局域表面等离子共振(LSPR)是贵金属纳米材料具有的特殊光学性质,这种光与贵金属纳米材料之间特殊的相互作用,使得贵金属纳米材料具有能够对入射光进行选择性吸收、散射以及光热作用等性质。得益于暗场显微镜技术和光谱技术的发展,可以在暗场下对贵金属纳米颗粒的散射光进行观察和采集信号。金属纳米颗粒的散射光强度高,光学稳定性好,没有闪烁、漂白等现象;此外,纳米颗粒的LSPR谱峰的位置对纳米材料的尺寸、形貌、组成、电荷以及其所处的介电环境非常敏感,特别是相邻的纳米颗粒之间的等离子激元耦合作用,能够引起散射光颜色、强度、散射峰位置的显著变化。正是因为金属纳米颗粒表面的任何细微变化都能引起LSPR光谱的改变,许多具有特殊物理、化学效应的功能纳米材料已经成功用于化学传感及生物医学研究领域,为人类重大疾病的检测以及治疗带来了新的思路和希望。本论文着眼于等离子激元耦合作用,设计并构建了多个纳米自组装结构,分别用于重金属离子、核酸、酶活性三个方面的检测和成像研究。主要研究内容如下:1.核-卫星纳米金自组装体应用于痕量汞离子的检测重金属汞会严重破坏环境和人类健康,特别是当它在食物链中不断富集时。在过去的十年中,因为纳米技术的进步,关于Hg2+的比色检测方法也迅速发展起来,然而,这些方法的检测限往往刚好或者高于由美国环境保护署确立的10nM的饮用水中Hg2+的最高浓度标准。在本章中,我们提出了一种基于暗场显微镜技术,能够高灵敏检测Hg2+的新方法,原理是基于Hg2+诱导的纳米自组装过程,在两种不同大小的金纳米颗粒表面分别修饰两段富含T碱基的DNA序列,只有当Hg2+存在时,两段DNA序列才会形成DNA双链结构,小的金球会在大的金球表面自组装成核-卫星结构,而这一过程伴随着散射光颜色的变化,很容易被暗场显微镜捕捉和采集,散射峰位移越大,对应Hg2+的浓度也越高。该方法的检测限可以达到1pM的级别,这有助于预防Hg2+的积累。2.核-卫星结构纳米金探针用于Survivin mRNA的高灵敏检测及细胞内成像等离子激元耦合效应(Plasmon coupling effect)在研究生物学过程的光学响应方面具有巨大的潜力和研究的意义。本章中,利用生物素和链霉亲和素之间的特异性结合作用,我们设计并合成了一种核-卫星结构纳米金的探针,这种核-卫星结构是以52 nm的纳米金作为核、18 nm的纳米金作为卫星金,该结构可以在体外实现Suvivin mRNA皮摩尔级的高灵敏检测。此外,我们将该结构进一步应用于细胞内SurvivinmRNA的成像研究,通过合理的设计,该结构也有望应用于其他重要核酸的检测,具有一定的普适性和广泛的应用前景。3.miRNA-21诱导的纳米金自组装行为及其在细胞内miRNA-21成像方面的应用miRNA-21是一种与癌症密切相关的重要的生物标志物。本章中,我们设计一种基于miRNA-21诱导的纳米金自组装方案,可以实现纳米金在单个细胞内的自组装行为,同时对目标miRNA-21进行细胞内的暗场成像研究。首先,我们在50 nm的纳米金表面通过Au-S键的形成修饰上末端标记有Cy5荧光分子的分子信标,这种分子信标的环状部分可以与目标miRNA-21互补杂交,同时伴随Cy5荧光信号的恢复,而修饰在13 nm的纳米金表面的DNA序列恰好可以同发卡打开后的近端单链序列进行互补配对,从而形成一种有序的核-卫星结构纳米金,这种结构有着极强的等离子激元耦合效应,在暗场下有着超高的散射强度,非常适合用于细胞内的分子成像研究。通过脂质体的包裹,可以很容易地将这种混合有核纳米金和卫星纳米金的探针转染进细胞内,实现细胞内miRNA-21的原位成像。本工作为细胞内miRNA的成像分析研究提供了新的思路和方法。4.基于“分子尺”的单分子端粒酶活性的原位监测和暗场成像分析利用“分子尺”可以检测颗粒间距离变化的优良性质,本工作设计了一种可以动态监测端粒酶引物延伸反应的纳米银二聚体“分子尺”,该“分子尺”由两个相同大小的银球通过DNA链互补杂交形成的二聚体结构,一个银球修饰了端粒酶引物(TSP),另一个银球则修饰了一段可以与TSP互补配对、另一段可以与TSP延伸产物互补配对的长链DNA(anchor DNA,aDNA),在细胞提取物中端粒酶的作用下,TSP的3’端被延长,产生端粒重复序列,恰好与aDNA的剩余单链部分互补,逐步形成具有刚性的DNA双链结构,两个银球之间的距离一步步增加,导致等离子激元耦合作用的减弱,“分子尺”散射光的颜色、散射峰的波长随之改变。该“分子尺”不仅可以区分肿瘤和正常细胞,还可用于动态监测癌细胞端粒酶活性在端粒酶药物作用下的变化,为发现和筛选端粒酶靶向的抗癌药物提供了潜在的工具。