[发明专利]增强近红外波段荧光信号的纳米金属结构及其制备方法

说明书

本发明属于生物物理单分子荧光增强技术领域，具体为一种有效增强近红外波段单分子荧光信号的不对称纳米金属结构及其制备方法。本发明提供的不对称金属纳米结构具有多个共振模式，通过调节模式间耦合可以调制“结构‑分子”体系的辐射性质和能量耗散性质，提高荧光分子在辐射波段的量子效率，增强整体的荧光信号。本发明提供的结构设计可满足近红外波段（900‑1700nm）荧光分子的信号增强需求，提供的制备方法能够高精度、高效率地加工纳米结构，本发明在生物医学检测领域有较高的应用价值。

技术领域

本发明属于生物物理单分子观测技术领域，具体涉及一种用于增强近红外波段单分子荧光信号的金属纳米结构。

背景技术

单分子实验是目前生物应用方面备受瞩目的观测技术，例如利用荧光染料或荧光蛋白标记并观测单个目标分子等方法，可以得到过去在多分子实验体系中被平均化而湮没的信息^[1]。同时，相比于可见波段的荧光技术，近红外波段（near infrared, NIR）荧光因具备了更大的组织穿透深度、更少的组织吸收和自发荧光等干扰而在生物医学领域有极大的应用潜力[2]。然而我们必须正视的问题是，近红外波段分子荧光通常量子产率低且光敏感、容易发生荧光漂白，这些限制因素导致单分子荧光信号强度通常较弱。为满足信号分析的强度需求，荧光增强技术应运而生。

目前，已广泛应用的单分子荧光增强技术有以下几个主要类别：1）改造荧光颗粒的组成和修饰来提高其发光性质，包括但不限于荧光量子点、稀土荧光颗粒以及碳纳米管等荧光材料的改造和修饰。其中荧光量子点因量子产率较高，发光性质稳定，已经广泛应用于医学成像领域。然而这类方法得到的荧光材料单体体积大、生物毒性强且需要复杂修饰以适应应用需求，生物适用性的缺陷限制了其进一步应用^[2]。2）改造荧光蛋白和荧光染料等荧光分子的结构来提高其发光性质。荧光蛋白和染料分子因分子较小不限制被标记对象的生理活动且生物毒性低而被认为有极大的应用潜力。目前主要通过改造荧光蛋白氨基酸序列、荧光染料化学结构以及优化分子化学环境来提高其量子产率。但由于这类近红外荧光分子本身量子产率过低，改造后的分子量子产率依然较低且明显低于量子点类荧光颗粒，并且这类分子通常光敏感易发生光漂白，故而目前仍然难以广泛应用^[3][4]。3）基于单体、对称或多层纳米金属结构的表面等离子激元效应，利用热点区域形成的高度局域性的强激发电磁场来有效提高临近荧光分子的激发速度。这类技术能够在单位时间内获得来自这一分子更多的荧光信号，从而使得总体信号显著增强^[5]。但因其主要提高激发效率，并不适用于本身量子产率较低或易漂白的荧光分子。

结合以上限制因素，开发出一种适用于近红外波段荧光分子信号增强的方法，在不加速荧光漂白过程的前提下有效增强荧光强度，将具有十分重要的意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服已有近红外单分子荧光增强技术的不足，提供一种提高荧光量子产率从而增强近红外波段单分子荧光信号的纳米金属结构。

本发明提出的增强近红外波段单分子荧光信号的纳米金属结构，使用不对称双棒状结构，可有效增强临近区域内荧光分子的量子产率，在单位时间内获得更强的荧光信号；同时抑制荧光分子的光漂白，有效延长单个分子的观测时间，从而优化荧光分子的发光性能。

本发明在理论模型的指导下，通过设计这种复合金属纳米结构的多个共振模式，调节体系的辐射性质和能量耗散性质，对分子的荧光发射频率，做到尽可能地提高体系辐射能力的同时，尽量压低体系的吸收耗散，最终提高荧光分子在辐射波段的量子效率，从而增强整体的荧光信号的同时有效延长荧光漂白时间。

本发明提供的纳米金属结构，其参数如下表所示（结构示意图及参数标示见附图1）：