基于光学成像技术的单颗粒电化学研究

光学显微镜技术具有高时空分辨率、高通量、高灵敏度、非接触等优点,十分适合于微观、异相界面的电子转移过程研究,因而在单颗粒电化学分析中展现出良好的应用前景.结合本课题组的研究工作,本文主要介绍了单分子荧光显微镜、表面等离激元共振显微镜、暗场显微镜及电化学发光四种光学显微技术在单纳米粒子电化学研究方面取得的最新研究进展,最...     

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...     

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。     

基于GNP@MnO2纳米颗粒的彩色编码暗场显微成像方法对肾上腺素的超灵敏检测

肾上腺素(Adrenaline,AD)是哺乳动物中枢神经系统的一种重要激素,同时也是信号传递的媒介.在体液和神经组织中,AD含量异常可导致多种疾病.本研究发展了一种简单、灵敏、单颗粒检测(SPD)的暗场显微成像方法(DFM)用于AD的定量检测.由于AD的还原性使GNP@MnO2核-壳纳米颗粒的MnO2层刻蚀脱落,金属纳...     

光热显微术:基于光吸收的单分子成像技术

光热显微术是近年来获得广泛关注和长足发展的一种新型光学显微成像技术,能够实现单个纳米粒子甚至单分子的免标记光学成像。其成像原理是利用先进的光学方法探测单分子或单纳米粒子吸收特定波长激发光后所产生的局域温度和介质折射率的微小变化,从而定量研究观测对象的光热特性。由于无辐射弛豫是激发态分子回到基态的优势过程,分子的光热特性相比于荧光特性更具有普遍意义。凭借无需标记、高灵敏度和信号稳定等优点,近十年来,关于单分子和单纳米粒子的光热显微成像研究不断取得突破,并在纳米科学和生命科学等领域获得越来越多的发展和应用,展现出了蓬勃的生命力和良好的发展前景。本文重点综述了光热显微技术的成像原理、发展历程、技术特色以及系统优化方法,列举了光热成像在活细胞研究和生物学领域的应用,最后总结了光热成像的优缺点并分析其主要面临的挑战以及未来的发展趋势,希望吸引更多的研究人员加入到这一新技术的研究队伍中来。     

单分子计数方法研究进展

对单分子计数定量方法的原理、应用及前景进行了评述。在单分子检测的基础上,通过对溶液中检测到的单个分子进行计数,可测定溶液的浓度,这种方法具有灵敏度高、所需样品量少和选择性好的优点。     

基于金纳米粒子的光学生物传感方法研究进展

光学生物传感是以产生各种光学信号为检测基础的一种微量分析技术,具有操作简便、检测成本低、抗干扰能力强及可实现原位检测等优点,在临床诊断、药物分析、环境监测等领域显示出广阔的应用前景.作为纳米材料重要成员之一的金纳米粒子(AuNPs),因其独特的光学性质被广泛用于光学生物传感方法的构建.该文综述了近年来基于金纳米粒子的光...     

基于银纳米粒子构建荧光传感平台用于核酸检测

报道了基于银纳米粒子构建的荧光传感平台,并用于核酸检测.此荧光传感平台对核酸检测基于以下策略:首先,荧光团标记的单链DNA探针被吸附到银纳米粒子的表面,荧光团与银纳米粒子近距离接触,发生荧光猝灭;加入与探针DNA序列互补的目标DNA,两者杂交形成双链DNA,并从银纳米粒子的表面脱离,荧光得到恢复.这种银纳米粒子构建的荧...     

荧光纳米颗粒的化学与生物传感

荧光纳米颗粒,比如量子点、染料包被的纳米颗粒、稀土纳米颗粒等,在过去的几十年里得到广泛的研究和应用,这主要因为它们具有特殊的化学与光电子性质,比如较强的发光强度、较高的稳定性、较大的Stocks位移以及灵活的加工制作性能等.将荧光纳米颗粒引入分析化学将为荧光分析检测提供新的平台.我们立足国内的研究,重点介绍荧光纳米颗粒的化学与生物传感应用,包括对pH值、离子、有机化合物、生物小分子、核酸、蛋白、病毒、细菌等的分析检测.另外,也介绍了荧光纳米颗粒的体外、体内的成像应用.对纳米颗粒应用于分析检测的优势以及信号传导模式也进行了讨论.     

原子力显微镜-荧光显微镜联用技术在活细胞单分子检测中的应用

原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)及荧光显微镜(Fluorescence microscopy,FM)是目前活细胞单分子分析检测中最常用的两种工具.结合两种显微镜的优势,发展高时空分辨、多功能的AFM-FM联用技术成为近年该领域的研究热点.本文简述了AFM单分子力谱和FM单分子荧光成像的原理,总结了AFM-FM联用系统在仪器研制方面的发展概况,并结合本课题组在应用AFM-FM联用技术研究细胞膜上配受体相互作用等方面的工作,介绍了其在活细胞单分子检测中的应用进展.     

结合光学成像技术研究单颗粒碰撞电化学

近年来,单颗粒碰撞技术在纳米电化学领域受到广泛关注. 该技术通常控制超微电极处于某一电位,检测单个纳米颗粒随机碰撞到电极表面后产生的瞬时电流. 通过分析电流信号,可以研究单个纳米颗粒的性质. 尽管该技术可以检测单个纳米颗粒的电化学或电催化电流,但是传统的单颗粒碰撞技术缺乏空间分辨率,难以识别和表征特定的纳米颗粒. 因此,结合光学成像技术研究单颗粒碰撞电化学来补充电化学技术缺失的空间信息已成为一种趋势. 本文首先简要综述了单颗粒碰撞技术的三种检测原理,主要介绍了近年来单颗粒碰撞技术与荧光显微镜、表面等离激元共振显微镜、全息显微镜和电致化学发光相结合的研究进展,最后展望了单颗粒碰撞技术未来的发展趋势.     

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。     

基于散射信号的超分辨光学相减显微镜

现有的光学超分辨显微成像技术主要依赖于特殊的荧光标记物,其对于大多数非荧光样品的超分辨成像就变得无能为力。因此我们提出将光学相减显微技术应用到非荧光样品的成像当中,利用普通共聚焦光斑和面包圈型光斑分别激发样品的散射光成像,从而得到样品同一区域的两幅图像,再通过图像相减的方法提高了图像空间分辨率。不同于一般的超分辨成像方法,这种光学相减显微镜不需要特殊的样品预处理过程,同时两次成像的激发光强度可以保持在一个较低水平,避免了样品损伤的影响。随后金纳米小球和有机聚合物微丝的散射成像实验证明了光学相减显微镜可以将空间分辨率提高到215 nm (0.33λ, 1λ = 650 nm),并且通过探测散射信号得到更多的样品细节信息。     

Motion Capture and Manipulation of a Single Synthetic Molecular Rotor by Optical Microscopy

Single‐molecule imaging and manipulation with optical microscopy have become essential methods for studying biomolecular machines; however, only few efforts have been directed towards synthetic molecular machines. Single‐molecule optical microscopy was now applied to a synthetic molecular rotor, a double‐decker porphyrin (DD). By attaching a magnetic bead (ca. 200 nm) to the DD, its rotational dynamics were captured with a time resolution of 0.5 ms. DD showed rotational diffusion with 90° steps, which is consistent with its four‐fold structural symmetry. Kinetic analysis revealed the first‐order kinetics of the 90° step with a rate constant of 2.8 s^?1. The barrier height of the rotational potential was estimated to be greater than 7.4 kJ mol^?1 at 298 K. The DD was also forcibly rotated with magnetic tweezers, and again, four stable pausing angles that are separated by 90° were observed. These results demonstrate the potency of single‐molecule optical microscopy for the elucidation of elementary properties of synthetic molecular machines.     

原子力显微镜在蛋白单分子结构与功能研究中的应用

原子力显微镜(AFM)以其超常的信噪比、空间分辨率和灵活的探测环境使得单个蛋白分子能在生理条件下成像,在蛋白单分子结构与功能研究中得到广泛地应用。论文介绍了AFM在分子马达、光合蛋白、分子伴侣等蛋白表面结构表征中的应用;AFM在蛋白单分子表面的粘弹性、电荷分布、分子间相互作用等物理属性研究中的进展;总结了AFM在蛋白分子功能研究和单分子操纵中的应用。     

基于原子力显微镜的单分子力谱在生物研究中的应用

原子力显微镜被广泛应用于生物研究领域,基于原子力显微镜的单分子力谱可以在单分子、单细胞水平上研究生物分子内和分子间的相互作用。 本文介绍了原子力显微镜单分子力谱在生物分子间相互作用、蛋白质去折叠、细胞表面生物分子、细胞力学性质和基于单分子力谱成像等研究中的最新进展。     

New Fluorinated Rhodamines for Optical Microscopy and Nanoscopy

New photostable rhodamine dyes represented by the compounds 1 a – r and 3 – 5 are proposed as efficient fluorescent markers with unique combination of structural features. Unlike rhodamines with monoalkylated nitrogen atoms, N′,N‐bis(2,2,2‐trifluoroethyl) derivatives 1 e , 1 i , 1 j , 3 ‐H and 5 were found to undergo sulfonation of the xanthene fragment at the positions 4′ and 5′. Two fluorine atoms were introduced into the positions 2′ and 7′ of the 3′,6′‐diaminoxanthene fragment in compounds 1 a – d , 1 i – l and 1 m – r . The new rhodamine dyes may be excited with λ=488 or 514 nm light; most of them emit light at λ=512–554 nm (compounds 1 q and 1r at λ=576 and 589 nm in methanol, respectively) and have high fluorescence quantum yields in solution (up to 98 %), relatively long excited‐state lifetimes (>3 ns) and are resistant against photobleaching, especially at high laser intensities, as is usually applied in confocal microscopy. Sulfonation of the xanthene fragment with 30 % SO₃ in H₂SO₄ is compatible with the secondary amide bond (rhodamine‐CON(Me)CH₂CH₂COOH) formed with MeNHCH₂CH₂COOCH₃ to providing the sterically unhindered carboxylic group required for further (bio)conjugation reactions. After creating the amino reactive sites, the modified derivatives may be used as fluorescent markers and labels for (bio)molecules in optical microscopy and nanoscopy with very‐high light intensities. Further, the new rhodamine dyes are able to pass the plasma membrane of living cells, introducing them as potential labels for recent live‐cell‐tag approaches. We exemplify the excellent performance of the fluorinated rhodamines in optical microscopy by fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and stimulated emission depletion (STED) nanoscopy experiments.