Rapid assembly of fluorescence enhanced plasmonic dimers for intracellular single-particle imaging Yang Zhou, Fengju Shen, Qirong Zou, Le Sun, Ziwei Dong, Yi Wang, Jingjing Shen, Quli Fan, Lei Zhang 南京邮电大学柔性电子全国重点实验室、先进材料研究院 Nanoscale，2026 / Accepted Manuscript 本文开发了一种基于聚多巴胺介导的一步法金纳米颗粒二聚体组装策略，并通过调控介孔二氧化硅壳层厚度实现细胞内单颗粒荧光成像探针的可调增强。 这项工作的核心价值在于把“二聚体高效制备”与“荧光增强距离优化”打通，但其增强效果仍依赖粒径、间隙和壳层均一性控制。
金纳米颗粒具有局域表面等离激元共振效应，形成二聚体后可在纳米间隙产生更强的局域电磁场，因此是表面增强荧光和生物成像的重要基元结构。相比单颗粒，二聚体更容易产生“热点”，理论上能显著提升荧光分子的激发效率。 但现有二聚体制备通常依赖DNA连接、基底组装、嵌段聚合物包覆等路线，往往步骤繁琐、后处理复杂，且难兼顾产率、单分散性与可规模化制备，这限制了其在细胞成像中的应用。 另一方面，表面增强荧光并非距离越近越好。荧光分子过近时会发生等离激元共振能量转移导致淬灭；距离过远时局域场衰减，增强消失。因此，如何在高产率获得二聚体的同时，精确控制分子-金属间距，是本文要解决的关键科学问题。 本文要解决的核心问题是：如何构建一种可批量制备、距离可调、能在细胞内实现稳定单颗粒荧光增强的金纳米二聚体探针。
作者首先利用PDA在金纳米颗粒表面的包覆与桥连作用，实现45 nm金纳米颗粒的一步组装，得到约66%比例的二聚体。PDA浓度为1.5 mM时，二聚体耦合峰最明显，说明近场耦合最优且过聚集得到抑制。 随后，研究者在二聚体表面包覆不同厚度的介孔SiO2壳层，将Cy5定位在可控距离处。该设计的本质是平衡两种相反机制：一是二聚体热点带来的激发增强，二是过近接触导致的PRET淬灭。结果显示，20 nm壳层时增强最强。 在光谱匹配上，Cy5激发波长与二聚体LSPR峰位高度重合，有利于最大化利用耦合电场。细胞实验进一步表明，这类荧光增强等离激元二聚体可被HeLa细胞摄取，并在共聚焦下实现明显的原位增强成像。 1.合成45 nm金纳米颗粒，并优化温度与搅拌条件保证粒径均一。
2.在Tris条件下加入PDA，一步桥连形成PDA包覆的AuNP二聚体。
3.通过TEOS调控介孔SiO2壳层厚度为10、15、20 nm。
4.负载Cy5后开展暗场、荧光和细胞成像测试，并用FDTD仿真验证电场增强。
提出PDA介导的一步法二聚体快速组装，简化传统后处理流程。
用介孔SiO2精确调控荧光分子-金属间距，实现从淬灭到增强的连续调节。
将单颗粒暗场表征、细胞共聚焦成像与FDTD仿真结合，形成完整证据链。
在细胞内实现接近9倍的二聚体荧光增强，验证其生物成像潜力。
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AuNPs + PDA/Tris → PDA桥连二聚体二聚体 + TEOS → 不同厚度SiO2壳层SiO2@dimer + Cy5 → FEPDsFEPDs → 单颗粒光谱/细胞成像/FDTD验证
相比传统组装法，本文方法的本质差异在于用PDA实现“快速成对组装”，再用SiO2把最关键的荧光增强距离参数独立调出来。
实验部分围绕“结构是否形成、增强是否可调、细胞内是否有效”三条主线展开。作者通过UV-vis和TEM确认二聚体形成与比例，通过暗场显微和单颗粒LSPR光谱验证耦合特征，再比较不同SiO2厚度下Cy5荧光变化。 在生物应用层面，作者将20 nm壳层的FEPDs孵育HeLa细胞，通过共聚焦显微镜进行原位成像，并用ImageJ定量比较细胞内二聚体与单体的荧光差异。同时采用FDTD模拟二聚体热点电场强度，与实验增强趋势进行对照。 •二聚体比例：约66%（TEM统计，对比单体25%、三聚体7%）
•最优PDA浓度：1.5 mM（对比1.0 mM和3.0 mM）
•二聚体耦合峰：约700–750 nm（对比单体明显红移）
•最优SiO2厚度：20 nm（对比5、10、15 nm）
•自由分子归一化增强因子Ef：二聚体39.4，单体4.4
•理论激发增强上限：约16倍（按电场平方关系估算，对比实测8.9倍）
最关键的性能结论是：通过把Cy5与金二聚体的距离调到20 nm，作者在细胞内实现了约8.9倍单颗粒荧光增强，并与FDTD热点增强趋势一致。
证明了PDA可作为金纳米颗粒二聚体的高效组装介质，兼具简便性与较高产率。
明确给出了该体系中荧光由淬灭转向增强的距离窗口，20 nm为最佳壳层厚度。
在单颗粒和细胞水平上验证了二聚体相对单体的显著增益，而非仅仅来自更高染料载量。
为等离激元增强荧光探针在肿瘤细胞成像中的应用提供了可操作的平台方案。
这项工作推动了“可控制备—距离优化—细胞验证”一体化等离激元荧光探针范式的形成。
本文虽实现了较高比例二聚体组装，但仍存在约25%单体和少量三聚体，说明体系单分散性尚未完全优化。实际样品中的粒径、间隙和壳层厚度分布，也使实测增强低于理想仿真值。 此外，当前验证主要集中于HeLa细胞摄取与成像，尚未系统考察长期生物相容性、胞内定位特异性及复杂生物介质中的稳定性。若未来能结合主动靶向或可响应分子识别模块，其应用边界将进一步扩展。 ☑细胞内单颗粒荧光增强已验证，但需扩展到更多细胞系与动物模型
☐将该平台拓展到定量传感、靶向成像或治疗诊疗一体化
最重要的下一步方向是把当前“增强型成像探针”升级为“可靶向、可定量、可响应”的细胞内功能纳米平台。
这篇论文的核心贡献，是用PDA一步法把金纳米二聚体的制备门槛降下来，再用介孔SiO2把表面增强荧光最关键的距离参数精准调出来。结果表明，20 nm壳层可使Cy5在细胞内获得约8.9倍增强，说明二聚体不仅比单体更强，而且具备实际生物成像潜力。 简单说，这项工作把“会发光的等离激元热点”真正做成了能进细胞、可调控、可验证的单颗粒探针。
Figure 1
图1. (a) 通过紫外-可见光谱在不同时间（0、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90 min）监测二聚体合成过程。(b) 离心去除PDA后金纳米颗粒二聚体的消光光谱。(c) 一些典型金纳米颗粒二聚体的TEM图像。(d) 经不同浓度PDA处理的金纳米颗粒的消光光谱。
Figure 2
图2. (a) 若干二聚体的DFM图像（插图：所选二聚体的SEM图像）。(b) (a)中所选二聚体的LSPR光谱。(c) 具有不同厚度二氧化硅壳层的二聚体的TEM图像。(d) Cy5在具有不同增强效应的等离激元二聚体上的荧光光谱，该增强效应取决于二氧化硅壳层厚度（激发波长：633 nm）。(e) 不同荧光分子浓度下二聚体和单体(f)的荧光强度平滑曲线（1：6×10−6 M。2：3×10−6 M。3：1×10−6 M。）
Figure 3
图3. (a) Hela细胞中FEPDs的DFM图像。(b-d) 共聚焦显微镜下的原位荧光图、明场图和合并图像。(e) (b)的三维荧光强度图。(f) FDTD模拟二聚体的电场强度。
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