Small Methods:纳米局域温度场的测量与调控助力超快PCR

核酸检测是疾病诊断、食品安全控制和环境监测的重要手段之一,其目的是检测相关病原菌或病毒。传统的核酸检测依赖于聚合物链反应(PCR)对靶核酸序列进行指数放大,已广泛应用于各实验室和临床中心。热循环是PCR的关键环节,它决定了PCR的检测速度。传统PCR仪的热循环效率普遍较低,每次检测需要数小时才能完成反应,很难满足日益增长的核酸检测需求,特别是对于大规模疫情(如COVID-19、SARS等)的要求。因此,为了实现快速核酸(NA)扩增检测,需要采用高效的加热/冷却方法进行热循环。

针对这一问题,各种基于金纳米结构(如金纳米棒、金双锥和金膜)的等离子体光热循环系统被开发出来,以实现快速核酸扩增。这些系统可以在激光照射下实现高加热速率,从而显著缩短放大时间。然而,这需要较高浓度的纳米颗粒,这可能会抑制扩增效率,并且其冷却速度没有得到改善。因此,对具有更高效率和更快加热/冷却速率的超快热循环方法的需求仍然没有得到满足。

近日,西安交通大学仿生工程与生物力学研究所(BEBC)与美国圣路易斯华盛顿大学Srikanth Singamaneni教授课题组合作首次提出了利用纳米金纳米棒的等离子体光热效应构建纳米局域内的超快热循环系统,实现了大于104 ℃/s升降温速率。该方法通过限制加热体积在aL级别,从而实现快速的温度响应。在这过程中,量化和调整纳米局域温度场是一个重要挑战。该研究将实验测量与数值模拟相结合,提出了一种简单的方法来量化和调节纳米尺度的温度场。利用金-巯键的温度依赖稳定性,首次提出了一种间接测量纳米金表面温度的方法。同时,研究了纳米金表面温度与纳米金浓度和激光强度的关系。结合热扩散模拟,得到了激光辐照下的纳米局域温度场。最后,该研究在纳米局域温度场中成功地实现了双链特异性核酸酶(DSN)介导的等温扩增。该研究所开发的纳米局域温度场的定量和调节方法适用于各种贵金属纳米结构,有助于纳米局域环境中生化反应的发展。

该研究工作第一作者为西安交通大学生命学院游民黎助理教授,通讯作者为圣路易斯华盛顿大学Srikanth Singamaneni教授和西安交通大学徐峰教授。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目和陕西省科技创新团队项目的资助。

论文信息:

Quantifying and Adjusting Plasmon-Driven Nano-Localized Temperature Field around Gold Nanorods for Nucleic Acids Amplification

Minli You, Pengpeng Jia, Xiaocong He, Zheyu Wang, Shangsheng Feng, Yulin Ren, Zedong Li, Lei Cao, Bin Gao, Chunyan Yao, Srikanth Singamaneni*, Feng Xu*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202001254