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.     

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...     

单个纳米颗粒的光散射检测技术进展

纳米颗粒因其在生物医学和生物分析领域具有重要的应用前景而备受关注.单个纳米颗粒的光散射检测技术是一种简单、有效地对纳米颗粒的尺寸、尺寸分布及浓度等进行表征的分析方法,尤其在揭露纳米颗粒的内在异质性方面具有独特优势.然而瑞利散射强度随粒径减小呈六次方衰减,使得小尺寸单个纳米颗粒的检测非常具有挑战性.本文对近年发展起来的多种单个纳米颗粒的光散射检测技术进行综述.     

细胞迁移介导的金纳米颗粒外排作用成像研究

阐明纳米材料的细胞外排途径对于其在临床医疗方面的应用转化至关重要。然而,对于纳米材料是否会在细胞迁移的过程中被清除,还缺乏直接的证据和结论。本研究以金纳米颗粒(AuNPs)作为成像探针,利用暗场显微镜实时地观察和分析了细胞迁移过程中,AuNPs在收缩丝内的运动和外排过程。结果表明,部分被细胞摄取的AuNPs存在于收缩丝内,且颗粒的运动速率随着其与胞体距离的增大而减小,当收缩丝与胞体断开联系后,AuNPs被遗留在胞外。研究结果表明,外源性的纳米材料可以在细胞迁移过程中被外排。此研究结果有助于设计更安全高效的纳米材料,并应用于诊断和治疗。     

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...     

氧化铁纳米颗粒在磁共振成像中的应用

目前临床诊断中钆基造影剂的应用十分广泛,然而其对人体的毒性无法忽视,因此研究者致力于低毒性造影剂的研发。氧化铁纳米颗粒(Iron Oxide Nanoparticles,IONP)因其超顺磁性在磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)中具有良好的暗对比效果,并且具有良好的生物相容性。随着生物材料和分子影像技术的发展,IONP在MRI成像中的应用愈发广泛。近年来,IONP在多模态成像和诊断治疗一体化方面取得了进展。本文将以IONP的MRI成像机理、制备和表面修饰为基础,阐述近年来IONP在MRI成像应用的研究成果和问题,期望IONP取得更好的发展。     

共振散射相关光谱一种新的单颗粒探测方法

基于共焦构型构建了共振散射相关光谱新方法, 阐明了共振散射相关光谱的原理, 并利用纳米金的共振散射特性, 将纳米金标记到生物分子上. 考察了该系统的重现性以及溶液粘度、粒径、浓度和激光能量对金纳米粒子在溶液中扩散行为的影响. 结果表明, 共振散射相关光谱可以替代荧光相关光谱, 应用于生物分析和某些生物系统研究.     

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。     

单颗粒-电感耦合等离子体质谱测定海水中银纳米颗粒

建立了单颗粒-电感耦合等离子体质谱法(SP-ICP-MS)量化与表征海水中银纳米颗粒(AgNPs)的方法。筛选了SP-ICP-MS检测海水中AgNPs时的最优驻留时间,通过探究海水基质对AgNPs检测的影响,确定了海水样品稀释倍数,并利用本方法对大连市近岸海域3个站位表层海水样品中的AgNPs进行测定。结果表明,仪器最优驻留时间为100μs, 150倍稀释海水样品可提高AgNPs浓度的测定准确度。本方法测定海水中AgNPs数量浓度检出限为9.75×10³ particles/mL,粒径检出限为12 nm,标称粒径50和100 nm AgNPs的平均加标回收率均大于70%。大连市近岸海域3个站位表层海水样品中均检测出AgNPs,数量浓度最大值为(2.1±0.004)×10⁶ particles/mL,最小值为(1.1±0.01)×10⁵ particles/mL,粒径分布在18～200 nm之间。本方法具有样品制备简单、分析速度快、颗粒物数量浓度检出限低等优点,为近岸海水中AgNPs的监测分析提供了可靠的分析方法。     

Dark‐Field‐Based Observation of Single‐Nanoparticle Dynamics on a Supported Lipid Bilayer for In Situ Analysis of Interacting Molecules and Nanoparticles

Observation of single plasmonic nanoparticles in reconstituted biological systems allows us to obtain snapshots of dynamic processes between molecules and nanoparticles with unprecedented spatiotemporal resolution and single‐molecule/single‐particle‐level data acquisition. This Concept is intended to introduce nanoparticle‐tethered supported lipid bilayer platforms that allow for the dynamic confinement of nanoparticles on a two‐dimensional fluidic surface. The dark‐field‐based long‐term, stable, real‐time observation of freely diffusing plasmonic nanoparticles on a lipid bilayer enables one to extract a broad range of information about interparticle and molecular interactions throughout the entire reaction period. Herein, we highlight important developments in this context to provide ideas on how molecular interactions can be interpreted by monitoring dynamic behaviors and optical signals of laterally mobile nanoparticles.     

停流技术在生物化学分析中的应用

本文全面评述了停流技术的研究现状及发展,讨论了典型的仪器装置及其在生化分析中的应用。     

Probing Dynamic Features of Phagosome Maturation in Macrophage using Au@MnOx@SiO2 Nanoparticles as pH-Sensitive Plasmonic Nanoprobes

Phagosome maturation in macrophage is essential to the clearance of pathogenic materials in host defence but the dynamic features remain difficult to be measured in real time. Herein, we reported the multilayered Au@MnO_x@SiO₂ nanoparticle as a robust pH-sensitive plasmonic nanosensor for monitoring the dynamic acidification features over the phagosome maturation process in macrophage under darkfield microscopy. For this multilayered nanosensor, the gold nanoparticle core plays a role of signal reporter, the MnO_x shell and the outmost SiO₂ act as the sensing layer and the protecting layer, respectively. After subject to the acidic buffer solution, the MnO_x layer in the multilayered nanoprobe could be decomposed rapidly, resulting in a remarkable spectral shift and color change under darkfield microscopy. We demonstrated this nanosensor for the investigation of single phagosome acidification dynamics by monitoring the color changes of nanoprobes after phagocytosis over time. The nanoprobes after phagocytosized in macrophage displayed a slight color change within the first hour and then cost several minutes to change from red to green in the next stage, indicating the phagosome undergoes a slow first and then fast acidification feature as well as a slow-to-fast acidification translation over the phagosome maturation process. Moreover, we validated that the slow-to-fast acidification translation was dependent on the activation of V-ATPase from the ATP depletion assay. We believed that this nanosensor is promising for studying the dynamic acidification features as well as disorders in phagosome maturation in phagocytic cells, which might provide valuable information for understanding the disease pathogenesis related to phagosome dysfunctions.     

近红外光谱分析技术在快速分析上的应用

简要介绍了近红外光谱的原理、特点,综述了近红外光谱在农业、食品、制药、石油化工、高分子等领域快速分析上的研究及应用现状,并对近红外光谱的应用前景进行了展望．     

流动注射-共振光散射联用技术测定注射液中肝素的含量

在近中性介质中,亚甲基兰与肝素作用产生共振光散射（BLS）增强信号,最大散射峰位于365．0nm处,增强的共振光散射强度（DIRLS）与肝素浓度具有线性关系,据此建立了流动注射．共振光散射联用技术测定痕量肝素的新方法。在pH为7．96,离子强度为0．0275mol／L的载流中加入肝素后,在365．0nm处产生增强的RLS信号。采用时间扫描测定该增强RLS强度,在最佳实验条件下,可检测1～20mg／L肝素,检出限为8．41mg／L。对浓度为4．0mg／L的肝素钠标准液平行测定11次的相对标准偏差为3．2％。用于注射液中肝素含量的测定,RsD小于2．3％。     

Characterization of Carbon Based Nanoparticles Dispersion in Aqueous Solution Using Dynamic Light Scattering Technique

Characterization of physicochemical properties of nanoparticles in aqueous environment prior to conducting hazard studies is strongly recommended by many scientific organizations. In this work we studied the dissolution behaviour and physicochemical properties of carbon based nanoparticles in aqueous solution. The time evolution of the size distribution and the state of dispersion of carbon black and carbon nanotubes in physiological solution have been investigated by means of Dynamic Light Scattering technique. The influence of mechanical agitation such as sonication and stirring on the agglomeration state and particle size distribution has been investigated. However, such processes seem to have little or no effect as far as agglomeration is concerned.     

基于纳米材料自组装的传感器在生化分析中的应用研究进展

纳米材料可以通过自组装技术可控地形成具有不同空间结构的材料,该技术使其及其自组装体在多种生化物质（如蛋白质、多肽、DNA等）和金属离子的超灵敏检测中具有重要应用。本文对基于半导体量子点、贵金属纳米材料和碳基纳米材料自组装体系的传感器在生化分析中的应用进行了总结。     

石墨烯量子点在生化分析中的应用研究进展

介绍了石墨烯量子点（GQDs）在生化分析领域如生物分子检测、金属离子检测、细菌检测、细胞成像、组织成像以及活体成像等方面的最新研究动态。