《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Determination of nanostructured human serum albumin assembly based on enhanced topological fluorescence lifetime decays by applying controlled spatial tiny gold Core-shell labelling
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该研究通过结合增强的微小金核壳纳米发光体与纳米结构人血清白蛋白（HSA），揭示了不同三维纳米生物复合物的光物理特性。实验发现，纳米纤维呈现超快发光衰减，球形组装体快衰减，而聚集态结构衰减较慢，证实了三维空间约束对光发射行为的影响，为高灵敏度生物检测和光治疗技术提供了新思路。
瓦伦丁·罗尔丹·朱利安（Valentín Roldan Julian）、尼古拉斯·A·乌尔基萨（Nicolás A. Urquiza）、阿丽西亚·V·韦利亚（Alicia V. Veglia）、丹妮拉·A·金特罗斯（Daniela A. Quinteros）、A·吉列尔莫·布拉卡蒙特（A. Guillermo Bracamonte）
阿根廷科尔多瓦国立大学（Universidad Nacional de Córdoba），化学科学学院（Facultad de Ciencias Químicas），有机化学系（Departamento de Química Organica），邮编X5000HUA，科尔多瓦（Córdoba，Argentina）
摘要
在这项研究中，通过将增强的纳米金核壳纳米发射体（Enhanced tiny gold Core-shell Nano-emitters）与纳米结构化人血清白蛋白（Nanostructured Human Serum Albumin，HSA）结合，评估了不同的光传输路径。增强的纳米发射基于金属增强荧光（Metal Enhanced Fluorescence，MEF）效应，该效应由经过荧光素（Fluorescein，Au@SiO2-Fl）改性的15纳米金等离子体模板产生；而HSA则在180纳米球形颗粒内部由于天然氨基酸的限制而表现出稳定的发光特性。通过这种合成纳米生物共轭物（d15 Au@SiO2–Fl-HSA），实现了多种外延纳米结构，并伴随着完全不同的发光行为。这一发现引发了人们对不同光学活性和非活性材料如何相互作用的好奇，因为所有这些材料在其自由状态下都保持了原有的性质。为此，通过调整激光激发和发射滤波器来刺激不同的光传输路径，从而评估了纳米生物系统的敏感性。这种方法考虑了发射体的标准激发、MEF效应以及FRET（Fluorescence Resonance Energy Transfer）路径；然而，精确的3D结构限制也产生了基于相同现象的不同发光源。因此，纳米生物界面产生的热光子点会根据其3D环境产生不同的发光效果。例如，纳米生物纤维表现出超快衰减，球形纳米生物组装体具有快速衰减特性，而聚集和非均匀结构的衰减速度则较慢。因此，定义了精确的光学材料。这种能力使得通过光子计数衰减来展示中间态成为可能，为高灵敏度的纳米生物光子学检测提供了潜在前景。由此，凸显了时间分辨纳米生物光学（Nano-Bio-Optics）和传统光学（Optics）的重要性。
引言
利用增强型非经典光（enhanced non-classical light）的纳米技术发展可以通过多种策略和现象实现，其中目标3D组装体的参与可以改善生物传感[1]。在这一背景下，设计和合成纳米尺度上的光学活性材料[2]，并控制其与不同能量模式的相互作用[3]，对于生命科学领域具有重要意义[4]。光与物质的相互作用可以产生其他现象，这些现象如果能得到很好的解释，将能为生物介质提供重要信息[5]。在这方面，光子、量子粒子甚至更高级的玻色子可以用于生物结构的生物传感，包括不同类型的细胞、细胞器和组织[6]。因此，光学活性纳米平台成为能量的限制来源。用于传递非经典光的纳米结构成为多功能纳米工具，如纳米发射体、多功能光学活性纳米平台、纳米激光器、量子激光器以及智能响应、可远程控制开关的功能化纳米材料[7]。此外，还包括纳米光学（Nano-Optics）和混合合成纳米生物光学（hybrid synthetic Nano-Bio-Optics）的设计与合成。例如，金属增强荧光（Metal Enhanced Fluorescence，MEF）作为一种合成非经典光源[8]，在纳米尺度上具有广泛应用潜力，可用于生物光子学和生物成像，甚至纳米医学[9]。MEF是一种等离子体效应，能够增强位于金属表面一定距离处的分子发射体的荧光强度[10]。核壳纳米颗粒（Core shell Nanoparticles）作为一种多功能纳米结构，可以根据应用需求调节其光学性质[11]，这对于生物光子学和生物检测非常有利，因为需要通过光进行远程刺激来调节和转换光子和能量以检测生物事件和生物分子[12]。最近报道了基于MEF的超发光金核壳纳米颗粒，在最佳条件下具有高MEF效应[13]。此外，这些现象还取决于其他因素和变量，如掺杂介质和组织化系统的性质。
在这一背景下，通过正确选择和调节光学活性纳米材料，开发了可控的纳米光学平台[14]，从而能够对外部刺激产生多样化的智能响应，影响其内在的光学性质。可以在光学纳米平台上开发许多光学活性特性；然而，诸如金属纳米颗粒近场产生的电磁场等光电现象（Optoelectronic phenomena）可以改变其周围环境的光学特性，这对于生物结构、生物分子、病毒以及更大尺寸的纳米和微纳结构的检测具有重要意义[6]。在纳米尺度上发展不对称性对于3D化学区分和生物结构分辨率具有很高的研究价值[7]。在这方面，通过精确控制纳米尺度、物质组成和光学增益介质，可以实现激光发射[8]。例如，ZnO纳米棒在近场中表现出高强度的电磁场，这与纳米尺度上的短距离有关[9]。这种电磁场主要是由于沿其几何形状的电子分布不对称性产生的[10]。这些由金属表面电子振荡产生的等离子体效应可以与其他类似场耦合，形成增强型等离子体效应（Enhanced Plasmonics，EP[15]。这种效应可以通过纳米阵列或组织良好的纳米颗粒之间的多纳米颗粒相互作用获得[16]。
在这方面，纳米生物结构在生物光子学、生物检测和治疗诊断（Theranostics）领域具有广泛应用前景。最近，我们开发了一种由增强型发光纳米金核壳颗粒与纳米结构化人血清白蛋白（HSA）共轭而成的纳米生物复合材料[17]。选择HSA的原因是它在中枢神经系统等多种生物过程中的重要作用，如激素调节、物质运输和传递功能[18]。基于这些已知功能，对其进行了研究和表征，以了解其分子、生物分子及更复杂的化学结构[19]。此外，基于其他拓扑结构的核壳纳米架构，还报道了Au star@SiO2–NaYF4:Yb3+,Er3+纳米簇中的等离子体增强上转换发光现象，用于高灵敏度检测白蛋白[20]。同样，纳米尺度的发展激发了人们对层次结构形成的兴趣，例如在3D空间中展示的对称性和不对称性[21]。因此，在纳米生物光学设计中引入不对称性也具有重要意义[22]。在这方面，许多与HSA以及血液中肽类和脂质相互作用的研究工作也值得关注[23]。例如，血浆人血清白蛋白（HSA）的功能高分辨率配位化学揭示了对其动态结构和相互作用的深入理解，这些相互作用可能是短暂的、微弱的、多步骤的或别构的[24]。然而，即使在这样的研究水平和高分辨率相互作用下，仍需要进一步开发新技术、方法和研究策略[25]。在这方面，纳米尺度为实现多种目标开辟了新的途径，以更深入地理解新的纳米和微纳结构[26][27]。不同的HSA 3D结构参与了与环肽Dalbavancin的相互作用和结合机制[28]。通过90度旋转，实现了从球形到圆柱形的转变，从而在其末端结合了肽类[29]。此外，这类研究对于基于HSA结合前药的纳米颗粒以及抗癌的化学和光治疗也具有重要意义[30]。
在这一多学科研究领域，重点研究了由纳米金核壳颗粒和纳米结构化HSA形成的混合纳米纤维的外延生长[31]。利用MEF效应和FRET（Fluorescence Resonance Energy Transfer）耦合，在纵向EP（Plasmonic Enhancement）纳米生物结构中产生了非经典光[32]。将自由的光学活性成分与纳米生物纤维及其他形状的结构进行了比较，讨论了不同的快速和超快发光路径[33]。研究了涉及潜在增强发光的纳米生物架构。
设备介绍
Thermo-Fischer Scientific公司提供了具有振荡模式的摇床（Shaker）和涡流器（Vortex），用于维持分散的胶体分散体并根据需要重新分散它们。
使用Delsa?Nano Submicron颗粒尺寸-ζ电位分析仪来测量纳米生物结构的尺寸和动态特性。
UV–vis和光谱荧光测量分别在MultiSpect-1501Shimadzu和Cary-Eclipse仪器上进行。
寿命测量也在相应的仪器中完成。
纳米金核壳颗粒和纳米结构化人血清白蛋白颗粒的合成与表征
金核模板通常采用经典的Turkevich方法制备，直径约为15.0±0.7纳米。反应的可重复性通过三次实验得到验证，变异系数（Coefficient of Variation，CV%）约为1–2%，表明核模板的稳定性良好，从而实现了我们之前开发的受控壳层掺入[32]。这些颗粒通过TEM（Transmission Electron Microscopy）和DLS（Dynamic Light Scattering）进行分析，得到了相似的尺寸结果[33]。
结论与未来展望
从研究结果来看，可以明确不同架构的外延生长和发育过程。简而言之，在没有反纳米结构共轭体的情况下，纳米颗粒间的相互作用会导致荧光衰减加剧，因为存在聚集现象[34]。然而，在存在纳米结构化HSA的情况下，非共价相互作用（图5.a）导致形成了球形结构
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
特别感谢阿根廷科尔多瓦国立大学（Universidad Nacional de Córdoba，UNC）的科学技术部（SeCyT）提供的研究资助。同时，也非常感谢加拿大魁北克拉瓦尔大学（Laval University）的Denis Boudreau教授长期以来以来的研究合作，以及所有支持这项研究的加拿大资助项目。此外，还要感谢访问Jesse Greener实验室的机会，该实验室隶属于化学系（Departement de Chimie）。
