基于納米粒子探針的光學成像新方法研究.pdf

1、生命科學的迅速發(fā)展要求人們從單細胞和單分子水平上原位、活體、實時地了解物質(zhì)之間的相互作用以及生命的過程。近年來新興的單分子光學成像技術以其高的靈敏度和分辨率正好適應這一發(fā)展的要求，而且它們自誕生以來就一直處于迅速的發(fā)展中，成為當今生命科學及相關學科研究的前沿和熱點。與此同時，這些基于光學手段的生物成像技術除了光學構型的革新和改進之外在很大程度上還依賴于靈敏而穩(wěn)定的光學探針的使用。理想的光學探針應該具有以下特點：信號強；穩(wěn)定，不易發(fā)生光漂

2、白；體積小，對標記的宿主分子影響?。荒軌蚺c宿主分子可控結合；化學惰性。遺憾的是，至今沒有任何一種光學探針達到理想探針的要求。本研究從光學探針和光學成像方法兩方面入手，通過選擇并優(yōu)化合適的納米粒子以及改進現(xiàn)有的光學成像技術，發(fā)展基于納米粒子探針的光學成像新方法以實現(xiàn)高靈敏、穩(wěn)定、快速的生物成像。主要研究內(nèi)容如下： ⑴利用全內(nèi)反射熒光成像技術分別對水相合成的CdTe量子點和有機相合成的CdSe/ZnS量子點進行了熒光成像，并且通過對

3、其熒光強度的跟蹤獲得了量子點在單粒子尺度上的熒光發(fā)射軌跡。我們發(fā)現(xiàn)在巰基丙酸、谷胱甘肽等含巰基配體的水溶液中合成的CdTe量子點不存在有機相合成量子點的熒光閃爍現(xiàn)象。進一步的實驗證實巰基配體對量子點閃爍的抑制起到了至關重要的作用。最后，我們使用水相合成的CdTe量子點作為熒光探針成功地用于癌細胞的靶向成像。這些研究結果表明水相合成的CdTe量子點由于具有良好的水溶性，高亮度及不閃爍的特征可作為較好的熒光探針用于單分子檢測及生物成像領域。

4、 ⑵分別使用系綜熒光光譜、熒光相關光譜、熒光顯微鏡等不同的光學技術研究了粒徑范圍在16～55 nm的金納米粒子的光學性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)該粒徑范圍的金納米粒子具有一定的熒光。而且，隨著粒徑的增加，金納米粒子的熒光發(fā)射波長幾乎保持不變，約為610 nm，其發(fā)射峰的半峰寬約為17 nm。盡管這些金納米粒子的熒光量子產(chǎn)率很低，但在較高激發(fā)強度下它們具有足夠強的熒光亮度可在單粒子尺度上被熒光顯微鏡和熒光相關光譜儀器所檢測。尤其重要的是，在強光照射

5、下，金納米粒子不漂白。基于金納米粒子的抗漂白性質(zhì)以及細胞自熒光易漂白的特點，我們發(fā)展了一種以金納米粒子作為熒光探針的細胞成像新方法。該方法的主要原理是活細胞經(jīng)金納米粒子培育或特異性標記后，利用光照將細胞自熒光迅速漂白，然后觀察細胞內(nèi)部或細胞膜上的金納米粒子?；谏鲜鲈?，我們使用金納米粒子作為探針或者靶向探針成功實現(xiàn)HeLa癌細胞的熒光成像。而且，利用全內(nèi)反射熒光顯微鏡甚至不需要經(jīng)過光漂白步驟就能夠?qū)崿F(xiàn)以金納米粒子作為熒光探針的細胞膜成

6、像。 ⑶金納米粒子在光照下由于表面等離子體共振效應會產(chǎn)生強烈的散射信號，然而目前使用金納米粒子作為散射光探針的生物成像方法主要局限于暗場顯微鏡、視頻增強微分干涉相襯顯微鏡等傳統(tǒng)光學成像技術。本文基于全內(nèi)反射熒光顯微鏡平臺，設計了一套物鏡型隱失波散射成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過使用一系列自制毫米級小孔對金納米粒子的散射光和激光的反射光束進行有效分離，實現(xiàn)單個金納米粒子的隱失波散射檢測及溶液中單個金納米粒子的快速跟蹤。在本章中，我們詳細闡述

7、了物鏡型隱失波散射成像的實現(xiàn)原理以及研究了激光入射角、小孔孔徑和視場光闌開口直徑等參數(shù)對該系統(tǒng)散射成像的影響。結果表明：通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)激光光束的入射角，小孔可應用的孔徑范圍位于2.5 mm到4 mm之間。最后，我們使用該隱失波散射成像技術成功實現(xiàn)了活細胞膜上單個金納米粒子的跟蹤，并且進一步研究了單個金納米粒子在活細胞膜上的擴散行為并計算其相應的擴散系數(shù)。我們的研究結果表明以金納米粒子作為光學探針的隱失波散射成像技術是一種非常具有前途的用