单分子检测技术
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3
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定义
1. 单分子检测技术是检测灵敏度达到分子水平的 一系列高灵敏检测技术。 2.单分子检测是分析化学家长期以来梦寐以求的 一项富有挑战性的前沿领域,达到了分子检测灵敏 度的极限,是物质低含量监测技术中最后一个里程 碑。 特点：检测空间尺度在纳米数量级,检测的分子数 目或相关事件一般在几个(次)到几千个(次)的范 围。
单分子检测 Single Molecules Detection
高等分析化学与实验
Outline of my presentation
Introduction History and background Single Molecules Detection(SMD) SMD in modern chemistry Electrochemical Detection Fluorescence Spectroscopy Localized Surface Plasmon Resonance(LSPR) Application
测定生物大 分子如蛋白质 和核酸需要进 行外部标记
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14
局域表面等离子体共振检测
局域表面等离子体是存在于金属纳米粒子或不连续 的金属纳米结构中的电荷密度震荡。 局域表面等离子共振是当金属纳米粒子被入射光激 发时,因内部自由电子的协同振荡而产生的共振。
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12
单分子荧光检测
单分子的识别
1.光谱法； 2.荧光寿命法，纳秒级； 3.光子爆发量(强度)，分子不同,荧光量子产率 等光物理性质不同,导致发射的光子数不同； 4.时间分辨荧光各向异性。
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13
单分子荧光检测
优点
缺点
操作基本无太 大难度，易于实 现；检测效率比 较高；可进行实 时监测
识别、分类和定 量描述单分子
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20
LOGO
单分子电化学检测
优点
缺点
无需标记；无 污染、实时、高 灵敏度
纳米颗粒制 备复杂；信噪 比低；对检测 器要求高
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19
单分子检测技术的应用
4 1 3 在生理条件下，探 测生物大分子并提 供分子结构和功能 之间的信息
检测非均匀聚 集体中的单个 分子
2
对化学反应 的途径进行 实时监测
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4
背景
我们为什么需要单分子检测？
对超灵敏度检测技术的需求！！！
例：AIDS的研究 未检出≠不存在
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5
研究方法
1
2
3
扫描探针显微 方法,包括扫 描隧道显微镜 等
化学方法,包 括电化学检 测，化学发 光检测等
光学方法,包 括表面增强拉 曼光谱、共聚 焦荧光显微法 等
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10
单分子电化学检测
优点
缺点
检测分子本身 的电荷变化，是 一种直接检测； 几乎不影响被测 对象；适合和其 他方法联用
电极制备复 杂，合格率较 低；电极不一 样，实验结果 重现性不好。
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11
单分子荧光检测
基本原理:在激光照射下,荧光分子从基态到激发 态,发射光子回到基态。根据荧光寿命和分子在激 光束中停留时间,可算出单个分子发射的最大光子 数为105~106。目前光学检测系统收集、检测 光子的效率约为1%或0.5%~5%,故单个分子 仍可被检测到数千光子信号。 检出限约为10-13mol/L，应用最广！
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6
单分子检测的研究方法
共同特征
1
高空间分辨能 力；
2
单分子性质 和行为的捕 获能力；
3
能收集微弱信 号并放大检测, 并做相应的分 析处理以获取 可信的信息。
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7
单分子电化学检测
溶液中分子在两个电极间进行反复循环氧化还 原反应,形成回路和可测量的电流,据此可进行 SMD. 通过使用特制的纳米微电极，将少量待测电 活性分子捕获在纳米微电极与基底之间；在扩散 作用下，分子穿梭于微电极与基底之间，从而形 成电流，通过检测形成的电流从而实现单分子的 检测。 可以确定半反应电势自由能及反应动力学.
15
局域表面等离子体共振
光与金属纳米颗粒的相互作用过程：
激发光携带一定强度的电场 自由电子在电场中开始振荡 激发电场和电子的振荡形成共振 自由电子吸收能量被共振激发 自由电子返回基态并释放能量 能量形式：热能 + 发射光子(散射光)
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16
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LSPR传感器
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8
单分子电化学检测
单分子的电化学检测的两个前提条件: (1)要能独立检测发生在纳米尺度空间的反应 变化,实现对有限个数分子的捕获。（使用纳米微 电极） (2)需要把反映单分子行为的微弱信号放大到 可以检测的程度。
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理论上所有的金属、合金、半导体材料都可以做 成LSPR传感器，常用金、 银、铂等贵金属。 LSPR的吸收光谱峰值处的吸收波长取决于材料 的微观结构特性，如组成、 形状、 大小、 局域 传导率。
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17
LSPR传感器
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18
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2
2
Single Molecules Detection
Push your research into extremes!
Extremely small space (sub micrometer to nanometer) Extremely low concentration (pico molar, femto molar 10-15, atto molar) Dynamic environment (binding, conformation changing, diffusion)
9
单分子电化学检测
检测分子：三甲铵甲基二茂铁 (Cp2FeTMA+) 电解质：NaNO3 电极：Pt-Ir微电极，包裹在纳米级厚 度的蜡鞘中。 基底：导电基底 检测方法：扫描电化学显微镜，并采用 正反馈工作模式实现信号放大, 检测到 pA级电流。 结果：探针电流呈现离散变化。 电流值为0. 5 pA、1. 0 pA和0 pA的概率大,这3个电流值分别对应着在 探测空间中存在1个、2个或0个电活性 分子。
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定义
1. 单分子检测技术是检测灵敏度达到分子水平的 一系列高灵敏检测技术。 2.单分子检测是分析化学家长期以来梦寐以求的 一项富有挑战性的前沿领域,达到了分子检测灵敏 度的极限,是物质低含量监测技术中最后一个里程 碑。 特点：检测空间尺度在纳米数量级,检测的分子数 目或相关事件一般在几个(次)到几千个(次)的范 围。
单分子检测 Single Molecules Detection
高等分析化学与实验
Outline of my presentation
Introduction History and background Single Molecules Detection(SMD) SMD in modern chemistry Electrochemical Detection Fluorescence Spectroscopy Localized Surface Plasmon Resonance(LSPR) Application
测定生物大 分子如蛋白质 和核酸需要进 行外部标记
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局域表面等离子体共振检测
局域表面等离子体是存在于金属纳米粒子或不连续 的金属纳米结构中的电荷密度震荡。 局域表面等离子共振是当金属纳米粒子被入射光激 发时,因内部自由电子的协同振荡而产生的共振。
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单分子荧光检测
单分子的识别
1.光谱法； 2.荧光寿命法，纳秒级； 3.光子爆发量(强度)，分子不同,荧光量子产率 等光物理性质不同,导致发射的光子数不同； 4.时间分辨荧光各向异性。
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单分子荧光检测
优点
缺点
操作基本无太 大难度，易于实 现；检测效率比 较高；可进行实 时监测
识别、分类和定 量描述单分子
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单分子电化学检测
优点
缺点
无需标记；无 污染、实时、高 灵敏度
纳米颗粒制 备复杂；信噪 比低；对检测 器要求高
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单分子检测技术的应用
4 1 3 在生理条件下，探 测生物大分子并提 供分子结构和功能 之间的信息
检测非均匀聚 集体中的单个 分子
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对化学反应 的途径进行 实时监测
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背景
我们为什么需要单分子检测？
对超灵敏度检测技术的需求！！！
例：AIDS的研究 未检出≠不存在
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研究方法
1
2
3
扫描探针显微 方法,包括扫 描隧道显微镜 等
化学方法,包 括电化学检 测，化学发 光检测等
光学方法,包 括表面增强拉 曼光谱、共聚 焦荧光显微法 等
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单分子电化学检测
优点
缺点
检测分子本身 的电荷变化，是 一种直接检测； 几乎不影响被测 对象；适合和其 他方法联用
电极制备复 杂，合格率较 低；电极不一 样，实验结果 重现性不好。
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单分子荧光检测
基本原理:在激光照射下,荧光分子从基态到激发 态,发射光子回到基态。根据荧光寿命和分子在激 光束中停留时间,可算出单个分子发射的最大光子 数为105~106。目前光学检测系统收集、检测 光子的效率约为1%或0.5%~5%,故单个分子 仍可被检测到数千光子信号。 检出限约为10-13mol/L，应用最广！
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单分子检测的研究方法
共同特征
1
高空间分辨能 力；
2
单分子性质 和行为的捕 获能力；
3
能收集微弱信 号并放大检测, 并做相应的分 析处理以获取 可信的信息。
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单分子电化学检测
溶液中分子在两个电极间进行反复循环氧化还 原反应,形成回路和可测量的电流,据此可进行 SMD. 通过使用特制的纳米微电极，将少量待测电 活性分子捕获在纳米微电极与基底之间；在扩散 作用下，分子穿梭于微电极与基底之间，从而形 成电流，通过检测形成的电流从而实现单分子的 检测。 可以确定半反应电势自由能及反应动力学.
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局域表面等离子体共振
光与金属纳米颗粒的相互作用过程：
激发光携带一定强度的电场 自由电子在电场中开始振荡 激发电场和电子的振荡形成共振 自由电子吸收能量被共振激发 自由电子返回基态并释放能量 能量形式：热能 + 发射光子(散射光)
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LSPR传感器
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单分子电化学检测
单分子的电化学检测的两个前提条件: (1)要能独立检测发生在纳米尺度空间的反应 变化,实现对有限个数分子的捕获。（使用纳米微 电极） (2)需要把反映单分子行为的微弱信号放大到 可以检测的程度。
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理论上所有的金属、合金、半导体材料都可以做 成LSPR传感器，常用金、 银、铂等贵金属。 LSPR的吸收光谱峰值处的吸收波长取决于材料 的微观结构特性，如组成、 形状、 大小、 局域 传导率。
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Push your research into extremes!
Extremely small space (sub micrometer to nanometer) Extremely low concentration (pico molar, femto molar 10-15, atto molar) Dynamic environment (binding, conformation changing, diffusion)
9
单分子电化学检测
检测分子：三甲铵甲基二茂铁 (Cp2FeTMA+) 电解质：NaNO3 电极：Pt-Ir微电极，包裹在纳米级厚 度的蜡鞘中。 基底：导电基底 检测方法：扫描电化学显微镜，并采用 正反馈工作模式实现信号放大, 检测到 pA级电流。 结果：探针电流呈现离散变化。 电流值为0. 5 pA、1. 0 pA和0 pA的概率大,这3个电流值分别对应着在 探测空间中存在1个、2个或0个电活性 分子。