專利名稱：基于表面等離激元傳導(dǎo)對活體細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行精確局域影響的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是基于金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元傳導(dǎo)，對活體生物細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行精確局域影響的方法，屬于生物細(xì)胞學(xué)中的活體細(xì)胞內(nèi)部探測和改造技木。
背景技術(shù)：
細(xì)胞是生物體的最基本単元。已知除病毒之外的所有生物均由細(xì)胞所組成，但病毒生命活動也必須在細(xì)胞中才能體現(xiàn)。基于活體細(xì)胞的研究將在人類探索生命奧秘的道路上發(fā)揮著巨大的作用。因此，活體細(xì)胞內(nèi)部各功能器官組織的生物生理活動、生物信息傳遞、對外界刺激反應(yīng)等一直都是全世界科研工作的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。通過光、熱等形式的能量對生物活體細(xì)胞內(nèi)部目標(biāo)區(qū)域(細(xì)胞核，細(xì)胞器，功能器官組織等)進(jìn)行精確探測和改造等影響，將實(shí)現(xiàn)在生物信息技術(shù)、生物治療技術(shù)等領(lǐng)域上的巨大突破。當(dāng)金屬納米結(jié)構(gòu)處在外界光場的激勵(lì)中，由于自由電子的集體振蕩將在其表面形成電荷疏密波，即表面等離激元。表面等離激元作為微納光學(xué)中的新興領(lǐng)域，有著非常獨(dú)特的物理特性。外界光場能量可以以表面等離激元的形式在金屬表面?zhèn)鲗?dǎo)，在缺陷處以光和熱的形式再次釋放出來。

發(fā)明內(nèi)容
基于此，本發(fā)明提供一種基于表面等離激光元傳導(dǎo)對活體細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行精確局域影響的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對特定目標(biāo)實(shí)施精確影響。本發(fā)明的一種基于表面等離激元傳導(dǎo)對活體細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行精確局域影響的方法， 該方法是利用顯微注射將金屬納米結(jié)構(gòu)半插入活體細(xì)胞中，在細(xì)胞外的金屬納米結(jié)構(gòu)上用光激發(fā)出表面等離激元后，能量以表面等離激元的形式通過金屬納米結(jié)構(gòu)穿導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)，在缺陷處以光、熱等形式釋放，以影響細(xì)胞內(nèi)的功能器官(細(xì)胞核或某細(xì)胞器等)。優(yōu)選地，所述金屬納米結(jié)構(gòu)包括金屬納米線(包括單根線和分叉線的形式) 和金屬納米片以及其它可以實(shí)現(xiàn)表面等離激元傳導(dǎo)的金屬納米結(jié)構(gòu)，其中納米線直徑為10nm-800nm，納米線長度為3000nm-lmm，納米片的厚度為10_800nm，納米片的寬度為 100nm-2000nm,納米片的長度為 3000nm_lmm。優(yōu)選地，所述活體細(xì)胞包括任何生物體的存活的細(xì)胞。優(yōu)選地，所述金屬納米結(jié)構(gòu)半插入活體細(xì)胞的方式包括金屬納米結(jié)構(gòu)一部分在細(xì)胞內(nèi)，一部分在細(xì)胞外的方式，或金屬納米結(jié)構(gòu)在細(xì)胞外，只有一端剛好接觸細(xì)胞膜的方式。優(yōu)選地，所述金屬納米結(jié)構(gòu)包括任何金屬的納米結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述能量傳導(dǎo)包括所有表面等離激元的激發(fā)模式。本發(fā)明通過利用顯微注射等方法將金屬納米結(jié)構(gòu)半插入活體細(xì)胞中，半插入金屬納米結(jié)構(gòu)的細(xì)胞在長時(shí)間(至少10小吋)能夠保持貼壁生長，存活情況良好。當(dāng)光聚焦在細(xì)胞外的納米結(jié)構(gòu)上就能激發(fā)出金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元，從而使能量以表面等離激元的形式通過金屬納米結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)部，在缺陷處(端頭)以光、熱的形式釋放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對特定目標(biāo)實(shí)施精確影響(探測，改造等)。


圖1為活體細(xì)胞和顯微注射管顯微視圖；圖2為插入活體細(xì)胞的納米線視圖；圖3a為剛插入金屬納米結(jié)構(gòu)的細(xì)胞視圖，圖北為插入后10小時(shí)的細(xì)胞視圖；圖如為插入納米線的不同細(xì)胞視圖，圖4b為和圖如相應(yīng)的能量導(dǎo)入在目標(biāo)區(qū)域?qū)嵤┕鉄嵊绊懸晥D。
具體實(shí)施例方式如圖1、2所示，本發(fā)明通過利用顯微注射等的方法將金屬納米結(jié)構(gòu)半插入活體細(xì)胞中，半插入金屬納米結(jié)構(gòu)的細(xì)胞在長時(shí)間(至少10小吋)能夠保持貼壁生長，存活情況良好，如圖3a、b所示，圖中人體A549肺癌細(xì)胞能夠貼壁生長，沒有生命活動的時(shí)候會懸浮在培養(yǎng)液中。當(dāng)光聚焦在細(xì)胞外的納米結(jié)構(gòu)上就能激發(fā)出金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元， 從而使能量以表面等離激元的形式通過金屬納米結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)部，在缺陷處(端頭) 以光、熱的形式釋放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對特定目標(biāo)實(shí)施精確影響(探測，改造等)，如圖^、b所示。上述金屬納米結(jié)構(gòu)包括金屬納米線(包括單根線和分叉線的形式)和金屬納米片以及其它可以實(shí)現(xiàn)表面等離激元傳導(dǎo)的金屬納米結(jié)構(gòu)，其中納米線直徑為lOnm-SOOnm，納米線長度為3000nm-lmm，納米片的厚度為10_800nm，納米片的寬度為100nm_2000nm，納米片的長度為3000nm-lmm。此外，金屬納米結(jié)構(gòu)半插入活體細(xì)胞的方式包括金屬納米結(jié)構(gòu)一部分在細(xì)胞內(nèi)， 一部分在細(xì)胞外的方式，或金屬納米結(jié)構(gòu)在細(xì)胞外，只有一端剛好接觸細(xì)胞膜的方式。通過在人體A549肺癌細(xì)胞和小鼠胚胎細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，與普通光學(xué)顯微鏡聚焦影響的方法相比，本發(fā)明有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)1，可以通過操作金屬納米結(jié)構(gòu)的半插入過程，控制插入的缺陷(一維納米線端頭)位置，已達(dá)到針對特定目標(biāo)區(qū)域(比如細(xì)胞核，某個(gè)細(xì)胞器等)的影響。2，能量在金屬納米結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鲗?dǎo)入細(xì)胞內(nèi)部，避免了強(qiáng)光(激光)長時(shí)間對活體細(xì)胞的影響，這一點(diǎn)在對光敏感的特殊細(xì)胞上具有巨大的優(yōu)勢。3，本發(fā)明是基于表面等離激元的形式將能量導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)部?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)入射波長，使得金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元達(dá)到共振條件，使得缺陷處光場有極大的增強(qiáng)，大大的增強(qiáng)探測信號(表面增強(qiáng)拉曼散射，表面增強(qiáng)熒光等)。4，基于表面等離激元傳導(dǎo)的這種新方法能夠?qū)⒔^大部分光場能量局限在金屬表面50nm以內(nèi)，極大的減小了能量影響范圍，避免了非目標(biāo)區(qū)域其他功能器官的影響，從而極大的提高探測信號的分辨率。本發(fā)明對生物活體細(xì)胞內(nèi)部組織實(shí)施精確的局域影響，在生物細(xì)胞信息，生物細(xì)胞基因改變有巨大的應(yīng)用前景。比如，當(dāng)金屬納米結(jié)構(gòu)表面吸附特異性分子(如抗體，對光磁敏感的分子等)吋，能量的注入會將缺陷處的熱運(yùn)動加劇，使得特異性分子精確注入目標(biāo)區(qū)域。我們就可以研究細(xì)胞內(nèi)特定區(qū)域、組織器官對特異性分子的生物生理活動過程；再比如，由于缺陷處光場的存在，可以精確探測光場范圍內(nèi)的功能器官的光信號(拉曼，熒光等，攜帯了分子的相關(guān)信息)，即利用光信息探測監(jiān)控活體細(xì)胞內(nèi)部特定功能器官的生物生理活動；還可以通過將能量注入某特定功能器官，使得該功能器官熱運(yùn)動加劇，溫度過高， 破壞其生物生理活動，實(shí)施對細(xì)胞的改造(細(xì)胞手木，比如將納米結(jié)構(gòu)半插入細(xì)胞核內(nèi)部， 用光熱等能量影響其內(nèi)部的遺傳基因)。這樣，通過金屬納米結(jié)構(gòu)作為媒介，將能量以表面等離激元的形式從外界傳導(dǎo)到目標(biāo)區(qū)域，就可以實(shí)現(xiàn)對活體細(xì)胞內(nèi)部局域地區(qū)探測和改造等影響。本發(fā)明這種基于表面等離激元傳導(dǎo)對活體細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行精確局域影響的新方法還具有精確度高、避免外界強(qiáng)光(如激光)直接照射等特點(diǎn)。比如在探測細(xì)胞內(nèi)某細(xì)胞器的光學(xué)信號為例。如果采用一般的光學(xué)顯微鏡直接照射。衍射極限的存在，其聚焦光斑直徑接近1 μ m。但是考慮到細(xì)胞尺寸也在μ m量級(比如典型的原核細(xì)胞的平均大小在1 10 μ m之間)，采集到的光信號不能排除其他細(xì)胞器的信號干擾?；诒砻娴入x激元傳導(dǎo)的這種新方法能夠?qū)⒔^大部分光場能量局限在金屬表面50nm以內(nèi)，能夠極大的提高信號的分辨率。而且該方法是將金屬納米結(jié)構(gòu)半插入細(xì)胞(一部分在細(xì)胞外，一部分在細(xì)胞內(nèi))。 能量從細(xì)胞外通過金屬納米結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域，能夠很好的避免強(qiáng)光(激光)對活體細(xì)胞的損害，在長時(shí)間對特殊活體細(xì)胞的影響中具有很大的優(yōu)越性。
權(quán)利要求
1.一種基于表面等離激元傳導(dǎo)對活體細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行精確局域影響的方法，該方法是 利用顯微注射將金屬納米結(jié)構(gòu)半插入活體細(xì)胞中，在細(xì)胞外的金屬納米結(jié)構(gòu)上用光激發(fā)出表面等離激元后，能量以表面等離激元的形式通過金屬納米結(jié)構(gòu)穿導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)，在缺陷處以光、熱等形式釋放，以影響細(xì)胞內(nèi)的功能器官。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在干，所述金屬納米結(jié)構(gòu)包括金屬納米線(包括單根線和分叉線的形式)和金屬納米片以及其它可以實(shí)現(xiàn)表面等離激元傳導(dǎo)的金屬納米結(jié)構(gòu)，其中納米線直徑為10nm-800nm，納米線長度為3000nm-lmm，納米片的厚度為10_800nm， 納米片的寬度為100nm-2000nm，納米片的長度為3000nm-lmm。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在干，所述活體細(xì)胞包括任何生物體的存活的細(xì)胞。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在干，所述金屬納米結(jié)構(gòu)半插入活體細(xì)胞的方式包括金屬納米結(jié)構(gòu)一部分在細(xì)胞內(nèi)，一部分在細(xì)胞外的方式，或金屬納米結(jié)構(gòu)在細(xì)胞外， 只有一端剛好接觸細(xì)胞膜的方式。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在干，所述金屬納米結(jié)構(gòu)包括任何金屬的納米結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在干，所述能量傳導(dǎo)包括所有表面等離激元的激發(fā)娛式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于表面等離激元傳導(dǎo)對活體細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行精確局域影響的方法，該方法是通過顯微注射等技術(shù)將金屬納米結(jié)構(gòu)半插入活體細(xì)胞，再將光聚焦在細(xì)胞外激發(fā)出金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元，使能量以表面等離激元的形式通過金屬納米結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)部的特定目標(biāo)區(qū)域，在缺陷處以光、熱等形式釋放，以實(shí)現(xiàn)對活體細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行局域影響。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)只針對特定目標(biāo)的影響，對于研究細(xì)胞內(nèi)部各功能器官的生物生理活動和遺傳性狀有著關(guān)鍵性的突破。因此，該方法不僅可以應(yīng)用在細(xì)胞生理活動和遺傳信息探測領(lǐng)域，而且是實(shí)現(xiàn)“細(xì)胞手術(shù)”的關(guān)鍵技術(shù)。
文檔編號G01N21/64GK102559837SQ201110418549
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者徐紅星, 李輝, 黃映洲 申請人:中國科學(xué)院物理研究所