基于复合纳米探针的超分辨、高灵敏拉曼光谱技术的研究

Study on the mechanism of various activities and mass transfer of a living cell is considered of great importance for early diagnosis and treatment of diseases, also for a deeper understanding of human life. In recent years, one-dimensional nano-materials based cell nano-probe has attracted a lot of interests, due to their advantages of diversity, simple synthesis, and its nanometer scale. However, the spatial and spectral resolutions as well as the probing sensitivity of most existing nano-probes are severely restricted, because of the very limited signals of endogenous fluorophore and Raman molecules. In this project, we propose a new method for in situ and real-time super-resolution and high-sensitivity cell endoscopy based on a special nano-structure of ZnO-Au composite nano-probe, in which the wave-guiding property of ZnO nanowire and the surface enhancing possibility of Au nanoparticle are fully utilized. Through micro-nano manipulation, the composite nano-probe can be injected into a cell, realizing a super-resolution spatially; combining the SERS with Epi-CARS techniques, weak-signal detection and high-resolution spectroscopy can be accomplished. Benefitting from the new method and techniques, we will observe the spectral response of sub-cellular structures and components to internal/external stimuli. Besides, we will bring drug into cells by the nano-probe taking advantage of its good biocompatibility and versatility. The pharmacokinetics process and the mechanism of drug treatment will be investigated, which will provide an experimental evidence for future clinical applications.

研究单细胞内部活动和物质传递机制，对于人类疾病早期诊断治疗和对生命更深入的了解具有重要意义。基于一维纳米材料的细胞探针以其种类多样、合成简单、可以穿透膜结构等优势，近年来成为研究的热点。然而，由于细胞内源荧光和拉曼分子可提供的信号较弱，现有的细胞内窥方法在空间、光谱分辨以及探测灵敏度上受到很大的限制。在本项目中，我们基于金纳米球-氧化锌纳米线独特的复合结构，利用金纳米颗粒表面增强拉曼散射特性，和氧化锌纳米线高效导波特性，提出一种超分辨、高灵敏的原位、动态细胞内窥研究设想。我们将操作直径低于百纳米的复合纳米探针深入细胞内,实现高空间分辨；通过表面增强拉曼散射技术与后向相干反斯托克斯拉曼散射技术结合，实现弱光探测和高光谱分辨；进而研究细胞特定行为下的拉曼光谱变化规律。我们还将利用复合探针的多功能性和生物兼容性，携带细胞药物，并深入监测和探索药物治疗过程机制，为未来用于疾病的诊断和治疗提供依据。

光学近场内窥一直以来是生物医学检测的一种有效方法。传统内窥系统常常在空间、光谱分辨和探测灵敏度上受到很大限制，尤其对于微小样品的原位检测，由于激发、收集效率的制约，微弱信号常常淹没在环境噪声之中。基于一维纳米材料的细胞探针以其种类多样、合成简单、可以穿透膜结构等优势，近年来成为研究的热点。在本项目中，我们基于金属纳米颗粒-微纳波导独特的复合结构，利用纳米颗粒局域场增强特性，和纳米线高效导波特性，提出一种超分辨、高灵敏的原位光谱激发和探测结构。首先，研究和优化了微纳光纤与半导体纳米线的倏逝波耦合结构，实现了超过60%的能量耦合效率；通过优选折射率较高的半导体纳米材料制备工艺，实现了更高效率的导波传输；进而达到的能量传输效率与传统激发方式相比，提升近50倍。另一方面，为了充分利用金属颗粒的表面局域共振特性，研发了大范围直径可控的金属颗粒制备技术；并通过实验证明在局域共振频率与目标分子吸收峰位达到匹配时，可对微弱光信号产生5~10倍的增强。两种机制的存在，可以时近场激发效率和信噪比得到显著提升。同时，本项目中也对于其他新型纳米波导材料的光学进行了研究，并提出了包括CdSe、GaSe等具有高非线性系数的纳米材料本身还可以提供高对比度的非线性光学信号（如二次谐波、三次谐波、三光子等），为未来基于复合探针的多通道光谱检测提供了基础；而使用二维材料代替半导体探针与拉锥光纤组成的复合结构，可产生具有高品质因子的回音壁模式微腔激光；这种具有窄谱宽、低阈值、高环境灵敏度的荧光探针，为未来进一步提升检测灵敏度和光谱分辨率提供了可能。通过本项目研究证明，复合探针对于近场微弱信号的高灵敏探测具有良好的应用前景，并且在多通道光谱探测领域仍有巨大的挖掘潜力。