于生命科学研究中的单分子识别与纳米探针技术领域，涉及到金 属纳米探针对的探测，特别涉及到待测面内稀疏散落且方位随机的多个纳米金 属探针对最佳增强振幅图像的同时获取方法。

背景技术

具有表面等离子体共振效应的贵金属纳米粒子，例如金纳米粒子，具有高 亮度、无光漂白、生物兼容性好等特点，因而成为一种备受关注的生物分子探 针的标记物。不仅如此，他们具有独特的表面等离子体共振效应，在可见到近 红外波段展现出极强的吸收，尤其当两个粒子靠近在一起发生表面等离子体共 振耦合时，在该粒子对的间隙处产生增强的电场，可比单个粒子的消光强度增 大数倍。因此贵金属纳米粒子对的使用在增强分子影像图像和生物传感灵敏度 等方面具有重要的价值和广阔的应用空间。但是这种增强作用却强烈依赖于激 发条件，要求激发光的偏振态需要与该对粒子的中心连线构成的轴心匹配才能 获得最佳增强效果，例如如图1所示，当激发光的偏振态与粒子对的轴线平行 时，增强最大；当两者垂直时，增强效果最小。在待测样品的测试中会同时存 在多个粒子对，每对粒子的轴线的空间排列和位置分布都是随机的，如果仅使 其中的部分目标获得匹配，而将其图像增强显现出来，其它未获得增强的目标 影像会被淹没而丢失，因此需要对所有随机排列的粒子对都进行增强条件匹配。 除此之外，在生物样品中还存在有生物大分子团，他们尺寸上的优势足以淹没 贵金属纳米粒子对的信号。因此在有大分子团干扰的生物环境中无目标丢失的 探测到贵金属纳米粒子对是进行定量生化分析的关键，本发明的提出可在有大 分子团干扰的生物环境中实现多目标粒子对激发条件的自动匹配和无粒子对丢 失的最佳增强图像的同时显影。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在有大分子团干扰的生物环境中实现待测面内 方位随机排列的多个纳米金属探针对的最佳增强图像的自动激发条件匹配和同 时获取方法。

本发明的技术方案为：

一种不受背景干扰的多目标贵金属纳米粒子对的增强图像的同时提取方 法，其特征是贵金属纳米粒子为具有表面等离子体共振效应的金属纳米粒子， 在被测平面内连续改变贵金属纳米粒子对的轴线与入射光激发偏振态之间的夹 角，使得被测平面内的每一对贵金属粒子的轴线在测量精度内获得同等的偏振 态匹配机会。具体包括如下步骤：

步骤1：设定入射光的波长为贵金属纳米粒子对产生的表面等离子体共振 耦合波长；

步骤2：入射光的偏振态在被测平面内的投影方向为P,以设定的步长连续 旋转P的方向半周或半周的整数倍；每旋转一个步长，测量并记录一幅振幅图 像；完成全部旋转后，获得n幅振幅图像；

步骤3：将步骤2获得的n幅图像关于被测平面坐标系复位重叠；针对被 测平面上的同一个位置点将所有振幅图像进行原位比对，若强度变化率小于设 置的阈值，则该测试点被判定为杂质，并予以剔除；

步骤4：重复步骤3，对被测平面上的每一个点进行杂质判断与剔除；

步骤5：将剔除了杂质后的所有振幅图像进行原位叠加，叠加后生成的图 像为每对贵金属纳米粒子都获得了入射光偏振态与其轴线匹配的增强图像；

所述的步长的设定原则为：取值范围为0到45度，步长设置的越小，靶标 的识别精度越高，测量所耗费的时间越长；

所述的振幅图像的强度变化率为同一个被测点在n幅图像中的最大值除以

最小值；振幅图像的强度变化率阈值的取值范围为大于等于2。

本发明的效果是在有大分子存在的复杂生物环境中可高灵敏度的实现由贵 金属纳米粒子对标记的多目标识别和同时显影。

附图说明

附图1是粒子间耦合电场振幅随入射光线偏振方向与粒子对中心连线的夹 角的变化关系仿真计算结果图。图中：直径分别为60nm的两个金粒子构成的球 心间距为65nm的粒子对；X轴为入射光线偏振方向与粒子对中心连线的夹角(单 位：度)；Y轴为双粒子耦合电场振幅相对于X为90度时的归一化。

附图2是单个贵金属纳米粒子、生物大分子团、贵金属粒子对共存的测试 样品在入射线偏振光不同方向角时增强变化示意图。

图中：1单个贵金属纳米粒子；2贵金属粒子对；

3和4：生物大分子团；5存在于粒子对间隙处的增强电场；

表示入射光的偏振态方向。

具体实施方式

附图2为单个贵金属纳米粒子、生物大分子、贵金属粒子对共存的测试样 品在入射光偏振方向不同时增强变化示意图，入射光的偏振态从与被测平面坐 标系的X轴夹角为0度为起点按照顺时针方向旋转，图中示意了4个旋转位置。 以一对金球为例，两个金球的直径分别为60nm，球心间距为65nm，如附图1所 示，在旋转的过程中随着入射光线偏振方向的改变，双粒子间隙处的表面等离 子体共振耦合增强强度发生强烈的变化。当偏振态与双粒子中心连线平行时， 耦合增强最大；而当偏振态垂直于双粒子中心连线时，耦合增强消失。单个金 属纳米粒子和生物大分子团不具有表面等离子体共振耦合增强效应，在旋转过 程中，其振幅强度的变化率远小于双金属纳米粒子的振幅强度的变化率。一种 不受背景干扰的多目标贵金属纳米粒子对的增强图像的同时提取方法，其特征 是贵金属纳米粒子为具有表面等离子体共振效应的金属纳米粒子，在被测平面 内连续改变贵金属纳米粒子对的轴线与入射光激发偏振态之间的夹角，使得被 测平面内的每一对贵金属粒子的轴线在测量精度内获得同等的偏振态匹配机 会，包括如下步骤：

步骤1：设定入射光的波长为贵金属纳米粒子对产生的表面等离子体共振 耦合波长；

步骤2：入射光的偏振态在被测平面内的投影方向为P,以设定的步长连续 旋转P的方向半周或半周的整数倍；每旋转一个步长，测量并记录一幅振幅图 像；完成全部旋转后，获得n幅振幅图像；

步骤3：将步骤2获得的n幅图像关于被测平面坐标系复位重叠；针对被 测平面上的同一个位置点将所有振幅图像进行原位比对，若强度变化率小于设 置的阈值，则该测试点被判定为杂质，并予以剔除；

步骤4：重复步骤3，对被测平面上的每一个点进行杂质判断与剔除；

步骤5：将剔除了杂质后的所有振幅图像进行原位叠加，叠加后生成的图 像为每对贵金属纳米粒子都获得了入射光偏振态与其轴线匹配的增强图像；

一种不受背景干扰的多目标贵金属纳米粒子对的增强图像的同时提取方 法，其特征是步长的设定原则为：取值范围为0到45度，步长设置的越小，靶 标的识别精度越高，测量所耗费的时间越长；

一种不受背景干扰的多目标贵金属纳米粒子对的增强图像的同时提取方 法，其特是振幅图像的强度变化率为同一个被测点在n幅图像中的最大值除以 最小值；

一种不受背景干扰的多目标贵金属纳米粒子对的增强图像的同时提取方 法，其特是振幅图像的强度变化率阈值的取值范围为大于等于2。