2018年6月19日
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化学化工学院朱俊杰课题组利用光驱纳米振子实现对单个miRNA分子的动力学检测

单分子寡核苷酸的动力学研究对于分子生物学和基因诊断有着重要意义。为了实现目标,需要检测方法具有极高的响应速度、灵敏度和选择性。通用的单分子检测技术主要有荧光标记、超微电极、光吸收显微镜以及等离子增强方法,然而这些方法均不能满足对单分子寡核苷酸的动力学检测。在场效应晶体管和纳米孔的帮助下,

化学化工学院朱俊杰教授课题组在国家重大科研仪器研制项目的资助下,近年来在研发高性能等离子体暗场显微镜、等离子体光热显微镜以及电致化学发光显微镜中取得进展,并在此基础上建立了一系列生物分析检测方法。利用等离子体暗场显微镜和功能化金包银纳米棒探针,实现了对单个肿瘤细胞完整自噬过程的追踪(J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 1903-1908)。同时,利用基于表面等离子体共振显微镜技术搭建的热显微成像平台,则帮助人们对纳米材料的光热性质有了进一步了解,如金纳米棒、石墨烯等(ACS Nano 2015, 9, 11574-11581)。还利用自主研发的光谱成像系统实现对细胞内单个光热疗纳米探针的高精准温控(Nat. Commun. 2017, 8, 1498)。

近期,朱俊杰课题组基于表面等离子体共振和暗场显微镜技术,研制搭建了表面等离子共振耦合暗场显微镜,利用在金纳米膜表面组装的光驱纳米振子实现了对单个miRNA分子的动力学检测。相关成果“Light-Driven Nano-oscillators for Label-Free Single-Molecule Monitoring of MicroRNA “于5月21日在线发表于Nano Letters期刊(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b00993)。化学化工学院副研究员陈子轩博士和硕士研究生彭玉娇为文章的共同第一作者,朱俊杰教授为通讯作者,陈洪渊院士对工作进行了重要的指导,张剑荣教授,王晖博士和博士生曹越参与了该工作。如图1,该工作利用热敏聚合物分子和金纳米球在金膜表面组装了一种光驱的纳米振子,通过自主研发的表面等离子共振耦合暗场显微镜对金纳米球在金膜表面的高度进行了高灵敏、快速检测,分辨率可达皮米级。通过追踪纳米振子的振幅随miRNA在其底部空隙中的杂交而产生的瞬时振幅衰减信号,成功地获得了miRNA的单分子杂交动力学信息。结果表明,miRNA与互补DNA的杂交动力学受其三维空间扩散控制。

图1. 单分子miRNA的动力学检测原理。热敏聚合物pNIPAAm、互补DNA链和金纳米球GNP层层组装在金膜表面,周期性光照产生热量引起温度上升,pNIPAAm发生坍缩,从而导致GNP发生振动。当miRNA与互补DNA发生杂交,产生的刚性双链结构将阻碍GNP下落,造成振子振幅的衰减。通过跟踪振子的振幅变化,即可检测出miRNA的动力学杂交过程。

(化学化工学院 科学技术处)