等離子激元單顆粒納米生物探針界面調控與應用

沈晶晶　張磊

【摘 要】本研究主要利用不同形貌、尺寸的單個等離子激元納米顆粒為基底，實現了高靈敏的生物傳感，檢測靈敏度達到單分子水平;結合DNA特異雜交與折紙技術，實現生物分子在等離子激元界面狀態的精確調控，并對其形態轉變的動力學過程進行觀測。經過多年的研究，我們在單顆粒水平上構建了一系列基于等離子激元的高靈敏高選擇性納米生物傳感器，這些創新成果推動了納米生物傳感分析化學的發展。

【關鍵詞】等離子激元;生物探針;單顆粒;界面調控

中圖分類號： TB383.1 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）14-0001-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.001

Surface Regulation of Single Plasmonic Nanoparticle and its Application in Biological Nanoprobe

SHEN Jing-jing ZHANG Lei

（Key Laboratory for Organic Electronics & Information Displays and Institute of Advanced Materials，

，Nanjing Jiangsu 210023，China）

【Abstract】In this study， single plasmon nanoparticles with different morphologies and sizes were used as the substrate to achieve highly sensitive biological sensing， and the detection sensitivity reached the single-molecule level. Combining DNA specific hybridization and origami technology， the precise regulation of biomolecules in plasmon interface state was realized， and the kinetic process of morphological transformation was observed. After years of research， we have constructed a series of highly sensitive and highly selective nanobiosensors based on plasmons at the single-particle level. These innovative achievements have promoted the development of nanobiosensor analytical chemistry.

【Key words】Plasmon;Biological probe;Single-nanoparticle;Surface control

等離子激元光學（Plasmonics）領域屬于國際前沿研究領域，近年來得到飛速發展[1-2]。等離子激元（Plasmon）與光波相互作用時，會產生表面等離子共振（SPR）散射現象，其散射光譜主要依賴于納米顆粒（如Au膜、Au納米顆粒、Ag納米立方體等）的形狀、大小、距離以及顆粒本身及其周圍環境的介電常數。這些參數的細微變化將引起表面自由電子密度、電子的震蕩頻率的顯著改變，從而造成包括吸收和散射光學性質的改變，因此其散射光譜可靈敏反應出等離子激元界面的介電常數的細微變化（圖1）。如通過化學或生物方法在其表面修飾特異性識別分子用于生物、化學傳感器研究，不但具有極高的選擇性和靈敏度，而且較之熒光染料，其光穩定性和光強度得到極大的改善。基于金屬納米顆粒構建功能性納米材料探針并以其為基礎設計光學納米傳感器，在分子診斷、納米傳感、信息存儲、環境監測以及各種交叉學科領域具有廣闊的應用前景。

本課題組以等離子激元納米材料的設計、組裝及生物傳感應用為目標，圍繞“形貌調控、可控自組裝、表面功能化與等離子激元光學性能的相互關系”這一關鍵科學問題，沿著“形貌-組裝-功能化-性能”這一研究主線開展工作并取得了系統性和創新性的成果：研究成果為在單個納米顆粒水平上進行生物分子構型操控與實時觀測，甚至進行單分子水平的高靈敏生物傳感檢測奠定了基礎。

1 單顆粒SPR生物傳感器

通過監測雙金屬耦合作用對等離子激元光譜的影響，已經可以在微納環境中實現高靈敏的分析檢測，并成功應用于活細胞中抗癌藥物抑制新陳代謝的動力學過程監測[3]，該研究從單顆粒等離子激元光譜學出發，設計了可用于活細胞內的性能優異的針對痕量Cu2+離子及乙醇等生物分子的高靈敏納米等離子光學生物探針，并將之應用于腫瘤細胞內部NADH分布與Cu2+的痕量檢測，為考察細胞內部代謝過程提供了新的研究思路和依據，并可有效的應用于藥物篩選。這一研究結果首次實現了單個活細胞內單個納米等離子激元顆粒散射光譜的檢測與分析，進一步豐富了等離子激元應用于納米生物傳感的研究內容。該方法無需進行特異性修飾也能達到高選擇性，同時也可體現在乙醇、葡萄糖等生物小分子的高靈敏檢測方面的潛在應用價值。

此外，等離子激元納米材料的形貌是提高其生物傳感靈敏度的決定性因素，課題組從形貌的調控方面入手，并結合FDTD仿真計算輔助設計（圖2），長期以來系統性的考察了各種形貌的貴金屬納米顆粒（金納米球、金納米立方體、金納米棒、金納米星、銀納米立方體、金核銀殼納米立方體等）的LSPR光學性質，并進行橫向對比發現，具有尖銳棱角的結構在將其用于生物傳感時將獲得更高的檢測靈敏度，僅受限于檢測儀器的分析窗口要求。本課題組在這一普適性原理的指導下，依照前期豐富的生物分子有序組裝經驗，利用DNA互補序列的雜交特性和生物分子間的特異性結合能力，調控單個等離子激元納米顆粒界面微環境的折射率，從而誘導SPR散射光譜峰產生移動并可直觀的裸眼識別其顏色變化。開發出的一系列針對腫瘤標志物等生物分子的表面等離子激元共振散射生物傳感器，可用于痕量生物分子的高靈敏檢測與實際應用[4-7]。

2 單分子界面調控與應用

早期的生物傳感器研究主要集中在利用納米材料高比表面積的特性使傳感界面上修飾的功能分子的數量增加而增強其檢測靈敏度，而忽略了其在表界面上的形態對其生物活性的影響而導致生物傳感器的效率提高不多。

界面修飾功能分子形態對等離子激元傳感器光物理性質影響巨大，我們課題組提出一種新的研究生物大分子在納米等離子激元界面反應的動力學過程方法，并基于這一手段同時采用可控定向修飾的表面功能化新策略，并利用等離子激元散射光譜可實現生物大分子在納米顆粒表面形態的精確分析。

我們基于SPR納米生物傳感的高靈敏性能，課題組利用等離子激元Au@Ag納米立方體為基底，原位監測了單鏈DNA在K+離子存在條件下于其界面發生折疊的動力學過程[8]，并采用特異雜交或酶切等方法在單顆粒等離子激元表面精確操控DNA折紙技術制備的DNA三維結構的形態，不但觀測到了單個DNA分子在與納米顆粒的碰撞與雜交過程，同時也在單個納米顆粒上實現了多階光學存儲與多種邏輯運算[9]。我們的研究成果對生物分子界面形態的研究以及開發高靈敏DNA生物傳感器具有重大的科學價值與研究意義。

3 小結與展望

我們致力于解決納米界面生物分子形態調控難，且分子界面形態分析監測手段匱乏等在納米生物傳感領域的關鍵科學問題，為等離子激元納米材料在生物醫學領域應用開拓了新的研究方向。但其傳感靈敏度與多功能化水平還有待進一步提高，通過定向偶聯和自組裝技術，將具有多種功能的納米等離子激元顆粒可控自組裝形成等離子激元納米簇。納米團簇結構材料的等離子體共振可調特性及調節因素較豐富的特點在SPR和SERS傳感器等的設計上都極為有用，可以有效的將SPR傳感的定量分析與SERS光譜的定性分析有機的結合在一起，我們在該領域進行了初步的探索，利用SERS技術可在單顆粒水平上進一步提高納米生物探針的檢測靈敏度[10]，這也必將會是未來的熱點研究方向。

【參考文獻】

[1]Van Duyne R P，Haes A J， McFarlandA D.Nanoparticle optics： sensing with nanoparticle arrays and single nanoparticles. Proceedings of SPIE -The International Society for Optical Engineering， 2003.

[2]Long YT， Jing C. Localized Surface Plasmon Resonance Based Nanobiosensors. Springer， 2014.

[3]Zhang L， Li Y， Li DW， et al. Single Gold Nanoparticles as Real-Time Optical Probes for the Detection of NADH-Dependent Intracellular Metabolic Enzymatic Pathways. Angew. Chem. Int. Ed.， 2011， 50： 6789-6792.

[4]Hu YL， Zhang L， Zhang Y， et al. Plasmonic Nanobiosensor Based on Hairpin DNA for Detection of Trace Oligonucleotides Biomarker in Cancers. ACS Appl. Mater. Inter.， 2015， 7： 2459-2466.

[5]Zhang L， Zhang Y， Hu YL， et al. Refractive index dependent real-time plasmonic nanoprobes on single silver nanocube for ultrasensitive detection of the lung cancer-associated miRNAs. Chem. Commun.， 2015， 51： 294-297.

[6]Zhang L， Wang JH， Zhang JX， et al. Individual Au-Nanocube Based Plasmonic Nanoprobe for Cancer Relevant MicroRNA Biomarker Detection. ACS Sensor.， 2017， 2： 1435-1440.

[7]Zhang L， Zhang JX， Wang F， et al. An Au@Ag nanocube based plasmonic nano-sensor for rapid detection of sulfide ions with high sensitivity. RSC Adv.， 2018， 8： 5792-5796.

[8]Tian YY， Zhang L， Shen JJ， et al. An Individual Nanocube-Based Plasmonic Biosensor for Real-Time Monitoring the Structural Switch of the Telomeric G-Quadruplex. Small， 2016， 12： 2913-2920.

[9]Zhang Y， Shuai ZH， Zhou H， et al. Single-molecule analysis of microRNA and logic operations using a smart plasmonic nanobiosensor. J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140： 3988-3993.

[10]Tian YY， Shuai ZH， Shen JJ， et al. Plasmonic Heterodimers with Binding Site-Dependent Hot Spot for Surface-Enhanced Raman Scattering. Small， 2018， 14： 1800669（1-9）.