功能化金纳米颗粒实时单粒子示踪的分析与其在生物医学研究中的应用

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1、学校代号：10532学号：S12222004密级：湖南大学硕士学位论文功能化金纳米颗粒实时单粒子示踪分析及其在生物医学研究中的应用学位申请人姓名：沈慧导师姓名及职称：何彦教授培养单位：湖南大学生物学院专业名称：生物医学工程论文提交日期：2015年5月论文答辩日期：2015年5月28日答辩委员会主席：陈金华教授SingleParticleTrackingofFunctionalGoldNanoparticlesandApplicationsinBiomedicalSciencebySHENHuiB.E

2、.(ChangshuInstituteofTechnology)2012AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinBiomedicineEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorHEYanMay,2015湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独

3、立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等

4、复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在______年解密后适用本授权书。2、不保密√□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日I硕士学位论文摘要在实时原位分析中，单粒子示踪技术是分析许多生物过程以及判断生物体的组织构架的强有力手段。金纳米颗粒凭借其独特的光学特性，而且耐光漂白，使其能够在重要的生物学过程中长时间示踪分析。而细胞内的生命活动或者功能构架都是在三维空间内展开的，并且很多亚细胞结构都在微米到纳米尺度，光学衍射极限的存在限制了我们使用光

5、学显微镜观察这些生物样品，因此发展可行的高分辨三维成像技术用来研究生命活动的机制和功能尤为重要。基于此，本论文以金纳米颗粒为探针，利用暗场光学显微镜作为成像系统，开展一系列工作，包括：在第2章中，为了提高单粒子示踪技术在轴向的定位精度，我们建立了以金纳米颗粒为探针的三维超分辨单分子显微成像技术，通过在暗场显微镜的光路中引入一个长焦距的平凸柱面镜来打破光学系统的轴对称性，从而产生x、y轴向上的光程差，即可以从二维的散光信息中提取三维空间位置的信息编码。进一步应用这种方法定位了在细胞膜外基质（PCM）以

6、及细胞膜层上金纳米颗粒的z轴位置，然后从轴向定位分布中，我们获得了PCM层的大致厚度为5.35µm，为进一步研究纳米颗粒和细胞膜外基质的相互作用奠定了基础。在第3章中，基于我们之前的三维超分辨单分子显微成像技术实现了横向为28-36nm和轴向为68nm的空间分辨率以及13Hz的时间分辨率。改进的空间分辨率很适用于三维示踪，而且它的时间分辨率达到了实时分析细胞内吞过程的要求，因此我们详细记录了细胞穿膜肽修饰的金纳米颗粒从细胞膜表面通过跨膜运动最后深入到细胞质内的全过程，并且首次揭露了细胞穿膜肽修饰的金

7、纳米颗粒的内吞速率，可帮助我们了解细胞穿膜肽运载货物背后详细的机理步骤。在第4章中，我们提出了一种基于颜色分析技术的金纳米棒空间角度取向检测的方法，即根据单个金纳米棒在不同偏振角度下的散射光信号颜色变化，利用暗场偏振成像技术推断金纳米棒的空间取向。通过转动偏振片方向来改变与金纳米棒之间的夹角，从而得到一系列偏振角度对应散射光颜色的关系，发现不同偏振角度下散射光的颜色强度值是角度的余弦平方函数。随后我们在甘油溶液中实时监测了单个金纳米棒的旋转运动，进一步运用到研究细胞内单个金纳米棒的旋转行为，该种方法

8、对研究偏振依赖的纳米材料以及纳米尺度上生物分子的旋转运动行为等具有重要的意义。关键词：金纳米颗粒；单粒子示踪；跨膜运动；三维超分辨成像；颜色分析；旋转运动II功能化金纳米颗粒实时单粒子示踪分析及其在生物医学研究中的应用AbstractInsiturealtime,singleparticletracking(SPT)techniquehasbecomearemarkabletoolfortheanalysisofbiologicalprocessesandorgani