基于纳米粒子探针的光学成像新方法研究

论文摘要

生命科学的迅速发展要求人们从单细胞和单分子水平上原位、活体、实时地了解物质之间的相互作用以及生命的过程。近年来新兴的单分子光学成像技术以其高的灵敏度和分辨率正好适应这一发展的要求,而且它们自诞生以来就一直处于迅速的发展中,成为当今生命科学及相关学科研究的前沿和热点。与此同时,这些基于光学手段的生物成像技术除了光学构型的革新和改进之外在很大程度上还依赖于灵敏而稳定的光学探针的使用。理想的光学探针应该具有以下特点:信号强;稳定,不易发生光漂白;体积小,对标记的宿主分子影响小;能够与宿主分子可控结合;化学惰性。遗憾的是,至今没有任何一种光学探针达到理想探针的要求。本论文主要从光学探针和光学成像方法两方面入手,通过选择并优化合适的纳米粒子以及改进现有的光学成像技术,发展基于纳米粒子探针的光学成像新方法以实现高灵敏、稳定、快速的生物成像。主要研究工作包括如下几个方面:1)利用全内反射荧光成像技术分别对水相合成的CdTe量子点和有机相合成的CdSe/ZnS量子点进行了荧光成像,并且通过对其荧光强度的跟踪获得了量子点在单粒子尺度上的荧光发射轨迹。我们发现在巯基丙酸、谷胱甘肽等含巯基配体的水溶液中合成的CdTe量子点不存在有机相合成量子点的荧光闪烁现象。进一步的实验证实巯基配体对量子点闪烁的抑制起到了至关重要的作用。最后,我们使用水相合成的CdTe量子点作为荧光探针成功地用于癌细胞的靶向成像。这些研究结果表明水相合成的CdTe量子点由于具有良好的水溶性,高亮度及不闪烁的特征可作为较好的荧光探针用于单分子检测及生物成像领域。2)分别使用系综荧光光谱、荧光相关光谱、荧光显微镜等不同的光学技术研究了粒径范围在16 ~ 55 nm的金纳米粒子的光学性质,发现该粒径范围的金纳米粒子具有一定的荧光。而且,随着粒径的增加,金纳米粒子的荧光发射波长几乎保持不变,约为610 nm,其发射峰的半峰宽约为17 nm。尽管这些金纳米粒子的荧光量子产率很低,但在较高激发强度下它们具有足够强的荧光亮度可在单粒子尺度上被荧光显微镜和荧光相关光谱仪器所检测。尤其重要的是,在强光照射下,金纳米粒子不漂白。基于金纳米粒子的抗漂白性质以及细胞自荧光易漂白的特点,我们发展了一种以金纳米粒子作为荧光探针的细胞成像新方法。该方法的主要原理是活细胞经金纳米粒子培育或特异性标记后,利用光照将细胞自荧光迅速漂白,然后观察细胞内部或细胞膜上的金纳米粒子。基于上述原理,我们使用金纳米粒子作为探针或者靶向探针成功实现HeLa癌细胞的荧光成像。而且,利用全内反射荧光显微镜甚至不需要经过光漂白步骤就能够实现以金纳米粒子作为荧光探针的细胞膜成像。3)金纳米粒子在光照下由于表面等离子体共振效应会产生强烈的散射信号,然而目前使用金纳米粒子作为散射光探针的生物成像方法主要局限于暗场显微镜、视频增强微分干涉相衬显微镜等传统光学成像技术。本文基于全内反射荧光显微镜平台,设计了一套物镜型隐失波散射成像系统。该系统通过使用一系列自制毫米级小孔对金纳米粒子的散射光和激光的反射光束进行有效分离,实现单个金纳米粒子的隐失波散射检测及溶液中单个金纳米粒子的快速跟踪。在本章中,我们详细阐述了物镜型隐失波散射成像的实现原理以及研究了激光入射角、小孔孔径和视场光阑开口直径等参数对该系统散射成像的影响。结果表明:通过适当地调节激光光束的入射角,小孔可应用的孔径范围位于2.5 mm到4 mm之间。最后,我们使用该隐失波散射成像技术成功实现了活细胞膜上单个金纳米粒子的跟踪,并且进一步研究了单个金纳米粒子在活细胞膜上的扩散行为并计算其相应的扩散系数。我们的研究结果表明以金纳米粒子作为光学探针的隐失波散射成像技术是一种非常具有前途的用以研究活细胞膜动力学的工具。而且,物镜型的光学配置构型更便于样品的放置,使得这种以金纳米粒子作为散射光探针的表面成像方法与膜片钳、原子力显微镜、扫描电化学显微镜等其他探测技术联用成为可能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 传统光学成像技术
• 1.2.1 明场显微术
• 1.2.2 暗场显微术
• 1.2.3 偏光显微术
• 1.2.4 相衬和微分干涉相衬显微术
• 1.3 单分子光学成像技术
• 1.3.1 宽场落射荧光显微术
• 1.3.2 全内反射荧光显微术
• 1.3.3 激光扫描共焦显微术
• 1.3.4 近场扫描光学显微术
• 1.4 光学探针
• 1.4.1 有机荧光染料
• 1.4.2 量子点
• 1.4.3 贵金属纳米粒子
• 1.4.4 其它纳米粒子
• 1.5 全内反射荧光显微镜
• 1.5.1 工作原理
• 1.5.2 全内反射荧光显微镜实验技术
• 1.5.3 在单分子检测中的研究进展
• 1.6 本论文的选题思路
• 参考文献
• 第二章 量子点荧光成像及光学行为研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂
• 2.2.2 碲氢化钠的合成
• 2.2.3 CdTe 量子点的水相合成
• 2.2.4 CdTe 量子点的表征
• 2.2.5 样品的制备
• 2.2.6 细胞培养
• 2.2.7 物镜型全内反射荧光成像系统的构建
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 水相合成CdTe 量子点的荧光成像
• 2.3.2 单个CdTe 量子点的荧光光谱
• 2.3.3 水相合成CdTe 量子点的非闪烁行为
• 2.3.4 有机相合成CdSe/ZnS 量子点的荧光闪烁
• 2.3.5 巯基配体对量子点闪烁的抑制
• 2.3.6 HeLa 癌细胞成像
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 金纳米粒子荧光成像方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂
• 3.2.2 金纳米粒子的制备
• 3.2.3 金纳米粒子的表征
• 3.2.4 anti-EGFR/GNPs 的制备
• 3.2.5 细胞培养
• 3.2.6 金纳米粒子与细胞共同培养
• 3.2.7 anti-EGFR/GNPs 特异性标记癌细胞
• 3.2.8 荧光成像系统
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 金纳米粒子的TEM 表征
• 3.3.2 金纳米粒子溶液的紫外-可见吸收及荧光光谱
• 3.3.3 金纳米粒子溶液的荧光相关光谱
• 3.3.4 金纳米粒子的荧光成像及其抗漂白的性质
• 3.3.5 基于细胞自荧光漂白的癌细胞成像
• 3.3.6 金纳米粒子作为荧光靶向探针的癌细胞成像
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 金纳米粒子隐失波散射成像方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂
• 4.2.2 金纳米粒子的制备
• 4.2.3 anti-EGFR/GNPs 的制备
• 4.2.4 细胞培养
• 4.2.5 物镜型隐失波散射成像系统的构建
• 4.2.6 数据处理
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 物镜型隐失波散射成像原理
• 4.3.2 隐失波散射成像系统的优化
• 4.3.3 溶液中金纳米粒子的散射成像
• 4.3.4 溶液中金纳米粒子的跟踪
• 4.3.5 活细胞膜上单个金纳米粒子的跟踪
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 全文总结
• 符号与标记
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文