沈晶晶　张磊

【摘 要】本研究主要利用不同形貌、尺寸的单个等离子激元纳米颗粒为基底，实现了高灵敏的生物传感，检测灵敏度达到单分子水平;结合DNA特异杂交与折纸技术，实现生物分子在等离子激元界面状态的精确调控，并对其形态转变的动力学过程进行观测。经过多年的研究，我们在单颗粒水平上构建了一系列基于等离子激元的高灵敏高选择性纳米生物传感器，这些创新成果推动了纳米生物传感分析化学的发展。

【关键词】等离子激元;生物探针;单颗粒;界面调控

中图分类号： TB383.1 文献标识码： A文章编号： 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

等離子激元光学（Plasmonics）领域属于国际前沿研究领域，近年来得到飞速发展[1-2]。等离子激元（Plasmon）与光波相互作用时，会产生表面等离子共振（SPR）散射现象，其散射光谱主要依赖于纳米颗粒（如Au膜、Au纳米颗粒、Ag纳米立方体等）的形状、大小、距离以及颗粒本身及其周围环境的介电常数。这些参数的细微变化将引起表面自由电子密度、电子的震荡频率的显著改变，从而造成包括吸收和散射光学性质的改变，因此其散射光谱可灵敏反应出等离子激元界面的介电常数的细微变化（图1）。如通过化学或生物方法在其表面修饰特异性识别分子用于生物、化学传感器研究，不但具有极高的选择性和灵敏度，而且较之荧光染料，其光稳定性和光强度得到极大的改善。基于金属纳米颗粒构建功能性纳米材料探针并以其为基础设计光学纳米传感器，在分子诊断、纳米传感、信息存储、环境监测以及各种交叉学科领域具有广阔的应用前景。

本课题组以等离子激元纳米材料的设计、组装及生物传感应用为目标，围绕“形貌调控、可控自组装、表面功能化与等离子激元光学性能的相互关系”这一关键科学问题，沿着“形貌-组装-功能化-性能”这一研究主线开展工作并取得了系统性和创新性的成果：研究成果为在单个纳米颗粒水平上进行生物分子构型操控与实时观测，甚至进行单分子水平的高灵敏生物传感检测奠定了基础。

1 单颗粒SPR生物传感器

通过监测双金属耦合作用对等离子激元光谱的影响，已经可以在微纳环境中实现高灵敏的分析检测，并成功应用于活细胞中抗癌药物抑制新陈代谢的动力学过程监测[3]，该研究从单颗粒等离子激元光谱学出发，设计了可用于活细胞内的性能优异的针对痕量Cu2+离子及乙醇等生物分子的高灵敏纳米等离子光学生物探针，并将之应用于肿瘤细胞内部NADH分布与Cu2+的痕量检测，为考察细胞内部代谢过程提供了新的研究思路和依据，并可有效的应用于药物筛选。这一研究结果首次实现了单个活细胞内单个纳米等离子激元颗粒散射光谱的检测与分析，进一步丰富了等离子激元应用于纳米生物传感的研究内容。该方法无需进行特异性修饰也能达到高选择性，同时也可体现在乙醇、葡萄糖等生物小分子的高灵敏检测方面的潜在应用价值。

此外，等离子激元纳米材料的形貌是提高其生物传感灵敏度的决定性因素，课题组从形貌的调控方面入手，并结合FDTD仿真计算辅助设计（图2），长期以来系统性的考察了各种形貌的贵金属纳米颗粒（金纳米球、金纳米立方体、金纳米棒、金纳米星、银纳米立方体、金核银壳纳米立方体等）的LSPR光学性质，并进行横向对比发现，具有尖锐棱角的结构在将其用于生物传感时将获得更高的检测灵敏度，仅受限于检测仪器的分析窗口要求。本课题组在这一普适性原理的指导下，依照前期丰富的生物分子有序组装经验，利用DNA互补序列的杂交特性和生物分子间的特异性结合能力，调控单个等离子激元纳米颗粒界面微环境的折射率，从而诱导SPR散射光谱峰产生移动并可直观的裸眼识别其颜色变化。开发出的一系列针对肿瘤标志物等生物分子的表面等离子激元共振散射生物传感器，可用于痕量生物分子的高灵敏检测与实际应用[4-7]。

2 單分子界面调控与应用

早期的生物传感器研究主要集中在利用纳米材料高比表面积的特性使传感界面上修饰的功能分子的数量增加而增强其检测灵敏度，而忽略了其在表界面上的形态对其生物活性的影响而导致生物传感器的效率提高不多。

界面修饰功能分子形态对等离子激元传感器光物理性质影响巨大，我们课题组提出一种新的研究生物大分子在纳米等离子激元界面反应的动力学过程方法，并基于这一手段同时采用可控定向修饰的表面功能化新策略，并利用等离子激元散射光谱可实现生物大分子在纳米颗粒表面形态的精确分析。

我们基于SPR纳米生物传感的高灵敏性能，课题组利用等离子激元Au@Ag纳米立方体为基底，原位监测了单链DNA在K+离子存在条件下于其界面发生折叠的动力学过程[8]，并采用特异杂交或酶切等方法在单颗粒等离子激元表面精确操控DNA折纸技术制备的DNA三维结构的形态，不但观测到了单个DNA分子在与纳米颗粒的碰撞与杂交过程，同时也在单个纳米颗粒上实现了多阶光学存储与多种逻辑运算[9]。我们的研究成果对生物分子界面形态的研究以及开发高灵敏DNA生物传感器具有重大的科学价值与研究意义。

3 小结与展望

我们致力于解决纳米界面生物分子形态调控难，且分子界面形态分析监测手段匮乏等在纳米生物传感领域的关键科学问题，为等离子激元纳米材料在生物医学领域应用开拓了新的研究方向。但其传感灵敏度与多功能化水平还有待进一步提高，通过定向偶联和自组装技术，将具有多种功能的纳米等离子激元颗粒可控自组装形成等离子激元纳米簇。纳米团簇结构材料的等离子体共振可调特性及调节因素较丰富的特点在SPR和SERS传感器等的设计上都极为有用，可以有效的将SPR传感的定量分析与SERS光谱的定性分析有机的结合在一起，我们在该领域进行了初步的探索，利用SERS技术可在单颗粒水平上进一步提高纳米生物探针的检测灵敏度[10]，这也必将会是未来的热点研究方向。

【参考文献】

[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）.