功能化纳米颗粒,如脂质体和胞外囊泡,是纳米医学和纳米生物学的重要研究内容。研究表明,功能化纳米颗粒携带的生物分子信息、形态特征与其功能和生物来源都有紧密联系。然而,功能化纳米颗粒总存在化学和物理形态的异质性,目前的“金标准”表征方法存在表征模态单一、仅提供大批量样本的“平均化”信息的局限性,因此无法准确描述纳米颗粒各模态的高度异质特征。此外,科学家们利用基于荧光的表征技术实现了同时表征形态和化学信息的能力,然而荧光的方法稳定性较差,且表征能力受限于荧光通道数和标记库,想要同时表征未知纳米颗粒中的多种生物分子信息仍存在挑战。拉曼光镊显微技术作为无标记式技术为纳米颗粒的表征提供了新技术手段。尽管拉曼光镊技术在表征灵敏度、通量和模态种类等方面都取得了突破,然而纳米颗粒中的团聚现象使得当前的拉曼光镊技术很难在真正的单颗粒基础上进行精确表征。针对这一问题,本论文提出了一种集成拉曼光镊和纳米粒子示踪技术的多模态纳米颗粒表征技术。在该技术中,单个纳米颗粒被光阱捕获后,分别收集粒子的拉曼散射和弹性散射信号,获得拉曼光谱和粒子在陷阱中的位置信息,以确定粒子的形态和化学信息。基于受限布朗运动模型和米氏散射模型,本论文阐述了激光光镊中纳米颗粒粒径和折射率的表征原理;此外,一旦获取粒径信息,本技术还能根据拉曼光镊技术的共聚焦特性和拉曼光谱的线性叠加模型实现粒子的绝对化学浓度表征。该技术的一大亮点在于它能够根据位置分布特征鉴别粒子的聚集性。随后,我们设计并搭建了该多模态表征系统,并成功实现了自动化数据采集。利用不同材质和粒径的标准纳米小球,我们对系统的表征性能和表征精度进行了优化和标定。同时,该系统与商用“金标准”表征仪器的比较结果验证了系统对研究要求的满足。进一步,通过化学和尺寸信息的结合,我们在无需冷冻电镜和荧光标记的情况下实现了药脂质体单体的包封率和膜层数表征;在胞外囊泡的实验中,我们利用纯物质拉曼光谱库和非对称最小二乘模型,成功实现了无需标记的囊泡单体的多种化学组分定量表征。通过主成分分析和层次聚类分析,我们揭示了胞外囊泡的潜在亚型和其组分差异的本质。此外,我们还发现当敲低头颈鳞状癌细胞HN4表面的TRPP2离子通道后,源自癌细胞的胞外囊泡的化学成分变得与非癌细胞系分泌的对应物更为相似。而各细胞系囊泡中仅有少数存在这种差异,突出了单颗粒表征的重要性。综上所述,集成拉曼光镊-纳米粒子示踪技术为表征纳米颗粒的异质性提供了一种新颖的定量多模态表征方法,其在纳米递送系统中药物含量的标准化,推动癌症的预后生物“标志物”的研究等方面具有应用潜力。