基于光学显微术的单粒子传感

基于光学显微术的单粒子传感技术是一种将光学显微镜等具有空间分辨能力的研究工具应用于分析传感领域的检测技术.该技术将单个纳米粒子视作一个完整的纳米传感器,分子识别和信号转换均在单个纳米粒子界面上完成,信号读取则通过不同种类的光学显微镜来实现.与宏观的纳米传感器相比,单粒子传感技术通过对单个纳米粒子的光学特征信号进行测量、计数和追踪,可以获得局域微区内分析物的定性和定量信息,从而具有高灵敏度、高通量和可用于微观复杂体系的动态检测等显著优点.首先简要回顾了单粒子光学传感技术的发展历史和国内外研究现状,随后介绍了其主要技术特点,并重点综述了该领域近五年内的重要研究成果.最后指出通过纳米探针、光学成像技术和多维数据处理等多方面的持续发展,可进一步提高单粒子光学传感器的性能,有望使其在分析科学、生命科学和材料科学等诸多领域获得更加广泛和深入的应用.     

单分子宽场光学显微成像技术

单分子宽场光学显微成像技术是单分子检测技术的一种,具有通量高、参数多样、可实时动态监测等优点。本文评述了单分子宽场光学显微成像的技术方法、标记探针、判定原则、检测参数及其在分析化学、生物物理学等领域的应用,指出单分子成像技术正在向仪器设备的实用化、简易化,测量参数的精确化、可视化,研究范围的广泛化、复杂化等方面发展。未来几年单分子成像的研究重点可能会集中在实用定量、突破衍射极限的距离测量、重要生物过程的机理探索和纳米目标物的表征等方面。     

浅谈2014年诺贝尔化学奖:超高分辨率荧光显微成像

超分辨显微成像技术是近些年来发展最快、受关注度最高的光学成像技术之一。这类技术突破了光学衍射极限,将显微镜的分辨率从几百纳米提高到几十纳米,为生命科学研究提供了一个强大工具。目前主流的超分辨率显微技术主要基于点扩散函数调制和单分子定位的原理来实现。其主要贡献者也成为2014年诺贝尔化学奖的获得者。本文简要讲述超分辨显微技术的发展历程并对其发展趋势进行展望。     

单分子定位超分辨显微成像有机荧光探针的研究进展

在生物医学领域,对纳米尺寸级别的微小生物目标进行精确定位研究具有非常重要的意义,而光学显微成像技术为此提供了强有力的工具。 光学显微成像技术受到光学衍射极限的限制,难以分辨尺寸在衍射极限(<200 nm)以下的生物结构,无法直接获取微小生物结构信息,阻碍了生物医学的进一步发展。 近年来,随着纳米分辨显微成像技术的出现,新型荧光探针的开发、成像系统与设备的不断发展及成像算法不断完善地深入结合,促进了光学衍射极限以下尺寸微观目标的研究。 基于单分子定位的超分辨荧光显微成像(SMLM)包括光激活定位成像(PALM)与随机光学重构超分辨成像(STORM),将有机荧光探针与超分辨光学显微成像技术紧密结合在一起,荧光探针的光物理性质直接决定着超分辨成像结果的好坏。 因此,设计不同性能的荧光探针可以实现超精细结构的不同超分辨成像,为研究其生物学功能提供了有力的工具。 本文着重围绕基于SMLM的原理、有机荧光探针的设计要求、用于SMLM的荧光探针种类及其生物应用等方面进行总结综述,指出了单分子定位成像上存在的不足,并对其发展方向进行了展望,希望为对超分辨成像研究感兴趣或初涉该领域的研究者提供成像理论与探针设计方面的帮助。     

单个等离子体纳米颗粒在生化分析和生物成像中的应用

等离子体纳米颗粒（PNPs）因其独特的物理、化学、光学和生物学特性而被广泛地应用于材料科学、生物学和医药学等研究领域。PNPs的光学性质是可以通过改变其组成、形状和大小来进行调控的,所以利用可控合成的方式能够筛选出适合的光散射探针。在单分子水平上实时研究PNPs的动态行为对于理解细胞及活体组织的生命活动机制、制备功能型纳米材料和开发新型化学生物传感器等有着重要的意义。基于传统的暗场显微镜（DFM）,通过对光源、检测器及其它光学元件的择优组装和调试,我们开发出了一系列具有高灵敏度、高时空分辨率和高通量的等离子体光散射成像技术,并将其应用于单分子检测、多颗粒传感、单细胞成像以及生物过程示踪等领域。基于具有光学各向异性的PNPs,我们还研制出了活细胞三维扫描成像系统和超连续激光光片成像与高速毛细管电泳联用系统,推进了单分子光谱方面的研究。本文将总结近十年来本课题组在PNP单颗粒分析及成像中的工作,并为该领域未来的发展提出一些新的思路。     

单分子/单颗粒光学显微成像研究

作为一种新型的光学显微成像手段,单分子、单颗粒光学显微成像技术具有高分辨率、高通量、高灵敏度、非接触、无损伤等优点,在各个学科领域得到了广泛应用.结合本课题组的研究方向,本文综述了单分子、单颗粒光学显微成像研究中的单分子检测,单颗粒光学显微成像追踪,超分辨成像以及单颗粒催化四个方面的重要研究进展,并展望了该成像技术在生物医学应用中的发展前景与挑战.     

单颗粒光散射显微成像技术在生化医药分析中的应用

等离子体纳米颗粒(PNPs)具有体积小、易表面修饰、生物相容性好、毒性低等优点,在生物传感、生物成像、疾病诊断、肿瘤治疗、材料科学等领域得到了广泛的应用。PNPs的光散射光学性质可以通过调节其大小、组成、形貌和微环境来控制,可用于生化和药物分析。此外,由于单粒子散射显微技术具有高空间分辨率和高灵敏度,借助PNPs具有的独特局域表面等离子体共振(LSPR)特性,可在单颗粒水平进行实时成像。根据PNPs的大小、组成、形态、微环境或耦合变化引起的信号变化,研究人员发展了多种显微成像分析方法,主要分为4种,包括散射光谱的波长位移、单粒子散射强度的变化、高通量RGB分析和计数方法。基于纳米颗粒LSPR散射光谱位移变化的方法准确、灵敏,但需要昂贵的单颗粒散射光谱仪和复杂的操作。基于纳米颗粒散射强度变化的方法简单可行,但易受纳米颗粒粒径和曝光时间等因素的影响。高通量RGB分析方法灵敏度高、成本低,但不适用于颜色变化不明显的单颗粒分析,且重复性差。单粒子计数法灵敏度高,但有时粒子分布不均匀,背景杂质的干扰限制了方法的准确度。因此,这4种定量方法各有优缺点。此外,近年来逐渐发展了一些新的定量方法。例如,研究人员开发了新的时间分辨分析定量方法,并将暗场显微镜与偏振器、滤光片等光学器件相结合以消除背景干扰,以及与电化学、拉曼等仪器相结合以扩大应用范围。此外,为提高分析方法的准确度和灵敏度,暗场显微镜与深度学习、云计算、人工智能等现代计算机科学技术的结合,越来越受到人们的欢迎。基于以上原因,该文重点介绍了单粒子光散射显微镜在生化和药物分析领域的应用,总结了近年来的最新研究进展,讨论了单粒子光散射显微镜在定量分析中的几种主要定量方法,提出了未来的发展趋势,以期为相关研究领域的新人提供一定的学术参考。     

可用于活细胞线粒体随机光学重构超分辨成像的分子内可逆环化五甲川菁染料探针

基于单分子定位的随机光学重构超分辨成像作为一种先进的光学成像方法,可用于尺寸小于光学衍射极限的生物结构的超清晰成像,为在单分子层面研究疾病的发病机制及寻找精准的治疗策略提供有力研究工具,在生物医学领域有着广泛的应用前景.随机光学重构超分辨成像技术依赖于标记探针的光物理性质,探针需要在大量缓冲试剂及含巯基试剂存在下才能产生稳定光致闪烁进行超分辨成像,获得理想的超分辨成像结果,但是大量缓冲试剂与巯基试剂对活细胞伤害较大,使得其在活细胞的超分辨成像应用上存在困难,而限制了其在生物医学成像领域的进一步应用,因此,需要开发可用于活细胞的单分子定位超分辨成像的新型光学探针.本工作提出了一种新的可用于单分子定位超分辨成像的五甲川菁染料探针,不需要外加成像缓冲液及巯基试剂就可以产生光致闪烁变化.基于此,开发了一种分子内自发开、关环反应的新型五甲川菁染料探针,具有活细胞膜通透性.探针不需要使用缓冲液体系及对细胞有害的含巯基试剂,在低功率单束激光直接照射下产生光致闪烁,探针对活细胞没有产生明显毒性,适合活细胞的超分辨成像.进入活细胞后探针选择性定位于细胞线粒体上,在激光照射下产生光致闪烁,电子倍增电荷耦合器相机（EMCCD）在采样频率60 Hz下收集不同条件下的光致闪烁图像,设置不同参数进行结果分析,使用ImageJ进行图像预处理后再使用Falcon算法重构获得活细胞线粒体的超分辨成像图像,相比宽场成像,成像分辨率明显提高,为生物医学光学成像提供新的研究手段.     

单分子荧光成像研究单颗粒纳米催化机制

纳米颗粒通常具有优异的催化性能,但由于其内在的异质性,宏观水平的表征难以确定单个纳米颗粒可靠的构效关系和潜在的催化反应机制.单分子荧光成像技术具有单分子灵敏度、高时空分辨率的优点,可以在单颗粒水平实现反应产物的超灵敏检测,因而在纳米催化领域得到了广泛应用.本文综述了单分子荧光成像的发展以及该技术在揭示单颗粒纳米催化反应机制中的应用,主要包括尺寸效应、晶面效应、表面缺陷、等离激元效应、双金属效应、活化能、纳米限域效应以及单颗粒催化通讯等方面.最后总结和展望了单分子荧光成像技术在纳米催化研究中的挑战与发展方向.     

多种超分辨荧光成像技术比较和进展评述

所见即所得是生命科学研究的中心哲学,贯穿在不断认识单个分子、分子复合体、分子动态行为和整个分子网络的历程中。活的动态的分子才是有功能的,这决定了荧光显微成像在生命科学研究中成为不可替代的工具。但是当荧光成像聚焦到分子水平的时候,所见并不能给出想要得到的。这个障碍是由于受光学衍射极限的限制,荧光显微镜无法在衍射受限的空间内分辨出目标物。超分辨荧光成像技术突破衍射极限的限制,在纳米尺度至单分子水平可视化生物分子,以前所未有的时空分辨率研究活细胞结构和动态过程,已成为生命科学研究的有力工具,并逐渐应用到材料科学、催化反应过程和光刻等领域。超分辨成像技术原理不同,其具有的技术性能各异,限制了各自特定的技术特色和应用范围。目前主流的超分辨成像技术包括3种:结构光照明显微镜技术(structured illumination microscopy, SIM)、受激发射损耗显微技术(stimulated emission depletion, STED)和单分子定位成像技术(single molecule localization microscopy, SMLM)。这些显微镜采用不同的复杂技术,但是策略却是相同和简单的,即通过牺牲时间分辨率来提升衍射受限的空间内相邻两个发光点的空间分辨。该文通过对这3种技术的原理比较和在生物研究中的应用进展介绍,明确了不同超分辨成像技术的技术优势和适用的应用方向,以方便研究者在未来研究中做合理的选择。     

Cocrystals Strategy towards Materials for Near‐Infrared Photothermal Conversion and Imaging

A cocrystal strategy with a simple preparation process is developed to prepare novel materials for near‐infrared photothermal (PT) conversion and imaging. DBTTF and TCNB are selected as electron donor (D) and electron acceptor (A) to self‐assemble into new cocrystals through non‐covalent interactions. The strong D–A interaction leads to a narrow band gap with NIR absorption and that both the ground state and lowest‐lying excited state are charge transfer states. Under the NIR laser illumination, the temperature of the cocrystal sharply increases in a short time with high PT conversion efficiency (η=18.8 %), which is due to the active non‐radiative pathways and inhibition of radiative transition process, as revealed by femtosecond transient absorption spectroscopy. This is the first PT conversion cocrystal, which not only provides insights for the development of novel PT materials, but also paves the way of designing functional materials with appealing applications.     

Multifunctional Uniform Core–Shell Fe3O4@mSiO2 Mesoporous Nanoparticles for Bimodal Imaging and Photothermal Therapy

Multimodal imaging and simultaneous therapy is highly desirable because it can provide complementary information from each imaging modality for accurate diagnosis and, at the same time, afford an imaging‐guided focused tumor therapy. In this study, indocyanine green (ICG), a near‐infrared (NIR) imaging agent and perfect NIR light absorber for laser‐mediated photothermal therapy, was successfully incorporated into superparamagnetic Fe₃O₄@mSiO₂ core–shell nanoparticles to combine the merit of NIR/magnetic resonance (MR) bimodal imaging properties with NIR photothermal therapy. The resultant nanoparticles were homogenously coated with poly(allylamine hydrochloride) (PAH) to make the surface of the composite nanoparticles positively charged, which would enhance cellular uptake driven by electrostatic interactions between the positive surface of the nanoparticles and the negative surface of the cancer cell. A high biocompatibility of the achieved nanoparticles was demonstrated by using a cell cytotoxicity assay. Moreover, confocal laser scanning microscopy (CLSM) observations indicated excellent NIR fluorescent imaging properties of the ICG‐loaded nanoparticles. The relatively high r₂ value (171.6 mM ^?1 s^?1) of the nanoparticles implies its excellent capability as a contrast agent for MRI. More importantly, the ICG‐loaded nanoparticles showed perfect NIR photothermal therapy properties, thus indicating their potential for simultaneous cancer diagnosis as highly effective NIR/MR bimodal imaging probes and for NIR photothermal therapy of cancerous cells.     

透明质酸纳米材料在荧光/光声成像和光疗中的应用

荧光/光声成像和光疗技术的生物医学应用引起了人们越来越多的关注, 然而很多荧光/光声造影剂存在生物相容性较差, 缺乏肿瘤靶向性, 信噪比较低, 功能单一等共性问题, 严重限制其诊疗应用. 透明质酸具有优异的生物相容性和主动肿瘤靶向性, 可被透明质酸酶降解, 并且易于化学修饰和实现多种超分子弱相互作用力协同工作. 因此, 人们将透明质酸与荧光/光声造影剂结合制备纳米材料, 使其在细胞乃至活体的标记性能和治疗效果获得了很大的改善. 本文综述了将两类物质结合制备纳米材料的方法, 着重阐述了纳米材料的结构与性能关系, 为其未来设计和开发提供了指导, 最后对存在的主要问题以及未来的重要研究方向进行了分析和展望.     

A Phototheranostic Strategy to Continuously Deliver Singlet Oxygen in the Dark and Hypoxic Tumor Microenvironment

Continuous irradiation during photodynamic therapy (PDT) inevitably induces tumor hypoxia, thereby weakening the PDT effect. In PDT‐induced hypoxia, providing singlet oxygen from stored chemical energy may enhance the cell‐killing effect and boost the therapeutic effect. Herein, we present a phototheranostic (DPPTPE@PEG‐Py NPs) prepared by using a 2‐pyridone‐based diblock polymer (PEG‐Py) to encapsulate a semiconducting, heavy‐atom‐free pyrrolopyrrolidone‐tetraphenylethylene (DPPTPE) with high singlet‐oxygen‐generation ability both in dichloromethane and water. The PEG‐Py can trap the ¹O₂ generated from DPPTPE under laser irradiation and form a stable intermediate of endoperoxide, which can then release ¹O₂ in the dark, hypoxic tumor microenvironment. Furthermore, fluorescence‐imaging‐guided phototherapy demonstrates that this phototheranostic could completely inhibit tumor growth with the help of laser irradiation.     

基于金纳米棒的生物检测、细胞成像和癌症的光热治疗

由于金纳米棒颗粒独特的可调的表面等离子共振特性,使得金纳米棒颗粒在纳米复合材料和功能化纳米器件的构建、纳米生物技术、生物医学等领域具有广泛而重要的应用前景。本文综述了金纳米棒颗粒的生物检测、细胞成像和癌症的光热治疗方面的最新研究进展,并介绍了金纳米棒颗粒的光学性质和金纳米棒颗粒和几种主要的表面修饰方法,对金纳米棒颗粒在生物应用过程中存在的主要问题进行了讨论。     

聚合物纳米光诊疗剂的制备与应用新进展

共轭聚合物纳米颗粒是由π-共轭有机聚合物组成的尺寸在1~100nm范围内的新型有机纳米材料。与传统的有机小分子、半导体量子点和无机纳米材料相比,聚合物纳米颗粒具有光学性质特殊、结构多样、表面易修饰和生物相容性好等优点,因而被广泛应用于生物成像、传感与检测、载药和治疗等领域。本文主要围绕聚合物纳米颗粒的制备方法、性质结构和生物相容性等方面,重点介绍了聚合物纳米颗粒作为光诊疗剂在荧光成像、光声成像,以及光动力和光热治疗领域的研究进展,并对聚合物纳米颗粒的发展前景和未来面临的挑战进行了探讨。     

A Water‐Soluble,NIR‐Absorbing Quaterrylenediimide Chromophore for Photoacoustic Imaging and Efficient Photothermal Cancer Therapy

Precision phototheranostics, including photoacoustic imaging and photothermal therapy, requires stable photothermal agents. Developing such agents with high stability and high photothermal conversion efficiency (PTCE) remains a considerable challenge. Herein, we introduce a new photothermal agent based on water‐soluble quaterrylenediimide (QDI) that can self‐assemble into nanoparticles (QDI‐NPs) in aqueous solution. Incorporating polyethylene glycol (PEG) into the QDI core significantly enhances both physiological stability and biocompatibility of QDI‐NPs. The highly photostable QDI‐NPs offer advantages including intense absorption in the near‐infrared (NIR) and high PTCE of up to 64.7±4 %. This is higher than that of commercial indocyanine green (ICG). Their small size (ca. 10 nm) enables sustained retention in deep tumor sites and also proper clearance from the body. QDI‐NPs allow high‐resolution photoacoustic imaging and efficient 808 nm laser‐triggered photothermal therapy of cancer in vivo.     

Semiconducting Polycomplex Nanoparticles for Photothermal Ferrotherapy of Cancer

This study reports the development of iron‐chelated semiconducting polycomplex nanoparticles (SPFeN) for photoacoustic (PA) imaging‐guided photothermal ferrotherapy of cancer. The hybrid polymeric nanoagent comprises a ferroptosis initiator (Fe³⁺) and an amphiphilic semiconducting polycomplex (SP_C) serving as both the photothermal nanotransducer and iron ion chelator. By virtue of poly(ethylene glycol) (PEG) grafting and its small size, SPFeN accumulates in the tumor of living mice after systemic administration, which can be monitored by PA imaging. In the acidic tumor microenvironment, SPFeN generates hydroxyl radicals, leading to ferroptosis; meanwhile, under NIR laser irradiation, it generates localized heat to not only accelerate the Fenton reaction but also implement photothermal therapy. Such a combined photothermal ferrotherapeutic effect of SPFeN leads to minimized dosage of iron compared to previous studies and effectively inhibits the tumor growth in living mice, which is not possible for the controls.