基于PNPs的单分子及单细胞显微应用介绍丨PNPs高灵敏成像对比

引言

技术背景介绍

等离子体纳米颗粒（Plasmonic Nanoparticles, PNPs），也常称为金属纳米颗粒，是一类具有特殊光学性质的纳米材料。它们在生化分析和成像中的应用广泛，以下是其应用及原理的详细说明：

应用

1. 单分子检测：
   • 原理：PNPs在特定波长的光照射下能产生强烈的局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR）。当单个生物分子与PNP表面接触时，会改变PNP的LSPR特性，从而引起散射或吸收光谱的变化。
   • 应用：这种变化可以被高灵敏度的光谱仪检测到，实现对单个分子的识别和定量分析。
2. 多颗粒 传感：
   • 原理：PNPs的LSPR光谱对颗粒周围环境非常敏感。当多个PNPs聚集时，它们的LSPR光谱会发生变化。
   • 应用：通过监测这些光谱变化，可以实现对生物分子之间相互作用的分析，如蛋白质-蛋白质、蛋白质-核酸等。
3. 单细胞成像：
   • 原理：PNPs的高散射效率使其成为理想的荧光替代标记物。在激光照射下，PNPs可以产生强烈的散射光，使得单个PNP在细胞内清晰可见。
   • 应用：利用这一特性，研究人员可以对细胞内的特定分子或结构进行标记和成像，从而研究细胞内的动态过程。
4. 生物过程示踪：
   • 原理：PNPs可以被特定生物分子识别并与之结合，从而标记这些分子。
   • 应用：在生物体内或细胞培养中，通过跟踪PNPs，可以观察生物分子在生物过程中的行为，如细胞信号传导、蛋白质运输等。

说明

• 局域表面等离子体共振（LSPR）：当金属纳米颗粒被特定波长的光照射时，颗粒表面的自由电子会被激发并集体振荡，形成LSPR。这种振荡与入射光的频率相匹配时，会导致强烈的光吸收和散射。
• 环境敏感性：PNPs的LSPR特性对其周围环境非常敏感，如颗粒的大小、形状、组成以及附近的介质。因此，任何与PNP表面的相互作用，如生物分子的吸附或结合，都会导致LSPR特性的变化。
• 散射和吸收特性：PNPs的散射和吸收特性使其在成像中非常有用。强烈的散射光可以提供高对比度的成像，而吸收特性可用于光热治疗等应用。

通过这些原理，等离子体纳米颗粒在生化分析和成像领域展现了极高的应用价值，为生物医学研究提供了强大的工具。

实拍对比案例介绍

    为表征单分子本实验选用18nm的金纳米球作为被测物，较小体积的光散射探针信号极其微弱需要较高灵敏度的成像器件、且快速成像。故在此过程中分别选备了我司的Photon1K相机和常见的进口EMCCD相机在同等工况下做对比。

成像系统列表1：

图1：Photon1K相机在显微系统上

图2：EMCCD相机在显微系统上

    在下文图3与图4中展示了AuNPs探针材料成像结果，两个相机在同等FoV和光学工况下均可探测到目标物：（注：两个相机先后拍摄）

图3：Photon1K实拍图及目标物

图4：进口EMCCD实拍图及目标物

图5：Photon1K图像放大后9个pixels直方图统计

图6：进口EMCCD图像放大后9个pixels直方图统计

数据分析对比

根据直方图数据：

1. Photon1K图像情况下背景强度约500DN，因此信号探测信噪比=（817.333-500）/126.746=2.504；
2. EMCCD图像背景约3600DN，因此信号探测信噪比=（5288-3600）/744.872=2.266。

    根据对比可知在同等曝光时间10ms、EMCCD相机Gain在100时，Photon1K相机图像的信噪比要高于EMCCD相机图像。

相机参数性能对比表：

表2：Photon1K与EMCCD参数性能对比

由上表参数可知EMCCD拥有更低的暗电流噪声，适合更长时间积分应用，而该应用需求较短时间内的高灵敏度和低噪声成像，因此Photon1K在与EMCCD同等分辨率下拥有更高的探测效率且信噪比要比100倍Gain下的888更好。

参考文献：