技术摘要：
本发明公开了单个纳米颗粒的精确快速测温系统及其测温方法，所述系统包括：激光发射模块，包括激光发生器，光路调整组件，光学显微放大物镜，匹配镜油和半透半反镜片，用于将单色入射激光转换成p偏振光，并以激发表面等离激元共振（SPR）角入射到样品反应模块；样品反  全部
背景技术：
纳米材料的应用在纳米科技的进步中发挥重要作用，其中纳米颗粒更是在催化、 信息传递、能源储备等领域应用广泛。近年来，由于生化分析领域的不断发展，对生物分子 的快速、灵敏要求不断提高。纳米颗粒作为一种被广泛深入研究的纳米材料，更是在医学和 生物工程中广泛应用。例如，金纳米颗粒由于具有较大的体表比，独特的光学和电磁特性， 并且表面易于修饰等性质，在生物检测和临床快速检测中应用广泛。众所周知，温度的变化 会对纳米颗粒布朗运动的程度产生影响，继而影响其应用。因此精确快速测定体系中纳米 颗粒的温度变化意义重大。然而，目前的温度测定装置只能测定体相中的整体温度，不能具 体测定单个纳米颗粒的温度变化，这大大限制了研究纳米颗粒的性质和应用研究。 同时，精确快速测定单个纳米颗粒的温度变化可以拓展到多个领域，为其他领域 的发展进步提供重要基础。例如，在利用纳米颗粒研究生物分子相互作用时，大多数生物分 子的相互作用都伴随着吸热或放热的过程，由于分子间的差异性，不同分子间的相互作用 存在差异，因此不同分子间相互作用引起的温度变化也不同。利用纳米颗粒研究生物分子 的相互作用，通过实现对单个纳米颗粒温度变化的测定，可以进一步为研究单个生物分子 相互作用提供一种新的研究手段。
技术实现要素：
第一方面，本发明提供一种单个纳米颗粒的精确快速测温系统，该系统包括： 激光发射模块，包括用于发生单色入射激光的激光发生器、用于将单色入射激光 转换成p偏振光的光路调整组件、用于放大光路信号的光学显微放大物镜、以及用于转换p 偏振光入射角度的半透半反镜片； 样品反应模块，其包括传感芯片以及用于放置单个纳米颗粒的样品池，所述样品 池、传感芯片、光学显微放大物镜同向设置，p偏振光经由半透半反镜片的作用以SPR角度入 射至光学显微放大物镜、传感芯片与样品池，样品池中的单个纳米颗粒受激发发生SPR效 应，传感芯片发生折射光路且通过光学显微放大物镜发射； 温度调节模块，其与样品池控制配合以精确控制样品池的温度； 颗粒强度检测模块，其包括用于转换光学显微放大物镜发射的折射光路入射角度 的反射镜以及用于获取反射镜发射光成像的图像传感器； 通过温度调节模块控制样品池的温度以记录在不同温度下所述的单个纳米颗粒 的SPR强度变化。 本发明的发明人评估了该系统用于监测温度变化过程的有效性；如图3，本实验采 集了不同温度下样品池中去离子水降温过程中SPR强度的变化，获得温度(ΔT)和等离激元 4 CN 111551278 A 说　明　书 2/6 页 共振角位移(Δθ)之间的线性关系，实验值为-76.4K·deg-1，R2＝0.998，与根据SPR角度和 水折射率的光系计算得出的理论值-73.3K·deg-1一致。结果表明，在本发明涉及的装置中， 能够准确有效地通过测定SPR强度的变化监测温度变化。受此实验结果启发，我们可以依据 SPR强度变化测定单个纳米颗粒的温度变化。因此我们搭建了一套单个纳米颗粒的准确快 速测温系统，同时可用于测定颗粒表面修饰的生物分子温度变化。 在一些实施例中，所述光路调整组件包括准直透镜，偏振片和聚光透镜，用于将单 色入射激光转换成p偏振光，聚焦于光学显微放大物镜的后聚焦面上。 在一些实施例中所述的光学显微放大物镜和传感芯片之间填充匹配镜油，该匹配 镜油的折射率为1.51。 在一些实施例中，所述样品池固定在传感芯片的上表面，通过加入溶液将单个纳 米颗粒表面修饰的生物分子和传感芯片表面修饰的目标分子相结合，从而达到将单个纳米 颗粒固定在传感芯片表面且在溶液中发生布朗运动的目的。其产生的SPR这一物理光学信 号可用于传感芯片表面的折射率变化，例如纳米颗粒与传感芯片之间距离及温度的变化。 温度越高，相应的纳米颗粒运动越剧烈。 在一些实施例中光学显微放大物镜的放大倍数为60，其数值孔径为1.49，所述的 图像传感器为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。 在一些实施例中，传感芯片由基底和金属层组成，基底为BK7盖玻片。 第二方面，本发明提供一种单个纳米颗粒精确快速测温方法，所述测定方法采用 本发明提供的系统，具体方法包括如下步骤：步骤1)传感芯片表面修饰纳米颗粒；步骤2)采 集样品不同温度下的SPR图像获得单个纳米颗粒和SPR图像强度的曲线；测试待测样品的 SPR图像强度，通过曲线得到单个纳米颗粒的温度。 在一些实施例中，通过将单个纳米颗粒在不同温度下的SPR强度转化为金纳米颗 粒距离金片表面距离z，可以得到以温度为横坐标，以z2为纵坐标的校准曲线。 在一些实施例中，所述步骤1)具体包括如下步骤：将所述的传感芯片表面固定样 品池，通过IgG和Anti-IgG修饰将纳米颗粒单个分散地结合在传感芯片表面 在一些实施例中，该方法包括如下步骤：所述步骤2)单个纳米颗粒上修饰的生物 分子温度测定具体通过以下方法实现； 步骤21)测试单个金纳米颗粒在不同温度下的SPR强度变化，并将其转化为金纳米 颗粒距离金片表面距离z，可以得到以温度为横坐标，以z2为纵坐标的校准曲线；根据SPR强 度和z的关系：I＝I0  e-z/L；其中，I0为在z＝0时的SPR强度，值为200，L为延迟常数，值为100， 由此可以得到z值；步骤22)绘制单纳米颗粒温度T和z2的校准曲线；步骤23)根据该校准曲 线，我们可以根据纳米颗粒SPR强度变化，获得该纳米颗粒在z方向上的变化，将z2代入该曲 线，测得单个纳米颗粒的温度。 如图4所示，我们获得了单个纳米颗粒通过IgG和Anti-IgG相互作用结合到传感芯 片表面。通过明场和扫描电子显微镜图像(图5)，纳米颗粒在传感芯片表面呈单颗粒分布。 以上结果证明，通过IgG和Anti-IgG的相互作用，单个金纳米颗粒结合到传感芯片表面。接 着测试了单个金纳米颗粒在不同温度下的SPR强度变化，并将其转化为金纳米颗粒距离金 片表面距离z，可以得到以温度为横坐标，以z2为纵坐标的校准曲线。根据SPR强度和z的关 系： 5 CN 111551278 A 说　明　书 3/6 页 I＝I  e-z/L0 其中，I0为在z＝0时的SPR强度，值为200，L为延迟常数，值为100，由此可以得到z 值。 如图6A所示，通过测定纳米颗粒在304K时SPR强度变化，得到纳米颗粒在z方向的 位置信息。为了更为直接显示这种变化，我们取z值的平方，如图6B所示。利用该装置，我们 继续测定了在其他温度下纳米颗粒的SPR强度值，得到纳米颗粒在z方向上的位置信息(图 6C)，并取z值的平方，绘制单纳米颗粒温度T和z2的校准曲线。如图7所示，随温度升高，纳米 颗粒在z方向位置升高，斜率为6.02nm2/K。根据该校准曲线，我们可以根据纳米颗粒SPR强 度变化，获得该纳米颗粒在z方向上的变化，将z2代入该曲线，测得金纳米颗粒及其表面修 饰的IgG和传感芯片表面修饰的Anti-IgG结合对的温度。 此结果表明，该装置能够精确快速地测定单个纳米颗粒及修饰的生物分子温度， 同时为研究温度对单个纳米颗粒布朗运动及生物分子之间相互作用的影响提供一种重要 动态检测手段。 本发明将将温度调节模块和等离激元共振成像模块结合，通过直接检测单个纳米 颗粒的SPR强度的变化，获得测定单个纳米颗粒以及表面修饰的生物分子温度变化能力，为 研究单颗粒温度局域变化及生物分子相互作用提供了一种新的重要研究手段。 本发明的发明人发现了SPR强度与单个纳米颗粒的温度存在关联，进一步地，本发 明的发明人发现通过SPR强度变化，并将其转化为金纳米颗粒距离金片表面距离z，可以得 到以温度为横坐标，以z2为纵坐标的校准曲线；并据此将其应用到纳米颗粒的测温方法中， 测温结果精确可靠。 本发明不仅可以获得单个纳米颗粒的局域温度微小变化，还能够检测单个纳米颗 粒上修饰的生物分子结合对相应温度，具体表现为生物分子的结合、解离和中间态构象变 化产生的温度及热量的差异，获得生物分子结合热力学相关信息。通过对单纳米颗粒上结 合的不同生物分子结合热力学信息的分析和比较，可绘制相应的生物分子体系热能能谱， 进一步拓展人们对分子生物学领域的认知。同时，该发明可拓展至生物体对温度适应机制 的研究，例如对产热和温度调节具有重要作用的线粒体在结构和组成分布发生变化时的动 态温度变化分析；还可拓展至医学领域的生物分子与靶标结合的热力学监测，为肿瘤及癌 症的早期检测和治疗提供了一种有力的工具。 附图说明 图1是本发明涉及的系统的结构示意图； 图2是本发明涉及的方法的流程图； 图3是本发明涉及的装置的温度校准曲线； 图4是本发明涉及的单个纳米颗粒在传感芯片上的结合示意图： 图5A是本发明涉及的单个纳米颗粒的明场图； 图5B是本发明涉及的单个纳米颗粒的扫描电子显微镜图； 图6A是本发明涉及的单个纳米颗粒在304K时z值； 图6B是本发明涉及的单个纳米颗粒在304K时z2值的变化； 图6C是本发明涉及的单个纳米颗粒在304K逐步变化到304.6K时z2值的变化，每段 6 CN 111551278 A 说　明　书 4/6 页 升高0.2K； 图7是本发明涉及的单个纳米颗粒温度T和z2的校准曲线。