新型多功能纳米探针对单细胞的动态多参量测量

This project focuses on the challenging problem in the highly interdisciplinary field single cell analysis. Based on our recent progress in multifunctional nanoprobe research, we propose to develop a novel multifunctional nanoprobe, integrating conical nanopore, carbon nanoelectrode, as well as surface enhanced Raman Scattering (SERS) method in a quartz nanopipette based nanoprobe. By simultaneously acquiring ionic current, electrochemical signal and SERS signal, we will achieve real-time multi-parameter single live cell analysis with high sensitivity (at single molecule/single nanoparticle level) and high tempo-spatial resolution (<1ms, 100nm). To demonstrate the capability of this novel nanoprobe, we will monitor the tempo-spatial dynamic change of various molecules released by single stimulated cells, including neurotransmitters from neuron cells, cytokines and exosome from immune cells and cancer cells, 8-OHdG from cells after oxidative DNA damage. These studies will set the foundation to use multifunctional nanoprobe for single cell analysis and provide a new and powerful technology platform to study various significant cell biology problems at single cell level.

本课题瞄准前沿交叉研究领域单细胞分析中的测量难题，以我们近期多功能纳米探针的工作为基础，将制备玻璃锥形纳米孔，碳纳米电极的方法以及在探针表面引入表面增强拉曼散射（SERS）功能的方法结合起来，发展新型的多功能纳米探针。通过测量纳米孔的离子电流，纳米电极表面的电化学信号，以及SERS信号，实现高灵敏（单分子/单纳米颗粒水平），高时空分辨 (<1ms, 100 nm)，实时多参量的单个活体细胞测量。作为实验方法的验证，我们将用探针的三个探测单元同步监测单个细胞受激释放化学分子的动态过程。测量分子包括神经细胞释放的信号分子神经递质，免疫细胞或者癌细胞释放的信号分子细胞因子和外吐小体，细胞DNA氧化损伤释放的8-羟基脱氧鸟苷。这些研究可以为后续利用多功能纳米探针更深入开展单细胞研究奠定方法学基础, 为在单分子水平研究重大细胞生物学的问题提供一个新的强大的技术平台。

该项目制备了玻璃锥形纳米孔，进一步制备碳纳米电极，并且在探针表面引入表面增强拉曼散射（SERS）功，发展新型的多功能纳米探针。该多功能纳米探针通过电化学方法和表面增强拉曼光谱完成了对富集的多巴胺进行检测和分析，相关成果发表在国际核心期刊《Analyst》上。将该多功能纳米探针应用于活体细胞检测，精确定位多功能纳米电极和纳米孔纳米管的位置，检测单个细胞外泌体的分泌，相关成果发表《Chinese Journal of Analytical Chemistry》上。测量了包括神经细胞释放的信号分子神经递质，免疫细胞或者癌细胞释放的信号分子细胞因子在细胞DNA氧化损伤释放的8-羟基脱氧鸟苷。本项目研究结果可以为后续利用多功能纳米探针更深入开展单细胞研究奠定方法学基础,为在单分子水平研究重大细胞生物学的问题提供一个新的强大的技术平台。相关成果在Nanoscale Horizons、Analyst等国际核心杂志上发表论文共17篇，授权专利3项，顺利完成项目总体预定目标。