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荧光研究

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荧光研究相关的资讯

  • 荧光RNA传感器研究获进展
    基因编码的荧光传感器可以在单细胞水平追踪代谢物、蛋白质或重金属离子等细胞内靶标的丰度变化和动力学分布,并解析活细胞的生理过程和信号传导通路。7月24日,《核酸研究》(Nucleic Acids Research)在线发表了中国科学院北京生命科学研究院李幸团队撰写的题为Genetically encoded RNA-based sensors with Pepper fluorogenic aptamer的研究论文。该团队开发了一类基因编码的新型荧光RNA传感器。该传感器能够在活细胞中监测代谢物、外源药物、蛋白与金属离子等靶标,展现出高通量、高内涵药物筛选的潜力。 传统的基因编码传感器由荧光蛋白和结合靶标的蛋白模块组成。然而,由于多数靶标缺乏对应的蛋白模块,科学家难以构建基于荧光蛋白的传感器。此外,基于荧光蛋白的传感器还有信噪比低等缺陷,限制了荧光蛋白传感器的应用。 近年来,基于荧光RNA的传感器发展迅速。荧光RNA传感器由荧光RNA与结合靶标的RNA模块组成。二者通过一个短茎连接。该短茎称为传导模块(transducer module),其热力学稳定性由靶标识别适配体调节。靶标与结合靶标的RNA模块结合,诱导RNA构象变化,调控荧光RNA适配体的荧光强度,从而检测靶标信号,解析其在活细胞中的信号通路。然而,这些荧光RNA传感器通常含有RNA G四链体(RG4)结构。RG4结构可被活细胞解旋酶靶向,导致RNA的解旋或降解,故限制了含RG4的荧光RNA传感器在活细胞中的应用。 为此,李幸团队通过系列实验设计,研发了不包括RG4的荧光RNA传感器。研究选择使用了Pepper荧光适配体。Pepper不含RG4结构,避免了被细胞酶降解或解旋。此外,Pepper亮度高、稳定性强,并能够结合不同小分子探针产生不同颜色的荧光。基于此,李幸团队开发了一系列基于Pepper的生物传感器。进一步,实验表明这些传感器不包含RG4结构,并可以高效监测活细胞中的内源小分子代谢物、外源药物、蛋白质和金属离子等多种靶标。该研究发展的基于RNA传感器率先用于检测人体细胞内的金属离子,为探索人体活细胞金属离子提供了新型基因编码工具(图1)。 该团队基于Pepper的生物传感器,探讨了甲基化代谢物S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl methionine,SAM)代谢通路,测定了靶标药物活性。研究将Pepper与SAM适配体融合,构建出低背景、高响应、高选择性的SAM传感器。进一步,该工作探究了单细胞中SAM合成的代谢来源,解析了SAM合成酶(methionine adenosyltransferase,MATase)的酶活性和基因表达水平。此外,该工作还构建了监测SAM的比率传感器。该传感器精确定量了MATase的酶活性,并准确测定了MATase抑制剂AG-270的半抑制浓度(IC50)。该工作首次发展荧光RNA传感器来准确测定活细胞中的药物IC50,为研发基于RNA的药物筛选平台验证了可行性,并提供了高效的MATase酶药物筛选工具(图2)。 该团队为追踪活细胞内靶标及其信号传导途径提供了高效的生物传感平台,在药物筛选和疾病诊断等领域具有潜在的应用价值。研究工作得到国家自然科学基金等的支持。 图1. 将Pepper改造为高性能荧光RNA传感器,检测细胞内靶标,监测细胞甲基化代谢通路与药物活性图2. 构建基于Pepper的比率传感器,准确测定MATase抑制剂AG-270的半抑制浓度(IC50)
  • 小分子荧光探针研究取得进展
    近日,中国科学院上海药物研究所李佳团队联合华东理工大学贺晓鹏团队、英国巴斯大学Tony D. James团队,以及美国德克萨斯大学奥斯汀分校Jonathan L. Sessler团队,撰写“指南综述”(Tutorial Review)文章Small-molecule fluorescence-based probes for interrogating major organ diseases,分类总结了可用于探查主要器官疾病的小分子荧光探针。相关研究成果在线发表在Chemical Society Reviews上。  人体是由多个器官系统构成的有机体,每个器官在体内发挥着特定作用,器官之间的协同工作维持着人体的正常运行。然而,异常的器官功能障碍会影响机体的健康,并导致灾难性的后果。组学等鉴定技术的发展,促使与器官功能障碍相关的生物标志物相继被发现。开发非侵入性的、可实时观察特定器官疾病生物标志物的方法,将提高对特定器官病理变化的研究能力,并利于疾病的早期诊断,进而为开发有效的治疗方法提供帮助。基于荧光生物成像的检测技术,具有灵敏度高、操作简单、检测下限低、响应速度快、时空分辨率优异及无损体内原位成像等特性,被用于疾病生物标志物的检测,为器官疾病的诊断提供了较为可靠的依据。  在科研团队前期研究的基础上,研究人员分类总结了可用于探查主要器官疾病的小分子荧光探针。该论文阐述了用于主要器官疾病研究的小分子荧光探针的设计策略;剖析了生物标志物检测对于研究器官功能障碍和其他器官相关疾病的重要性;阐明了小分子荧光探针在体外、体内监测各种致病过程的用途;介绍了目前用于研究器官疾病的小分子荧光探针存在的局限,并提出了建议与展望。该研究为开发新的有效的荧光分子探针用于早期诊断和治疗不同器官疾病具有重要的借鉴意义。  研究工作得到国家自然科学基金重大研究计划、上海市科技重大专项、上海市国际合作与交流项目及中国博士后科学基金面上资助等的支持。 综述中涉及的人体主要器官示意图(a)及用于探查器官相关疾病的小分子荧光探针的设计策略示意图(b)
  • 金属离子荧光成像研究前景广阔
    p   2015年7月20-24日,“第十七届国际生物无机化学会议”在北京国家会议中心盛大召开。本次会议由中国化学会和国家自然科学基金委员会主办,北京航空航天大学承办,会议以“生物无机化学:交叉和合作”为主题,设立5个分会场和若干卫星会,5个分会场又分别包含二到四个主题。会议规模大,参会人员来自世界不同国家的高等院校、化学或生物及相关领域的科研院所,具有很强的代表性和前瞻性。而面对无机生物化学领域如此众多的前沿研究方向,笔者更关注的是与疾病相关的金属离子的荧光成像技术。 /p p   实际上,金属离子对于机体的很多生命活动都是十分重要和必要的,细胞内金属离子动态平衡一旦失调就可能导致许多疾病,比如神经退行性疾病、癌症和糖尿病等。已经有研究发现,在神经退行性疾病患者的脑组织中有过渡金属离子的过多累积,比如铜、锌和铁离子。因此,如何获取这些金属离子在组织、细胞,甚至是细胞器中的分布和含量信息,对于理解某些疾病以及新的诊断方法的开发就显得尤为重要。 /p p   而荧光成像可通过一种非接触和无损伤的方式,为我们提供一种检测细胞内金属离子的独特方法,这种方法有很高的空间和时间准确性。在细胞生物学领域内,该方法在进一步理解金属离子的生理和病理功能方面具有广阔的应用前景。具体到荧光成像中的一个重要元素——荧光探针而言,它应具备以下几个功能:对于目标金属离子的高选择性、对金属离子浓度原位定量分析的宽的动态范围,以及描述金属离子在细胞内分布的细胞器靶向能力。 /p p   当前对于荧光探针的研究也主要集中在如何提高探针的灵敏度和选择性,扩展可检测金属离子的范围,发展新的检测机理等方面。以上这些趋势从本次会议的相关报告中也可略见端倪。 /p p   加利福尼亚大学伯克利分校的Christopher J. Chang博士当前正在开发一种新的分子成像方法,以用于研究调控大脑活动背后的化学原因。他的报告向听众展示了过渡金属和活性氧、硫、碳等作为新的化学信号来源方面的研究发现,以及它们对于神经回路的影响。此外,据笔者会下了解,该课题组还开发出一种新型铜离子探针—CF3,这种探针在敏感性和亲水性方面均有提高,可以分别用于单光子和双光子成像。据悉,他们已经将这种新探针用于共聚焦或双光子成像扫描,以检测大鼠海马组织和视网膜组织中的铜离子。 /p p style=" text-align: center " img width=" 450" height=" 300" title=" Christopher J,ps.jpg" style=" width: 450px height: 300px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201507/insimg/1202c167-b7b7-4f20-8265-42b2ea2e80c7.jpg" border=" 0" hspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong Christopher J. Chang /strong /p p   光活性分子的光解对于追踪细胞功能的复杂性和其动力学过程很有帮助,但目前大多数光解系统依赖于高强度紫外线或可见光来激发光活化过程。但是,短波长的光照射不可避免地会导致细胞损伤,并且组织穿透性较低,这些都限制了短波长光源在体内和体外生物系统研究中的应用。南洋理工大学的邢本刚博士为我们带来了一种解决上述问题的方法,该研究小组将多功能的生物活性官能团与镧系掺杂的纳米粒子结合形成颗粒共轭物。在近红外光(NIR)照射下,经由这些颗粒共轭物转化得到的锐利短发射光波能够有效地活化成像探针或相关载荷分子,因此产生明显的原位成像信号,或是得到针对体外和体内处理活化的有效功能。这种新平台有利于生物医学应用中前药活化的靶向控制,更重要的是可以在疾病早期治疗干预中做到实时成像。& nbsp /p p style=" text-align: center " img width=" 450" height=" 300" title=" 邢本刚ps.jpg" style=" width: 450px height: 300px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201507/insimg/0191be12-4399-410f-bb94-3c52178f6398.jpg" border=" 0" hspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 邢本刚 /strong /p p   当前,不稳定Zn sup 2+ /sup 和硫化氢已被作为可产生光致信号的无机家族新成员。南京大学何卫江博士在报告中介绍了采用不同的策略来开发比例计量型荧光探针,以用于Zn sup 2+ /sup 和硫化氢的定量成像。这种比例计量成像显示出了对于Zn sup 2+ /sup 和硫化氢的诱人的选择性,从而可提供关于上述两种物质的更准确信息,对满足不同研究和促进它们在生物无机化学的发展方面具有十分重要的意义。 /p p style=" text-align: center " img width=" 450" height=" 300" title=" 何卫江ps.jpg" style=" width: 450px height: 300px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201507/insimg/07cd7f1d-6be9-4081-b776-ea100ad5de54.jpg" border=" 0" hspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 何卫江 /strong /p p   印度塔塔基础研究所化学科学系的Ankona Datta博士的报告主要围绕Mn sup 2+ /sup 荧光探针。由于Mn sup 2+ /sup 与已知配体的亲和力比较低,并且Mn sup 2+ /sup 可以顺磁淬灭荧光染料,所以设计选择性Mn sup 2+ /sup 荧光探针依然是一个挑战。该研究小组将五氮大杂环配体(该五氮大杂环配体包含含氧的“手臂”)与一个BODIPY类荧光标签结合,这样一来,荧光染料初始时被淬灭,而一旦与Mn sup 2+ /sup 键合,则可以得到相当不错的荧光信号强度的增强。 /p p style=" text-align: center " img width=" 450" height=" 300" title=" Ankona Datta,ps.jpg" style=" width: 450px height: 300px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201507/insimg/c7520441-cf5b-4faf-8079-d67e77ed22e8.jpg" border=" 0" hspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong Ankona Datta /strong /p p   北京大学的张俊龙博士课题组研究兴趣集中在开发发光金属—Salen(螯合席夫碱)配合物,来用作荧光成像试剂。他们的探针选择锌作为金属发光配合物的中心金属,用于活细胞内质网的单分子成像。同时,该课题组也深入细致地研究了金属种类和细胞摄取以及亚细胞分布之间的关系。 /p p style=" text-align: center " img width=" 450" height=" 300" title=" 张俊龙ps.jpg" style=" width: 450px height: 300px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201507/insimg/9c1a7337-a597-47af-a204-04dea4215cd6.jpg" border=" 0" hspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 张俊龙 /strong /p p   为了避免采用时间选通成像技术而导致的自体荧光,来自韩国梨花女子大学Youngmin You博士的研究小组开发了基于环金属铱(Ⅲ)配合物的磷光探针。譬如,他们将金属-螯合-二(2-吡啶甲基)氨基类受体引入到Ir(Ⅲ))复合物来制备Zn(Ⅱ)探针。此外,该研究小组还开发出针对具有氧化还原活性的Cu(Ⅱ)离子和& nbsp Cr(Ⅲ)离子的比例计量型磷光探针,以及可用于氧的光敏化过程和细胞器荧光染色的多功能磷光标签。 /p p style=" text-align: center " img width=" 450" height=" 300" title=" youngmin you, ps.jpg" style=" width: 450px height: 300px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201507/insimg/9ca3ec55-6b18-4544-94fe-10d3b7a45593.jpg" border=" 0" hspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong Youngmin You /strong /p p   为了考察不稳定铜离子池在一个生物环境中的性质,佐治亚理工学院Christoph J. Fahrni博士的研究小组开发了一套Cu(Ⅰ)选择性荧光探针和亲和标物。通过对配体结构和荧光标签性质系统的优化(关键步骤),得到了一个具有180倍荧光对比度的Cu(Ⅰ)选择性荧光探针,相应地,其检出限可低至亚ppt范围。 /p p style=" text-align: center " img width=" 450" height=" 300" title=" Christoph J ps.jpg" style=" width: 450px height: 300px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201507/insimg/0b255435-b52f-4462-81f5-e6a9e7bffb4a.jpg" border=" 0" hspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong Christoph J. Fahrni /strong /p p  & nbsp & nbsp strong & nbsp 编者按 /strong strong : /strong /p p   可以预见,金属离子探针未来的发展趋势是更多学科将参与进来,同时也需要生物医学应用的驱动,这就要求化学家和生物学家之间能够更加密切的合作。虽然存在挑战,但是为了能完全理解金属离子的功能,获得一个完整生物体内金属离子动态平衡的成像是很有意义的,也是很有趣的。目前,对于精准的细胞器定位,标准的荧光显微镜可达到的空间分辨率仍然是比较低的。然而,近期的超分辨率荧光显微技术的发展,为荧光探针创造了前所未有的新的发展可能。可以预计,在未来数年内,金属离子荧光探针的研究将得到更加快速的发展。 /p p style=" text-align: right " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 编辑:史秀明 /p
  • 《2015研究前沿》显示:荧光研究在化学与材料领域“独领风骚”
    10月29日,中国科学院文献情报中心与汤森路透旗下的知识产权与科技事业部在北京共同发布《2015研究前沿》报告。报告甄选出了2015年的100个热点研究前沿和49个新兴研究前沿,并对这些前沿进行详细解读和分析,同时增加了149个前沿的国家表现的分析,以高度概括的视角对美国、英国、德国、法国、中国和日本6国在149个前沿的基础贡献水平和潜在发展水平进行了评估描述。  在所有领域,中国核心论文数排名第1的前沿共计16个,化学与材料科学领域(共计19个前沿)就狂揽9个,而美国在该领域只有7个第1。  我们看到与去年类似,化学与材料科学领域今年的研究前沿仍主要分布于有机材料、电池材料、二维材料等方向,但研究态势发生了一些变化。2014年关于石墨烯的研究占据了Top10 中的三席,而2015年则是关于荧光现象的研究占据了Top10 中的三席(标红),包括“用于活体成像硫化氢分子的荧光探针”、“过渡金属化合物用于荧光探测生化分子”和“用于白光LED的荧光粉”。  日常生活中,人们对“荧光”并不陌生,但是对它为什么强势跻身研究前沿并不了解。那么如果知道2014诺贝尔化学奖颁给了“高分辨荧光显微技术”,就不会觉得今年关于荧光现象的研究占据了前沿Top10 中的三席有什么大惊小怪的了。图. 单分子显微镜的三维成像(左) 同一个细胞的普通显微镜成像(右)  科学家通过不同方法利用打开、关闭单个分子的荧光,巧妙地避开了光学衍射极限,使得200nm已经不再是光学显微镜所能达到的极限,人们对微观世界的认识从未像现在这么清晰。  前沿报告中,我们可以直观的了解到科学家们还在一直发掘和研究“荧光”在生化、医疗、LED照明上的深入应用,期待“荧光”带给我们更多地惊喜吧。
  • 基于TICT零背景荧光的通用型荧光点亮传感设计策略研究获进展
    荧光传感作为一种快速可视化、高特异性、简单便携和高性价比的检测技术,经历了从以实验方法为导向到以分子设计为导向的发展历程。科研人员在构象依赖型暗态发射荧光探针分子设计策略方面投入了大量的努力。其中,通过精确调控分子结构扭转,构建荧光发射禁阻跃迁的扭转分子内电荷转移(TICT),对于消除背景荧光、提升荧光点亮传感性能具有重要意义。然而,如何通过简单外界环境变化以调控荧光探针扭转能力的设计鲜有报道,这严重限制了TICT原理的拓展应用。针对于此,中国科学院新疆理化技术研究所痕量化学物质感知团队创新性地提出了一种背景荧光信号完全消除的新策略:通过化学酸化控制氨基质子化,进而引入激发态分子内质子转移(ESIPT)、空间位阻效应和共轭效应,从热力学与动力学层面极大促进了TICT过程的旋转效率。   为了验证该策略的可行性和通用性,研究人员采用密度泛函理论(DFT)以及含时密度泛函理论(TDDFT),对(2-(2-氨基-4-羧基苯基)-苯并噻唑(邻苯噻唑),o-BT)探针分子及其他9种结构类似分子进行了势能面扫描过渡态计算、电子空穴激发分析以及从头算分子动力学(AIMD)等理论模拟分析。结果表明,质子化o-BT探针激发态质子转移过程的反应势垒在热力学/动力学上具有明显优势;其次,结合激发态分子内氢键增强过程,o-BT探针的ESIPT光异构化过程被显著促进;再次,质子转移发生后质子给体氨基释放出的孤对电子在激发态条件下与苯环发生共轭;最后,质子给体氨基与转移后的H原子之间得以产生较强的空间位阻效应。以上三个效应耦合大大降低了系统能量,增加了电子和空穴在空间上完全分离的TICT构象形成概率,实现了背景荧光的完全消除。借助该策略,实现了直径最小为0.44 μm(~1 pg)的亚硝酸盐颗粒的超灵敏荧光点亮检测。   该研究成果有望为设计开发超灵敏、实时、精准响应的高性能荧光探针提供理论思路和依据。相关成果以“A General Twisted Intramolecular Charge Transfer Triggering Strategy by Protonation for Zero-Background Fluorescent Turn-On Sensing”为题发表在《物理化学通讯》(The Journal of Physical Chemistry Letters)杂志上,博士研究生李继广为第一作者,窦新存研究员和雷达博士为通讯作者,中科院新疆理化所为唯一完成单位。同时,基于该工作的创新性,被杂志选为Supplementary Cover封面论文。该研究工作得到了自治区重点实验室开放课题、国家自然科学基金面上项目、中科院从0到1原始创新项目、新疆维吾尔自治区杰出青年基金等项目的资助。质子化-激发态分子内质子转移(ESIPT)-扭转分子内电荷转移(TICT)策略实现皮克级亚硝酸盐荧光点亮检测示意图
  • 化学所在新型细胞原位荧光探针研究中取得进展
    荧光探针具有敏感性高、选择性好、响应时间短、易于直接观测、便于实时监测等优点,可以在一些特殊的应用体系和生物活性物质的检测等方面发挥重要作用,其基础研究和应用开发受到了广泛关注,特别是新原理的开发和新型探针材料的设计、合成,成为了近年来光功能材料的研究热点之一。   在科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的支持下,中国科学院化学研究所光化学院重点实验室的课题组多年来致力于荧光传感材料的设计合成及其新型器件的研究,他们设计、合成了一系列高效的新型荧光探针分子,包括ESIPT类化合物、分子内电荷转移化合物和一类新型的三芳基硼类发光分子,并应用于纯水体系中氟离子和汞离子的检测(Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49 (29), 4915-4918, Anal. Chem. 2013, 85 (8), 4113-4119.)、宽范围温度的检测等领域(Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50 (35), 8072-8076 Adv. Funct. Mater. 2013, 23 (3), 340-345 Chem. Comm. 2014, 50, 2778-2780.)和细胞内的pH值检测等(Chem. Comm. 2014,50, 8787&mdash 8790)。   最近,在前期对三芳基硼化合物的特性研究基础上,研究人员通过分子设计,合成了一种含有咪唑盐和醚链的水溶性三芳基硼化合物。该化合物遇ATP后可发生有限的聚集,导致三芳基硼基团周围的环境极性发生显著降低,使三芳基硼的荧光大大增强。该化合物对ATP选择性好、细胞毒性小、渗透细胞膜能力强,并且在细胞内的分散性好,因此可作为活细胞内的ATP探针,对ATP的分布及示踪开展研究。通过荧光显微成像及荧光寿命显微成像等技术,研究人员利用该荧光探针研究了NIH/3T3细胞中ATP的分布及浓度。相关研究结果发表于近期的《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53 (30), 7809-7813.)。   图1 利用荧光探针进行ATP 检测原理示意图   图2 共聚焦显微荧光成像,检测细胞内ATP的分布
  • 化学所新型温敏化学荧光传感材料研究取得重要进展
    近年来,化学荧光传感材料和器件的研究作为材料科学研究中的重要内容,受到化学研究者的极大关注。化学荧光传感器由于具有高灵敏度、可实时检测等优势,在分子识别和传感器的应用方面得到蓬勃发展。   在科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的支持下,化学研究所光化学院重点实验室的课题组多年来致力于化学荧光传感材料的设计合成及其新型器件的研究,曾利用化学荧光传感原理和具有特殊结构的发光分子,对金属正离子、氟离子进行了高效识别和检测(Inorg. Chem., 2006, 45 (8), 3140 J. Phys. Chem. A, 2007, 111 (46), 1793 J. Phys. Chem. B, 2007, 111 (21), 5861, J. Phys. Chem. C, 2009, 113 (9), 3862 J. Phys. Chem. A, 2009, 113 (20), 5888,Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 4915-4918)。   最近,该课题组设计合成了一类新型的三芳基硼化合物,实现了对温度在很宽范围的灵敏响应。   在以前利用温敏材料制备的化学荧光传感器中,随着温度的增加,发光组分的发光效率会大大降低,很难实现较大温度范围的检测。在本工作中,课题组研究人员设计合成了一类新型的三芳基硼化合物作为发光组分,利用其在溶液中高温和低温时不同分子构象之间的转变,保证了在很宽的温度范围内都具有很高的发光量子效率,并在不同温度下表现出明显的发光颜色变化。在低温表现为绿色发光,高温表现为蓝色发光。将这种发光溶液密封在薄膜中,制备出了大面积的温度敏感材料,其温度敏感的空间分辨率可以达到几十微米。   相关研究论文发表在Angew. Chem. Int. Ed.(2011, 50, 8072 –8076)上。 图1 发光随温度变化的机理示意图 图2 a) 温度渐变情况下的DPTB溶液荧光颜色变化 b) CIE色度空间中DPTB发光颜色与温度的相关性。
  • 近红外荧光成像导航手术研究领域取得新进展
    p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 近日,复旦大学化学系张凡教授课题组与复旦大学附属妇产科医院徐丛剑教授团队合作,利用近红外探针实现近红外二区荧光成像导航卵巢癌实体瘤和转移灶的精准切除,此方法有望在临床上用于腹腔恶性转移肿瘤的精准手术导航。7月24日,相关研究论文以《活体内自组装的近红外二区纳米探针用作增强卵巢癌转移灶的手术导航》(“NIR-II Nanoprobes in-vivo Assembly to Improve Image-guided Surgery for Metastatic Ovarian Cancer”)为题在线发表于《自然· 通讯》(Nature Communications, 2018, 9, 2898)。复旦大学化学系博士生王培园为论文第一作者。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 手术切除通常是恶性肿瘤最常见和最有效的治疗方法之一。然而外科医生触诊和目视检查并不足以确保区分恶性和正常的组织类型,因此可能导致不完全切除或健康组织不必要切除。相比于术前影像学检查及手术中视觉检查及触诊,活体荧光成像技术由于其即时性、高分辨率、高特异性等检测优势,为精准手术导航技术领域提供了较好的应用前景。传统的可见光区(400 - 750 nm)和近红外一区(NIR-I, 750 - 900 nm)荧光,由于其组织穿透深度较浅和严重的自体荧光干扰,极大地限制了荧光成像技术在腹腔以及淋巴结转移病灶在手术导航中的应用。此外,手术切除过程中需要荧光探针具有长效的肿瘤内滞留时间和光稳定性。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/b8e54b7f-2dec-4f1c-a053-3576dfab39d8.jpg" title=" 20180725复旦.jpg" / & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp /p p style=" text-align: left " 图1. 表面分别修饰配对DNA(L1/L2)和修饰靶向蛋白的近红外探针。对于这两种配对DNA修饰的探针采用两针注入法,通过肝脏、肾脏的快速代谢,体内正常组织的荧光信号可以降到最低;肿瘤内的探针自组装可以对肿瘤实现长达6小时的稳定标记,确保精准的手术导航。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 针对上述两个问题,张凡课题组与徐丛剑团队合作,利用近红外二区荧光探针(NIR-II, 1000 - 1700 nm)的深组织穿透和低自体荧光优势,结合化学自组装设计实现了探针在肿瘤内的长期稳定标记,极大地提高了光学成像的信噪比。初步实现了卵巢癌腹膜转移以及淋巴结转移肿瘤在荧光成像指导下精准切除(图1),为该技术的临床转化应用提供了可能。 /p p & nbsp & nbsp 该工作得到了复旦大学化学系、聚合物工程国家重点实验室、复旦大学先进材料实验室、复旦大学附属妇产科医院、复旦大学上海医学院妇产科学系、国家重点研发项目、国家杰出青年学者科学基金、上海市科委重点基础研究项目、上海科学技术规划委员会的大力支持。 /p p br/ /p
  • 上海微系统与信息技术研究所在薄膜荧光传感器研究方面取得新进展
    近日,中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究人员在薄膜荧光传感器研究方面取得进展。该研究为制备优异的薄膜荧光传感器提供了有效策略,对荧光传感与气体吸附的协同过程进行了实验验证与理论计算阐释。相关成果以Fluorophor embedded MOFs steering gas ultra-recognition为题,发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。近年来,薄膜荧光传感器在气体传感领域发挥重要作用,因具有较高的灵敏度、响应性和选择性,是目前最有前景的痕量物质检测技术之一。然而,多数荧光敏感材料存在聚集荧光淬灭(ACQ)效应和光漂白现象,使得满足实际应用要求的荧光传感材料并不多见。这限制了荧光敏感材料在气体检测方面的应用,亟待开发用于气体传感的新型高性能敏感材料。针对薄膜有机荧光探针材料面临的固态荧光量子效率差、光稳定性差等问题,研究人员将有机荧光客体搭载到金属有机框架(MOF)中,开发了一种对气体分析物具有高灵敏度、高选择性、高稳定性的新型主客体式薄膜荧光气体传感器,为构建满足不同需求的薄膜荧光传感器提供了灵活的方法。薄膜荧光传感器在气体传感领域发挥着至关重要的作用。然而,由于聚集引起的淬灭(ACQ)效应和光漂白,实际应用中的荧光传感材料受到限制。该工作以ACQ分子Me4BOPHY-1作为被封装有机客体,采用简单的固相合成方法嵌入金属有机框架ZIF-8中,通过调整负载比例调节其荧光发射特性。MOFs(ZIF-8)为客体分子提供了各种纳米空腔,从而减少了荧光分子的自聚集,有效克服Me4BOPHY-1的ACQ效应。负载不同比例的客体后,分子的固态荧光量子效率从0.76%最高提升到19.72%,从而使其能够在 3 秒的快速响应时间内实现气体传感,检测限低至 1.13 ppb。进一步,研究实现了对神经毒剂沙林的模拟物氯磷酸二乙酯的气相识别。MEMS悬臂梁吸附研究表明,主客体嵌入式MOF传感器对待测气体的预富集赋予了探针优异的气体传感能力,响应时间可达3 s,检测限低至1.13 ppb。MOF的笼化效应提高了对于分析物的选择性,Me4BOPHY-1@ZIF-8对干扰性气体HCl的响应明显变弱,而这在以前的文献报道中是不可避免的。此外,有机金属框架结构的“笼化效应”还确保了传感器良好的光稳定性和热稳定性。有机荧光分子的热分解温度从200 ℃升至527 ℃,且在激发光波段的激光持续4800 s的照射下仍能保持初始荧光强度。因此,主客体设计策略提供了一种对神经毒素分析物具有高 3S(灵敏度、选择性和稳定性)的薄膜荧光气体传感器。相关工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金,以及上海市科学技术委员会等的支持。
  • 以色列研究人员正在培养荧光菌以探测地雷
    p   残酷的战争结束后,都会或多或少留下一些痕迹,包括那些埋在地下的地雷。残余地雷每年会导致1.5万-2万人伤亡,而目前传统的做法是借助金属探测器来进行扫雷,然而这种办法并不完全奏效,工兵人身安全依然受到严重的威胁。近日有消息称,以色列最高学府希伯来大学的研究人员决定借助发光的细菌来探测地雷。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 细菌2.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201704/insimg/ce946ae9-a886-44bf-bbf0-caf2562862ef.jpg" / /p p   埋在地里的地雷或多或少会释放一些爆炸性气体,并聚集在地雷上方的土壤中,而这种荧光菌在接触到这些爆炸性气体的时候就会释放出荧光信号。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 细菌1.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201704/insimg/1a592f3e-6718-4d66-84cd-2e22c7dd58de.jpg" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 细菌3.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201704/insimg/ab47884c-7a7a-4674-a53a-a965093ec1d8.jpg" / /p p   这项研究刊登在新一期的《自然生物科技》(Nature Biotechnology)杂志中,希伯来大学的研究人员称,细菌释放的信号将被远程记录下来,并对其进行量化。研究人员相信,这是首次实现远程探测地雷。但他们同时也表示,要完美地实现生物排雷的目标还有更多的工作要做,包括增强荧光菌的灵敏度和稳定性、提升扫描的速度以及覆盖面积、尝试在无人机上也使用荧光菌播撒等。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 细菌4.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201704/insimg/84c65363-2685-476e-915b-69c879a6c4bc.jpg" / /p p   根据相关统计,全球约 50 万人都曾被战后地雷炸伤过,但是目前还有超过 1 亿颗地雷埋藏在 70 多个国家之中。所以清雷的工作需要更高效的技术支持,或许这项生物技术的引进,会给世界安全起到更大的作用。 /p
  • 研究首次采用猕猴桃合成荧光纳米材料检测金属离子
    荧光纳米材料是将荧光与纳米材料结合起来,发展出的一种新研究领域。与传统有机荧光染料相比,这些荧光纳米材料,如量子点、金团簇、发光氧化石墨烯等具有极高的荧光量子产率和复杂表面化学组分,为化学检测、生物检测及荧光成像奠定了基础。近日,中国农业科学院(郑州果树研究所,果品质量安全控制技术团队)利用生物质碳源猕猴桃合成了多功能纳米材料,在金属离子检测中取得一定成效。铁离子作为生物系统中最重要的金属离子之一,在氧吸收、氧代谢和电子转移中起着重要作用,人体内铁离子的含量异常可引发多种生物紊乱。此外,研究发现水和土壤中的铁离子会和有机磷农药(草甘膦)结合成长期稳定存在的污染化合物,所以开发铁离子的检测方法是十分必要的。该团队首次采用猕猴桃作为合成荧光纳米材料的生物质碳源,通过实验制备了一例具有Fe3+检测能力的荧光纳米材料——KF-CDs。科研人员使用手持式紫外分析仪发现添加Fe3+后该材料的荧光强度明显变弱,且其荧光降低的趋势与Fe3+的添加浓度在1-33.8微摩尔/升范围内呈线性分布。
  • 合肥研究院提出三维荧光光谱组分识别新方法
    p   近期,在国家自然科学基金的支持下,中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所研究员赵南京课题组在三维荧光光谱组份识别方面取得新进展,相关研究成果发表在近期的美国John Wiley& amp Sons Ltd 出版社出版的J.CHEMOMETRICS 上。 /p p   随着工业发展、城镇化提速以及人口数量的膨胀,水污染情况仍然非常严重。水污染主要可分为:生物污染,物理污染和化学污染三大类。多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons)具有极强的“三致”效应,在环境中很难降解,成为化学污染监测的重点之一。检测多环芳烃的传统方法主要有气相色谱法和液相色谱法,由于多环芳烃在水里的溶解度很低,这些方法通常需要对样本进行预处理,费时费力且不适合在线实时监测水中的多环芳烃。三维荧光光谱法具有非破坏性、高灵敏度等特点,已成为一种重要的多组分物质分析手段。而多环芳烃由于自身的结构受到紫外光及可见光的激发可产生荧光,因此,三维荧光光谱成为在线监测痕量多环芳烃的最佳选择。但是目前阻碍这一技术广泛应用的困难主要有:谱线较宽、同一类物质光谱相似等原因造成光谱重叠,影响单一成份提取与识别。因此,三维荧光光谱组分解析成为亟待解决的问题之一。 /p p   该文中,赵南京课题组提出了右因子非负矩阵分解用于光谱组分解析,该新方法在信号提取方面有优越的表现,能实现实际水体中多环芳烃荧光光谱组分的成功提取与识别。 /p
  • 我国研究者成功合成荧光探针新材料 可用于金属定量检测
    记者日前从广东医科大学药学院获悉,该学院通过国际合作,成功合成了2个罕见的纳米孔稀土金属—有机骨架材料,该材料可作为荧光探针高效检测铁离子等金属离子浓度,可为皮肤病和贫血症等疾病中Fe3+的定量分析以及环境中Fe3+的监测提供简单、高效的检测方法。  “传统荧光探针存在荧光信号不强、选择性差、灵敏度低、回收困难等问题,而金属—有机骨架荧光探针在用于金属离子检测方面,具有方法简单、灵敏度高、选择性好及响应速度快等优点。”刘建强说。  刘建强说,该研究以分子工程学为依据,通过简单的溶剂热方法合成了2个罕见的纳米孔稀土金属—有机骨架材料,该新型材料对不同浓度的离子进行探测后,对于铁离子和重铬酸根离子表现出了特殊的敏感性,荧光强度出现了快速的降低,并对二氧化碳有选择性吸附作用。  在探索合成纳米孔稀土金属—有机骨架材料规律的基础上,该团队将该材料应用于荧光探针领域,对金属离子可进行高效检测。“检测极限值越低代表灵敏度越高,检测效果也越好。以铁离子的检测而言,纳米孔稀土金属—有机骨架材料做成的荧光探针检测限度,远优于传统材料。”刘建强说。  “纳米孔稀土金属—有机骨架材料作为探针材料,表现出对铁离子良好的选择性和灵敏性,在荧光探针和生物标记等领域具有广泛的应用前景和发展空间。”广东医科大学药学院院长李宝红说。  此研究由该学院博士刘建强和西北大学博士侯磊、澳大利亚莫纳什大学博士斯图尔特巴顿等完成。相关科研成果近期发表在国际期刊《ChemPlusChem》上。
  • 332万!中国水产科学研究院淡水渔业研究中心荧光定量PCR仪等采购项目
    项目编号:JSTCC2200912922项目名称:中国水产科学研究院淡水渔业研究中心水生动物疫病研究专业试验基地建设项目仪器设备购置预算金额:332.0000000 万元(人民币)采购需求:分包号品目号货物名称数量是否接受进口产品投标预算金额(万元)分包一1高速冷冻离心机1台(套)是132.02全自动灭菌器1台(套)否3超低温冰箱2台(套)否4多参数水质分析仪1台(套)否5生物安全柜2台(套)否6全波长酶标仪1台(套)是7显微注射系统1台(套)是分包二8精密天平1台(套)否68.09分析天平1台(套)是10恒温培养箱1台(套)否11中草药提取设备1台(套)否12实验室乳化机1台(套)否13旋转蒸发仪1台(套)否14超微量分光光度计1台(套)是15显微镜1台(套)是分包三16超纯水仪1台(套)否132.017冷冻干燥机1台(套)否18红外光谱仪1台(套)是19高通量组织研磨仪1台(套)否20荧光定量PCR仪1台(套)是21梯度PCR仪2台(套)是★注:1、投标人可对其中一个分包或多个分包进行投标,须以分包为单位对每个分包中所有货物(含软件及相关服务)进行投标,不得拆分,评标、授标以分包为单位。2、进口产品是指通过中国海关报关验放入中国境内且产自关境外的产品。对于进口产品,在供货时应提供原产地证明和海关报关检的相关证明资料。3、各分包核心产品:分包一:显微注射系统;分包二:显微镜;分包三:荧光定量PCR仪。技术要求详见招标文件。合同履行期限:自合同签订生效之日起120日历天内。本项目( 不接受 )联合体投标。
  • FluorCam叶绿素荧光成像技术应用案例——上海生命科学研究院
    近日,易科泰生态技术有限公司为上海生命科学研究院调试安装一套FluorCam封闭式GFP/Chl.荧光成像系统,该系统具备叶绿素荧光成像分析、GFP绿色荧光蛋白成像分析、PAR吸收与NDVI成像测量分析、实验程序自动运行监测等多项功能模块。上海生命科学研究院青年研究组长、博士生导师Chanhong Kim在苏黎世联邦理工学院(ETH-Zurich)、康奈尔大学博伊斯汤普森研究所(Boyce Thompson Institute at Cornell University)工作期间就已经使用FluorCam叶绿素荧光成像技术进行了大量的研究工作,并先后发表了“1O2-mediated retrograde signaling during late embryogenesis predetermines plastid differentiation in seedlings by recruiting abscisic acid”(PNAS(美国科学院院报),2009)、“Chloroplasts of Arabidopsis are the source and a primary target of a plant-speci?c programmed cell death signaling pathway”(The Plant Cell,2012)等学术论文。2014年,Chanhong Kim博士到上海生命科学研究院工作后,立刻就联系我公司购买了FluorCam封闭式GFP/Chl.荧光成像系统,计划率领他的青年科学家团队运用FluorCam叶绿素荧光成像技术结合特定胁迫因子来筛选拟南芥突变体,并通过Quenching实验程序进一步研究这些突变体光系统中的具体表型变化(Phenotyping)和生理机制,对植物光合作用和抗逆机理进行深入的探索;同时利用该系统绿色荧光蛋白成像分析功能,来定量鉴别检测分析转基因表达。图1. FluorCam封闭式叶绿素荧光成像系统在实验室的工作状态图2. 拟南芥叶绿素荧光Fm(左图)、Fv/Fm(右图)成像分析,图中上半部分为拟南芥野生型,下半部分为突变株,上部选择了3个植株Area 1、2、3,下部选择了3个植株Area 4、5、6,野生型的Fv/Fm远高于突变株图3. GFP成像图,图中发出明亮颜色的植株即为表达了GFP的植株,其颜色越偏向红色,则表明其表达的GFP更多图4:PAR absorptivity/NDVI成像分析(由Ecolab实验室提供)FluorCam叶绿素荧光成像技术由全球知名叶绿素荧光技术专业公司PSI生产,PSI公司最先研制成功并生产叶绿素荧光成像仪器。PSI公司首席科学家Nedbal教授与公司总裁Trtilek博士首次将PAM叶绿素荧光技术与CCD技术结合在一起,研制成功了叶绿素荧光成像技术(Nedbal等,2000),并于1997年为美国华盛顿大学提供了第一台商业FluorCam系统。Nedbal教授也是权威著作《Chlorophyll a Fluorescence, a Signature of Photosynthesis》(Springer, 2009)叶绿素荧光成像技术的作者。Fluorcam叶绿素荧光成像系统是世界上最权威、使用最广、种类最全面、发表论文最多的叶绿素荧光成像仪器,目前易科泰生态技术公司Ecolab实验室有近400篇参考文献供参考查阅。易科泰生态技术公司作为PSI在中国区域的独家代理和技术咨询服务中心,致力于FluorCam叶绿素荧光成像技术的引进推广,以助力于我国植物生理生态与胁迫生理生态研究、植物育种与优良品种筛选、植物表型分析(Phenotyping)、藻类生理生态学研究、污染生态学及生态毒理学研究等,先后引进了FluorCam便携式荧光成像、封闭式荧光成像、开放式荧光成像、移动式大型叶绿素荧光成像系统、FKM多光谱荧光动态显微成像与光谱分析系统、多光谱荧光成像技术、PlantScreen高通量植物表型成像分析系统等;Ecolab生态实验室配备了便携式叶绿素荧光成像系统、FL3500多功能叶绿素荧光仪、FluorPen手持式叶绿素荧光仪、AquaPen手持式水体藻类荧光仪等,并与中科院植物所、中科院海洋所、中科院微生物所、中国农业大学、中国林科院林木遗传育种国家重点实验室等科研单位进行了一系列合作研究实验。欢迎合作研究或来我公司Ecolab实验室做实验。Ecolab实验室联系方式:电话:62615899;邮箱:info@eco-lab.cn, eco-lab@eco-tech.com.cn.
  • 多个世界首创,我国在荧光相关光谱单分子技术领域取得领先——访中国科学院生物物理研究所研究员黄韶辉
    荧光相关光谱(Fluorescence correlation spectroscopy,FCS)是一种对荧光强度随时间的规律性涨落进行自相关和交相关分析,从而对导致信号涨落的物理(自由扩散等)、化学(分子互作等)和光物理(单线态-三线态循环等)进行定量分析的荧光光谱技术。近年来,随着理论和仪器的不断发展,荧光相关光谱在生物学、医学、化学、材料学、光物理学、微纳科学等领域得到越来越广泛的应用。那么,如今我国荧光相关光谱技术发展到什么阶段了?与国外技术相比,我国的技术处在什么水平?带着这些问题,仪器信息网专门视频采访到了中国科学院生物物理研究所(以下简称中科院生物物理所)研究员黄韶辉。黄韶辉:1998年获堪萨斯大学生物化学、细胞和分子生物学博士学位,1998-2001年在康乃尔大学应用和工程物理学院从事博士后研究,2002-2009年任麻省大学医学院研究助理教授,2009-2013年任宾夕法尼亚大学环境医学研究所研究员兼肺成像和形态学中心主任。 2014年以中科院“引进杰出技术人才”(技术百人)回国,任中科院生物物理研究所研究员、中国科学院大学岗位教授、博士生导师。历任美国国立卫生研究院、中国国家自然科学基金委、广东省公益研究和能力建设基金、粤港澳科技创新合作等科研项目负责人。因缘际会,确定技术转化方向黄韶辉博士在国外的科研工作一直开发荧光显微镜和荧光光谱学新方法和新技术以解决生物学研究的科学问题,期间对科研仪器产生了浓厚的兴趣。2014年借“中科院技术百人”的人才计划,黄韶辉回到了中科院生物物理所开始从事科研仪器的产业化工作。在谈到选择单分子荧光技术的原因时,他表示:“这是我在康奈尔做博士后时导师发明的一种技术——荧光相关光谱,通过研究荧光信号在时间上的相互关系来揭示荧光信号规律性变化背后的物理、化学和光物理过程。当时我觉得这个技术的应用非常广泛,因此借着回国的机会将它进行技术转化,使其应用于基础研究和药物研发领域。”从技术走向产品,从产品走向市场回国后为了真正将荧光相关光谱单分子技术从技术变成产品,从产品走向市场。黄韶辉用了三年的时间进行基础性工作,终于在2017年的广东中山成立了产业化公司——中科奥辉,随后实现了从技术到产品的蜕变。在这个过程中需要克服两个困难:一个是产品工程化,另一个是技术推广。“一个实验室技术并不是天然就可以成为一个产品,它需要进行工程优化,不断提高产品稳定性和可靠性;第二个是要让产品能够被客户所接受,这就需要做技术推广、示范应用等等一系列工作才能将产品推向市场。” 黄韶辉表示。通过六年不断地努力,黄韶辉团队成功研发出全球首台小型化桌面式荧光相关光谱仪,相较于国外竞争对手蔡司、PicoQuant和ISS开发的基于荧光显微镜的FCS产品,它更适合在实验室桌面环境中使用,这也是该产品最主要的优势。CorTector SX100 荧光相关光谱仪(点击查看)应用领域既要广度又要深度单分子荧光相关光谱仪的应用领域十分广泛,主要有两个方面:一个是基础科研领域,另一个是药物研发领域。“目前已发表相关学术论文超过13000篇,主要应用在基础科研领域,包括生物学、医学、化学、材料学和光物理学,因为它的特点就是研究荧光信号与时间的相互关系。荧光信号与时间能够发生相互关系的过程包括:物理过程,比如分子或纳米颗粒的自由扩散;化学过程,比如分子间相互作用;光物理过程,比如单线态-三线态循环。所以它的应用在基础领域的研究范围是非常广的。” 黄韶辉这样说,“接下来我们的应用领域是药物研发,因为所有的药物研发仪器,包括医疗器械最早的前身都是科研设备,是科学家为了解决一个特定的科学问题而研制出来的。”在谈到未来发展路径时,黄韶辉表示,公司发展的下一个目标是与大型药企合作,将荧光相关光谱单分子技术用于药物筛选。未来将单分子荧光技术转化为一个超灵敏的医疗检测设备,比如说阿尔兹海默症疾病标记物的超灵敏检测。拓展领先客户群体,展现国产高端科研仪器价值黄韶辉认为,从2017年产业化到如今,最重要的是思维的转变。“在做产业化工作之前,我一直是科学家,从事了20多年的基础研究,最近这6年多给我一个主要体验就是真正把我从一个科学家的思维转变到一个经营产品、经营公司的思维。”与此同时,经过六年多的发展,黄韶辉团队的产品价格呈现稳步上升的趋势,“我们做的是一个高端光学仪器,我们第一代产品的终端客户价是120万,第二代产品的终端客户价发展到了150万,去年我们第三代产品的终端客户价已经达到了180万。”黄韶辉介绍说。不仅如此,优质的客户群体也是这些年黄韶辉团队实现技术产业化的重要指标,是国产高端仪器价值的最好展现。黄韶辉说:“不管是国内还是国外,我们都发展了排在全世界研究领域前十的用户群体,比如说我们的首批客户,前四个客户都是国外知名用户:美国国立卫生研究院、阿斯利康制药公司、加州大学旧金山分校、麻省大学医学院。疫情发生后,我们把焦点聚焦到国内,目前的客户包括清华大学、北京大学、中国科学技术大学、复旦大学、浙江大学医学院、澳门大学和中科院的很多院所,这些也是可以排到国内大学或者研究所前十位的学术机构。”为了改变大家对国产仪器价格低、技术落后的刻板印象,黄韶辉团队以持有“世界上最先进单分子荧光技术”的姿态进入市场,与世界领先企业展开竞争。用户群体从国外企业到国外领先科研机构,再到国内领先科研机构,展现出了国产高端科研仪器的价值。国产替代要有,持续创新也要有目前,荧光相关光谱单分子技术属于世界先进技术,黄韶辉团队通过这项技术研制了世界首款桌面式荧光相关光谱单分子分析仪。黄韶辉表示:“我们确实做了全世界第一个基于溶液样品的桌面式单分子荧光商业科研仪器,经过了科技部下属机构的查新认证。所以我觉得科研仪器除了要实现国产替代,也要在创新性领域做出贡献。”发展国产科学仪器,“观念”和“政策”两手都要抓如何更好的发展国产科学仪器,黄韶辉表示最重要的是“给机会”:“对于一个产品来说需要有广泛的用户来不断的使用并提出各种改进意见,只有在使用过程中才能真正做出好仪器。”第二点则是要有一些政策上的支持,要将政策支持落到实处。随着人们对国产化科学仪器关注度的增加,未来将有越来越多的国产企业出现在大家的视野中。国产科学仪器企业的发展,需要企业家的情怀、技术的创新、用户的支持、政策的落实,缺一不可。国产科学仪器行业未来的发展让我们拭目以待!完整访谈视频如下关于中科奥辉:中科奥辉响应国家规划发展智能制造和健康医药战略新兴产业的政策引导,成立于粤港澳大湾区几何中心---中山翠亨新区,依托中科院生物物理研究所黄韶辉博士(中科院“引进杰出技术人才”)团队的核心技术和唐山启奥科技股份有限公司的资金、技术、管理和销售资源,致力于成为掌握核心硬科技的国际一流高端精密仪器智能制造公司。公司自主研发的全球首创桌面式荧光相关光谱单分子分析仪CorTectorTM SX100,2018、2020年连续获广东省高新技术产品认定,并在2019年入选中科院首批国产仪器推荐目录。公司以现有研究技术和公共服务平台为基础,为高校研究院及其他创新企业提供服务业务,包括显微成像与光谱整合系统搭建、分析测试服务、医疗器械产品委托生产与注册及医疗器械及科研设备研发制造公共服务四大服务板块。
  • 中科院理化所量子点荧光检测病变研究获新进展
    生物传感器在医学领域也发挥着越来越大的作用。临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分,为医生的诊断提供依据。   在国家自然科学基金和中科院理化所青年基金项目的支持下,中科院理化所研究员唐芳琼领导的研究团队采用超声雾化法制备的水溶性碲化镉量子点,实现对乳酸脱氢酶(LDH)活性的定性定量分析。   日前,该研究成果在国际电化学与传感器领域影响因子排名第一的杂志《生物传感器与生物电子学》(Biosensors and Bioelectronics)上相继发表两篇论文。相关工作已申请两项中国发明专利。   拓展纳米材料的应用   生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。生物传感器还可以用来测量乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸,以及各种致癌和致变物质。   乳酸脱氢酶存在于机体所有组织细胞的胞质内,并有着一定的正常范围。机体代谢异常,出现病变会引起乳酸脱氢酶含量的变化。因此,开发新型、快速、高效检测乳酸脱氢酶活性水平的方法可实现对常见的心肌炎、心肌梗塞、肾病、肝癌等疾病的早期诊断和实时调控。   “而将具有激发范围宽,发射光谱窄,荧光量子产率高,可通过调节尺寸、组成或结构来调节发射峰位,实现多色发光等优异光学特性的量子点用于开发信息容量大、响应速度快、灵敏度高、操作简便、成本低廉、便于携带的生物传感器,成为光学生物传感器研究的新热点。” 该团队成员之一、中科院理化所研究员任湘菱说。   唐芳琼领导的纳米材料可控制备与应用研究室一直致力于用价廉、可工程化的方法制备量子点并应用于生化检测,采用超声雾化法制备的水溶性碲化镉(CdTe)量子点实现对乳酸脱氢酶活性的定性定量分析。她们制备的新型生物传感器的检测范围为150~1500U/L,最低检测限达75U/L。   研究人员进而把这种方法拓展到血清中葡萄糖浓度的测定,并初步实现了对这两种物质的同时检测。她们构建的新型光学生物传感器与其他的量子点光学生物传感器(例如基于荧光能量共振转移的光学生物传感器)相比,不需要昂贵而复杂的生化分子修饰,方法简单快捷,操作易于掌握。此方法拓展了纳米材料的应用领域,为开拓生化检测分析的新途径提供了可供参考的实验和理论基础,促进了酶生物传感器的实用化发展。   “我们的目标是家庭化”   “通常用于检测乳酸脱氢酶的传感器制备过程复杂,需要一些复杂的分子,或者酶自身需要修饰,这样就需要一两天甚至更长的时间。而且需要经过专门培训的人来操作。我们这个检测体系可以用一些商品化的酶,医疗或生物制品市场可以买到的酶直接进行配制,配制过程一般只需要半个小时。”任湘菱说。   大多数人会每年进行一次体检,医生们却认为这个时间过长。不过,去医院体检是件很麻烦的事。通常要排队、挂号、检查要花上大半天时间,过几天还要再去取结果。很多人嫌麻烦,就不去体检了。   “如果我们能做到检测设备微型化,检测方法很容易掌握,而且能快速检测。自己在家隔几个月检查一下,既能发现疾病隐患,又方便了居民。” 任湘菱说,“现在家庭自己检查血压、血糖的多些,检测其他指标的比较少,主要是因为检测设备技术复杂,我们的目标就是实现体检家庭化。”   该团队用这一新技术作了血清检测,其结果和医院常用的设备对比十分吻合。   “要实现体检家庭化,还有大量的工作要做。未来我们会考虑做成试剂盒或试纸,和现在的血糖仪一样是用试纸插进去读数。”任湘菱说,“这属于光学传感器,我们主要的研究领域是生物试剂和纳米材料,因此也希望能和进行光传感、光器件研究的人合作,将比色转化成读数。”
  • 最新成果:近红外荧光成像用于活体生物研究(发布于Advanced Materials)
    荧光成像一直是生物动态分析、活体追踪以及药物代谢动力学分析的重要工具,同时也在生物医学研究领域扮演至关重要的角色。在该技术领域,近红外光学技术因其自身独特的生物适应性以及高精准度,已经被认为是生物医学研究和活体生物成像的一种超越可见光成像的重要工具,也被广泛证实可为活体成像研究提供可行性解决方案。尽管当前的近红外一区(NIR-I)成像相比可见光波长下的成像,展示出良好的优越性。但是,最近的研究表明近红外二区(NIR-II,1000-1700nm)可以提供更高质量生物活体成像,这主要得益于 NIR-II 区域具有弱的组织自体荧光、低光子散射以及干扰,便于实现信噪比、分辨率和穿透深度等多方面的提升。因此,发展更高亮度的近红外二区成像方法以及工具可以实现更深更精准的生物成像与检测。近红外荧光成像的技术发展往往受限于探针的发展,高亮度以及具有特殊响应性能的探针材料是荧光成像技术的核心。在过去几年间,经过全球化学材料家以及药学家们的努力,近红外二区荧光探针得到了长足发展,已经发展出多种多样的分子体系,并在荧光成像与活体分析等多个方面取得了一系列重要进展。但是当前仍缺乏高效的探针,特别是高亮度和长波长的荧光材料,这严重限制了该技术的进一步发展和应用。针对上述问题,该团队开发出一系列在近红外二区具有高亮度的有机荧光探针,实现了 NIR-IIb 波长(1000-1700nm)下的全身血管、胆道系统以及脑部血管动力学高分辨成像。研究成果“Molecular Programming of NIR-IIb-Emissive Semiconducting Small Molecules for In Vivo High-Contrast Bioimaging Beyond 1500nm”,发表在 Advanced Materials 上。Advanced Materials,2021-2022年影响因子为30.849该研究首先合成了具有 A-D-A 骨架结构的近红外二区发光探针母体,并进一步采用硒和氟原子工程方法改造所得的近红外二区发光探针母体,从而增强分子内电荷转移并降低能级带隙。通过纳米制备技术,获得了高稳定的水溶性 NIR-II 纳米荧光探针材料,该荧光探针具有高效的 NIR-II 发光性能,其发光波长可延伸至 1700 nm。更进一步的活体生物成像证实了该荧光探针可高分辨的可视化全身血管以及膀胱胆道系统。此外,该探针也对脑部血管成像以及血流动力学进行了高速成像,取得了可观的脑血管造影性能。概括来说该研究为新型近红外二区有机荧光探针的设计合成以及高分辨生物成像提供了一种新的思路和有效工具。上述工作立足于近红外二区的波长问题,只是做了初步的尝试和探索,后续他们将继续挖掘近红外二区新的分子体系以及优越性,深入研究分子体系的发光波长以及量子产率的优化,以期在这两者之间寻找到平衡。荧光成像介导的手术导航方法因为其本身实时可视化和高速动态成像性能,已经被认为是一种极具潜力的可视化手术工具,有望协助临床医生进行实时病灶发现和手术扫除。“因此,我们基于前期在近红外二区分子设计方面的经验和基础上,将进一步开发近红外二区荧光成像在疾病诊疗,特别是在手术导航方面的进行深入性应用探索。”李盛亮说。除此之外,该团队也一直关注并致力于近红外二区肿瘤治疗研究,通过研究近红外成像与近红外治疗的联合体系,发展新型的高效诊疗一体化药物。特别是利用分子设计合成的基础,发展单分子具备多个光学功能的 All-in-One 体系十分值得期待。
  • 宁波材料所近红外热活化延迟荧光材料与器件研究获进展
    近红外有机发光二极管(NIR-OLEDs)在生物成像、防伪、传感器、远程医疗、显微摄影、夜视显示等方面颇具实际应用价值,已成为有机电致发光器件的重要发展方向之一,而热活化延迟荧光(TADF)材料可以实现100%激子利用率,其量子效率可媲美基于贵重金属的磷光材料,具有应用潜力。受能隙定律的影响,近红外发光材料的基态(S0)和第一单态激发态(S1)势能面接近,近红外发光材料普遍存在严重的非辐射失活现象,在聚集态中表现得尤为严重。非掺杂器件在面板显示和一般照明应用中具有良好的重复性、高稳定性和低成本等优点以及商业化潜力。鉴于TADF材料具有强的分子内电荷转移(ICT)特征,在非掺杂条件下可较易获得深红色甚至近红外发射,因此亟需开发出光亮的NIR-TADF非掺杂材料。  近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员葛子义和副研究员李伟等开发了一种在非掺杂条件下即可实现高效率的NIR-TADF,基于该材料的NIR-OLED最大外量子效率为9.44%,发光峰位于711nm,是目前已报道的基于TADF材料的NIR-OLED最高效率之一。科研团队探究了TADF材料的材料结构、发光特性与聚集态之间的关系。一般认为,非晶态薄膜的无序程度高于有序排列的单晶,薄膜中光团的光致发光量子产率(PLQYs)普遍高于晶体态。已知TADF分子的非辐射淬灭主要受Dexter能量传递(DET)机制主导下的分子间电子交换作用。DET过程的短程特性,在高浓度下会发生激子湮灭,故分子填充模式的微小变化可能对光电子性能产生影响,甚至决定光团的光物理性能。因此,研究团队设计了T-β-IQD单晶来深入探究材料在结晶态和未掺杂态下的高发光量子产率的机理。x射线晶体学分析表明,T-β-IQD具有面对面的堆积结构,且相邻有较大的层间滑动,TIQD晶体呈“头尾”排列。根据Kasha激子模型,T-β-IQD的二聚体跃迁偶极子与对应偶极子对齐方向的夹角(θ)分别为24.92°,为J型聚集体形式,可以提高辐射衰减率。在T-β-IQD晶体中,同时存在分子内和分子间CNH-C和C-Hπ协同作用(图1)。这种适度的分子内C-Hπ相互作用可以锁住β-TPA供体上的分子内叔丁基苯单元和萘,高度限制它们在结晶态下的旋转。同时,在晶体和共轭骨架中没有观察到明显的π-π堆积接触,这降低了浓度淬灭效应(ACQ)。根据DET机制,T-β-IQD晶体的邻腈核之间的远距离(8.50)有望抑制延迟荧光(DF)和三态激射灭(图2)。此外,在TIQD晶体中,相邻的IQD段之间形成了距离为3.35的强分子间π-π相互作用,表明相对于T-β-IQD晶体,分子间的堆积更为紧密,且具有严重的非辐射衰变。分子动力学(MD)模拟表明,T-β-IQD的受体面与二聚体对齐方向的夹角(θ)为27.5°,T-β-IQD在非晶态下倾向于以J-聚集体形式堆积。T-β-IQD的吡咯核间距为4.1。T-β-IQD的平面受体之间距离较大,避免了浓度猝灭效应。T-β-IQD分子的平面受体片段呈现角度错位排列,未观察到明显的共面堆叠,这将有助于抑制非掺杂薄膜中的ACQ效应。  在稀释THF溶液中,T-β-IQD几乎不发射,而当水分数(fw)增加到60%时,PL强度迅速增加,表现出明显的聚集诱导发光(AIE)特征(图2)。T-β-IQD在固体状态下表现出几乎与浓度无关的特性。这种独特的优点可以归结于它的RIR原理的AIE效应、具有C-Hπ和CNH-C分子间相互作用的J聚集性质以及晶体态的大中心到中心距离,这提高了非掺杂薄膜和基于材料的发射效率。  相关研究成果以Highly Efficient Near-Infrared Thermally Activated Delayed Fluorescent Emitters in Non-Doped Electroluminescent Devices为题,作为热点文章发表在《德国应用化学》上。研究工作得到国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金、宁波市科技创新2025重大专项等的支持。
  • 宁波材料所等在多色荧光高分子水凝胶构筑仿生皮肤研究中取得进展
    自然界中,许多生物体根据生存需要逐渐进化出独特的环境适应行为,例如变色龙、树蛙、章鱼等变色生物可以根据环境需要来自适应改变皮肤颜色和图案,以达到交流、伪装等目的。受此启发,科研工作者希望通过设计智能人工材料(特别是类生物组织的软、湿态高分子水凝胶材料)来复制生物体的环境刺激响应变色行为。仿生智能变色水凝胶新材料的发展有助于理解自然界的生物变色现象,并有望在传感检测、柔性显示、变色伪装皮肤、软体机器人等领域发挥应用价值。  与源于对外界光的吸收、反射或散射而产生的色素色或结构色不同,荧光色是一种发光色,色饱和度高,适用于夜晚、森林、海洋、河流等照明不足的环境,因此被认为是色素色和结构色的良好补充。然而,与能够在不同外界刺激环境中呈现丰富皮肤颜色变化的变色龙等生物相比,科研人员制备的多色荧光高分子水凝胶在外界刺激下的发光颜色变化范围仍较窄,难以利用单一水凝胶实现多重刺激响应的宽范围荧光颜色变化。  为此,中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队基于前期基础研究,提出了精确控制不同荧光团空间分布结构以实现高分子水凝胶荧光颜色有效调控的新策略。最近,宁波材料所研究人员和中科院过程工程研究所研究员周蕾团队合作,发展高分子水凝胶的分子结构设计,将聚集诱导发光的取代萘酰亚胺型蓝色荧光团和稀土配位型红、绿色荧光团分别引入同一水凝胶体系的不同高分子交联网络中(如图)。得益于这一创新材料结构设计,萘酰亚胺型蓝色荧光团和稀土配位型红、绿色荧光团的发光强度可以分别利用不同外界刺激进行独立且连续的调控,从而实现多重刺激(温度、pH、溶剂、离子、光等)响应的红、绿、黄、蓝、紫多色荧光变化。该工作显著拓宽了高分子水凝胶的荧光变色范围,有望应用于智能变色伪装皮肤、仿生智能软体机器人等重要领域。  该工作以Supramolecular Hydrogel with Orthogonally Responsive R/G/B Fluorophores Enables Multi-color Switchable Biomimetic Soft Skins为题,发表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到国家自然科学基金、中科院前沿科学重点研究计划项目、国家重点研发计划、中科院青年创新促进会和王宽诚教育基金等的支持。
  • 靶向Aβ蛋白的近红外荧光小分子探针的发现和成像研究获进展
    阿尔兹海默病(Alzheimer’s Disease,AD)是一种严重的神经退行性疾病,其起病隐匿,病程长,病因复杂,严重影响患者的生活质量,给患者家庭和社会带来巨大的经济负担。AD的主要病理特征之一表现为患者脑部出现β-淀粉样蛋白(β-Amyloid proteins,Aβ蛋白)的沉积。开发能特异性靶向Aβ蛋白,特别是AD早期的Aβ蛋白单体和寡聚体的分子影像探针,对于AD的早发现和早治疗,以及抗AD药物治疗效果的早期评估都具有重要意义。  近日,中国科学院上海药物研究所研究员柳红课题组与南京大学化学化工学院教授叶德举课题组合作构建了靶向Aβ蛋白的近红外荧光小分子探针,并应用于转基因AD模型小鼠脑部Aβ蛋白的实时荧光成像与可视化。该成果以Engineering of donor-acceptor-donor curcumin analogues as near-infrared fluorescent probes for in vivo imaging of amyloid-β species为题发表在Theranostics上。  近红外荧光成像由于具有灵敏度高、成像快捷、操作简便等优点,已被广泛应用于疾病标志物的检测中。近年来,研究人员也相继开发了Aβ蛋白响应的荧光探针用于Aβ蛋白的检测。但是,目前报道的荧光探针大多还存在荧光发射波长较短,与Aβ蛋白的结合动力学过程较慢、亲和力较低,以及仅能检测AD病程较晚期的Aβ蛋白斑块等不足。因此,发展具有近红外荧光发射波长,对Aβ蛋白单体、寡聚体和聚集体具有快速响应和高亲和力的近红外荧光探针用于活体内Aβ蛋白的高灵敏度和高特异性检测,对AD的早期诊断和疗效监测具有重要意义。  该工作基于Aβ单体、寡聚体和聚集体的蛋白结构与结合模式,通过理性设计和官能团替换,设计并合成得到9个具有Donor-Acceptor-Donor(D-A-D)结构的近红外荧光探针(1-9),可以与Aβ蛋白单体、寡聚体和聚集体高特异性结合并产生显著增强的近红外荧光信号。  该研究中发现的探针9具有较红的近红外荧光发射波长,较高的荧光量子产率,一方面可提高光对颅骨和头皮的穿透深度,从而提高探针活体上检测Aβ蛋白的灵敏度;另一方面可降低探针在活体应用时的给药剂量,从而减少了高剂量探针对神经系统的潜在毒性。此外,探针9因引入具有一定亲水性能的羟乙基官能团,改善了探针的理化性质,提高了探针的进脑量。同时,探针9表现出快速的结合动力学过程(  论文链接探针与Aβ蛋白响应机理示意图
  • 高灵敏快速比色-荧光双模检测典型氧化剂研究获进展
    近日,中国科学院新疆理化技术研究所爆炸物传感检测团队在高灵敏快速比色-荧光双模检测典型氧化剂的研究获得进展,相关研究成果发表在Analytical Chemistry上。   高锰酸钾(KMnO4)、次氯酸钠(NaClO)等典型氧化剂是代表性非制式爆炸物原料,而过量排放会造成环境污染。因此,开展氧化剂的高灵敏、高选择性、现场快速检测和分析对维护国家公共安全与环境保护具有重要意义。   有机光学探针因具有结构可调、官能团多样、发光效率高、反应快、识别位点特异等优点,被广泛应用于典型氧化剂检测。目前,相关研究集中在调控探针结构增强单个目标物检测性能方面,如何通过探针设计实现对不同氧化剂的同时区分检测颇具挑战。   中国科学院新疆理化技术研究所爆炸物传感检测团队基于KMnO4和NaClO皆可氧化双键,以及氧化能力和反应机制不同的特征,提出了基于D-π-A(电子给体-π共轭桥-电子受体)结构的“一箭双雕”探针分子设计策略,实现了对KMnO4和NaClO的比色-荧光双模区分识别。   研究基于多氰基呋喃(TCF)中甲基易与醛基进行羟醛缩合反应生成双键的特点,以自身含有碳碳双键的TCF为拉电子基,以对二甲氨基苯甲醛为推电子基,设计制备了TCF基D-π-A型比色-荧光探针分子(DMA-CN)。由于KMnO4可以同时打断TCF和π共轭桥中的碳碳双键,而NaClO仅可以打断π共轭桥中的碳碳双键,进而生成具有不同光学性质的产物,从而产生不同的比色和荧光信号。   研究发现,DMA-CN对KMnO4的荧光-比色检测限分别达60 nM和 91 nM,而对NaClO的荧光-比色检测限达13 nM和214 nM,响应时间均  研究工作得到国家自然科学基金、中科院青年创新促进会、中科院基础前沿科学研究计划从0到1原始创新项目、中科院“西部之光”人才培养计划和新疆维吾尔自治区等的支持。新疆大学科研人员参与研究。
  • 福建物构所稀土纳米探针荧光免疫分析研究获进展
    镧系解离增强荧光免疫分析技术(DELFIA)作为目前最灵敏的荧光生物检测方法,在科学研究和医疗领域已获得广泛的商业应用。商用的DELFIA试剂盒采用传统的分子探针如稀土螯合物作为标记物,存在着稀土离子标记比率低(最高10~30个稀土离子)、光化学稳定性差和价格昂贵等缺点。与稀土螯合物相比,稀土纳米发光材料具有化学稳定性高、可修饰性好、潜在生物毒性低等优点,是目前普遍看好的新一代荧光生物标记材料。然而,由于稀土离子4fN电子组态间的禁戒跃迁特性,直接利用稀土离子自身的敏化发光无法达到高灵敏检测的需求。因此,科学家设想能否结合DELFIA技术,将稀土纳米晶作为纳米探针替代分子探针稀土螯合物,利用纳米晶高度浓缩的稀土离子(每个纳米晶含成千上万个稀土离子)来提高其标记比率,并借助DELFIA增强液将纳米晶溶解生成大量强发光的稀土胶束,从而达到提高发光与检测灵敏度的目的。   在国家自然科学基金杰出青年科学基金、科技部&ldquo 973&rdquo 计划和重大科学仪器开发项目、中科院战略性先导科技专项和创新国际团队项目等支持下,中国科学院福建物质结构研究所中科院光电材料化学与物理重点实验室陈学元研究小组和结构化学国家重点实验室黄明东研究小组合作,发展了一种基于稀土纳米晶溶解增强的荧光免疫分析技术(DELBA)。该技术沿用了商用DELFIA的操作流程,简单地以稀土纳米探针替代分子探针稀土螯合物,利用稀土纳米晶高度浓缩的稀土离子提高其标记比率,极大地增强了体系的发光与检测灵敏度。项目组通过高分辨荧光光谱、元素分析等手段,以~9 nm NaEuF4为纳米荧光探针和&beta -萘甲酰三氟丙酮(&beta -NTA)为增强剂,揭示了稀土纳米晶溶解增强的发光机理,并实现了对人体广谱肿瘤标志物癌胚抗原(CEA)的高灵敏DELBA检测,检测极限达0.1 pg/mL,比商用DELFIA试剂盒降低了近3个数量级,为迄今CEA检测最优值。进一步地,该团队利用发展的DELBA技术测试了肿瘤医院20例血清CEA值,结果与商用DELFIA试剂盒基本一致,并通过测定变异系数、回收率等验证了该方法的准确度和可靠性。上述工作以通讯形式于8月11日在线发表在《德国应用化学》杂志上(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, DOI: 10.1002/anie.201405937),并申请了中国和PCT国际发明专利。   此前,该团队在基于稀土纳米荧光探针的肿瘤标志物检测方面已取得系列研究进展。例如,利用LiLuF4:Yb3+,Er3+上转换纳米荧光探针实现了对疾病标志物人绒毛膜促性腺激素&beta 亚单位(&beta -hCG)的上转换荧光(UCL)检测(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 1252 Frontispiece) 利用超小CaF2: Ce3+/Tb3+纳米荧光探针实现对人体肿瘤标志物可溶性尿激酶受体(suPAR)的时间分辨荧光共振能量传递(TR-FRET)检测(Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 6671)。   基于稀土纳米探针的溶解增强荧光免疫分析原理示意图:a-传统DELFIA b-新技术DELBA
  • 李福生教授团队:手持式能量色散X射线荧光光谱仪及其应用研究
    手持式能量色散X射线荧光光谱仪及其应用研究(李福生,电子科技大学教授、博士生导师)摘要光谱分析及信息科学被广泛应用于工业检测、污染防治等领域。X射线荧光光谱(X-Ray Fluorescence spectrometry, XRF)由于具有快速、无损、精确等优点,在环境污染监测、中草药鉴别、金属回收等方面具有十足的研究潜力和广阔的应用前景。人工智能及高端装备研究团队立足于自主研发的手持式X射线荧光光谱元素分析仪(TS-XH4000),利用X射线荧光光谱分析技术结合先进的人工智能算法开展土壤污染监测、土壤质量综合评价、铁粉元素测量等研究工作。团队研发的新一代手持式X射线荧光光谱仪采用具有可实现盲测,检出限低,可测微量元素等优势。1.引言能量色散X射线荧光光谱分析技术由于其快速、无损和精确的检测优点,目前已经被广泛应用于煤质分析、安检过程、资源勘采、货物通关、环境检测和中草药检测等领域[1][2][3]。能量色散X射线荧光光谱采用脉冲高度分析器将不同能量的脉冲分开并测量。能量色散X射线荧光光谱仪可分为具有高分辨率的光谱仪,分辨率较低的便携式光谱仪,和介于两者之间的台式光谱仪[4]。目前国内外同类手持式X射线荧光光谱分析仪主要包括美国品牌Niton生产的分析仪[5],日本生产的Olymbus光谱仪[6]和日立光谱仪[7]等。这些光谱仪普遍存在精准度一般、采购成本较高、难以单独定制等问题。而本团队设计的X射线荧光光谱仪历经几代研发,采用智能AI算法,可实现盲测,检出限低,可测微量元素;采用全球首创9mm*5mm腰形窗口,保护探头、便于测细小物品及不规则物品;安全性高,所有仪器均配有已申请专利的探头保护盖,自检安全保护;且工作状态有灯带提示,配有物料感应功能,利于物体识别,很好保护操作者的安全。本团队光谱仪的所有核心技术都归自己所有,不受国外任何技术限制。本团队所设计和研发的型号为TS-XH4000-SOIL的手持式能量色散XRF光谱仪(基于 AMPTEK INC.的 SDD 探测器)利用智能能量色散荧光分析法可以同时得到检测样品的X荧光光谱图及样品中所含元素种类和含量,测量元素范围为Na(11)-U(92)。此外,团队结合新型人工智能算法,例如BP神经网络[8]、支持向量回归[9]、贝叶斯优化算法等[10],设计了计算机校正软件,实现了基于X射线荧光光谱的中草药真伪鉴别,基于X射线荧光光谱的土壤重金属元素含量和铁粉含量的精确定量分析。2. 仪器组成本团队自主研发的手持式X射线荧光光谱仪集成先进智能算法、人体学设计外观结构、各型接口等,可在合金回收、土壤污染检测、中草药鉴别等众多领域应用。该光谱仪主要由激发源(X射线光管)、探测器、滤光片、多道脉冲幅度分析器等部分组成,结构示意图如图1所示。X射线管配有电源(最大电压50kV,最大电流200mA)。在仪器测量之前,需要先根据死时间、光谱信号噪声、光谱分辨率等指标将仪器的相关参数调整至最佳,然后通过检测纯元素的X射线光谱,完成能量刻度的定标,实现从通道数到能量刻度数的转换。接着,将定量模型算法需要的变量、算法参数、补偿系数、预处理流程等设定到主控内存中,完成采集完信号后并解析信号,最终反演物质的元素含量等信息,并通过WIFI或蓝牙将仪器所测量的精度显示到PC端。图1 手持式X射线荧光光谱仪的结构示意图本团队还设计了谱图预处理及模拟谱图生成的软件,其软件界面如图2所示。其主要功能包括:能量刻度转换、初级光源预处理、初级光源生成、Sigma计算、 XRF光谱模拟等功能。该程序可以生成多元素样本的 XRF光谱图及光谱大数据,为人工智能对样品的定性和定量分析提供数据支持,旨在实现元素的无标样的定性定量分析。图2 X射线荧光光谱分析仪控制程序主界面3. 土壤元素实验分析土壤质量综合评价与土壤中各种元素的含量有着密切的联系。因此本实验研究了XRF技术结合SVR算法定量分析土壤中铜(Cu)元素含量的可行性。如图3所示,本实验使用的设备是由课题组研究生产制造的手持式ED-XRF光谱仪,型号为TS-XH4000-SOIL,该设备的X射线管在45KV和25uA下正常工作。实验中采用了55个国标样品作为土壤标准样品,样本中每个待测元素都具有足够宽的含量范围和适当的含量梯度。图3 土壤样本与XRF光谱仪在验证中,将实验样品分为训练集和测试集两个集合,分别用于外部验证和内部验证。然后,基于灵敏度分析得出Cu元素主要受到Fe、Co、Ni、Cu等组分信息的影响,选择最优输入特征为该4种元素。使用最优输入特征和全部特征作为输入,基于贝叶斯优化算法找到最优模型参数,分别建立了预测土壤样品Cu元素含量的SVR定量预测模型。同时以全部特征作为输入建立了单参数PLS模型,通过5倍交叉验证(CV)选择单参数PLS模型的最优主成分个数为9。基于校准集数据分别建立了三种模型,利用这些模型对13个测试集和42个训练集数据中的Cu元素含量进行预测,结果如图4所示。图4 Cu元素的预测结果 (a):经过特征降维的SVR模型 (b):全部特征作为输入的SVR模型 (c):PLS模型可以看到,对训练集数据进行直接预测时,采用全部特征作为输入的SVR模型取得了最好的效果,其预测结果和原数据几乎一致(R2C= 0.9988, RMSEC = 6.9356),然而,对于测试集数据采用全部特征作为输入的SVR模型获得了非常差的结果(R2P= 0.9146, RMSEP = 73.8296)。基于4个高灵敏度特征的SVR在预测测试集时获得了非常好的效果(R2P= 0.9918, RMSEP = 22.8803),预测数据的一致性较好。在XRF技术结合SVR定量分析中,变量选择对于测试集的预测精度有关键作用。4. 中草药元素实验分析本实验采用30份金银花样品主要选择产地为山西、河南、湖南与广西省,其中每个产地各选择5份,共20份,并将样本命名为JYH-01~JYH-30。7份外观相似的山银花样品,产地为湖南省,样本命名为SYH01~SYH-07。3份粉末相似的商陆、多穗金粟兰、宽叶金粟兰样本,命名为DB-01~DB-03。三类真伪中药材的XRF数据集各有其特有的性质,本文使用t-SNE算法可以提取出三组XRF数据集的前350 维特征,将这些特征降维映射至二维图片中进行可视化分析,如图5所示。可以明显的看出这三组真伪中药材的 XRF数据集在图片二维空间中位于三簇不同的位置。从而三组样本在含有以上5种元素重要相关信息的350维数据在映射至二维中有了明显的区分,比原始XRF光谱图更容易理解与分析。图5 基于金银花、外观相似伪样本、粉末相似伪样本三组XRF样本集的t-SNE特征降维可视化图为更直观地了解这土壤和中草药XRF数据集的固有特性,利用t-SNE算法将350维的XRF特征映射到二维空间并在同一幅图中进行可视化分析。如图6所示,两个数据集在二维空间聚集成了两个分布位置不同的簇。首先,两组样本在含有重要相关信息的350维数据在二维图中有了明显的区分,比原始XRF反射光谱图更易于分辨。图6 两组XRF样本集的t-SNE特征降维可视化图5. 铁粉元素测量及实验分析针对手持式X射线荧光分析技术在铁粉行业的应用,本团队开展X射线荧光背景散射内标法用于铁粉元素测量的应用研究。首先,通过低电压高电流、高电压低电流、不同采集板的增益,选择合适的设备参数获取较优的特征X射线信号。接着,分别采用SiPIN、SDD类型探测器的手持式X射线荧光分析仪建模,Si-Kα峰、Fe-Kβ峰加背景散射线内标对铁粉中的元素含量进行建模。最后,根据含量已知的铁粉样品对所建立模型的确定度系数R2和均方根误差RMSE进行评估,选出不同场景情况下合适的应用模型。表1 SiPIN探测器时铁粉中Fe元素预测结果表2 SiPIN探测器时铁粉中Si元素预测结果表3 SDD探测器时Fe元素预测结果表4 SDD探测器时Si元素预测结果如表1和表2所示,为采用SiPIN探测器的建模结果。Si-Kα峰加背景散射线内标的结果,R2为0.9070, RMSE为0.0007; Fe-Kβ峰加背景散射线内标法的结果,R2为0.88,RMSE为0.0037。如表3和表4所示,为采用SDD探测器的建模结果。Si-Kα峰加背景散射线内标的结果,R2为0.9869,RMSE为0.0002; Fe-Kβ峰加背景散射线内标的结果,SDD探测器Fe建模结果,R2为0.9099,RMSE为0.0033。采用SDD探测器定量结果验证结果更好,这与SDD探测器性能良好有关。6. 总结本团队基于自主设计和研发的手持式ED-XRF光谱仪,结合人工智能算法对土壤重金属元素含量、中草药成分和铁粉元素含量进行准确定性、定量分析。所设计的TS-XH4000-SOIL光谱仪具有高精度和高可靠性,提出的先进人工智能算法框架可以有效校正土壤和铁粉XRF光谱和待测元素含量的复杂映射关系。因此,本团队研发的光谱仪和相应的人工智能算法软件在环境监测和保护、冶金行业及其他分析化学领域都有着广泛重要的应用。参考文献[1] 甘婷婷, 赵南京, 殷高方, et al. 水体中铬,镉和铅的X射线荧光光谱同时快速分析方法研究简[J]. 光谱学与光谱分析, 2017, 37(6):7.[2] 王袆亚, 詹秀春, 袁继海,等. 偏振能量色散X射线荧光光谱测定地质样品中铷锶钇锆元素不确定度的评估[C]// 第八届全国X射线荧光光谱学术报告会.0.[3] 张辉, 刘召贵, 殷月霞,等. 能量色散X射线荧光光谱法测定中草药中的Cd元素[J]. 分析测试技术与仪器, 2019, 25(3):5.[4] 张颖, 汪虹敏, 张辉,等. 小型台式EDXRF现场快速测定深海沉积物中稀土元素[J]. 海洋科学进展, 2019, 37(1):11.[5] Ene A, Bosneaga A, Georgescu L. Determination of heavy metals in soils using XRF technique[J]. Rom. Journ. Phys, 2010, 55(7-8): 815-820.[6] Adame A. Development of an automatic system for in situ analysis of soil using a handheld Energy Dispersive X-Ray Fluorescence (EDXRF)[J]. 2020.[7] Antunes V, Candeias A, Carvalho M L, et al. GREGÓRIO LOPES painting workshop: characterization by X-ray based techniques. Analysis by EDXRF, μ-XRD and SEM-EDS[J]. Journal of Instrumentation, 2014, 9(05): C05006.[8] Li F, Yang W, Ma Q, et al. X-ray fluorescence spectroscopic analysis of trace elements in soil with an Adaboost back propagation neural network and multivariate-partial least squares regression[J]. Measurement Science and Technology, 2021, 32(10): 105501.[9] Yang W, Li F, Zhao Y, et al. Quantitative analysis of heavy metals in soil by X-ray fluorescence with PCA–ANOVA and support vector regression[J]. Analytical Methods, 2022, 14(40): 3944-3952.[10] Lu X, Li F, Yang W, et al. Quantitative analysis of heavy metals in soil by X-ray fluorescence with improved variable selection strategy and bayesian optimized support vector regression[J]. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 2023, 238: 104842.作者简介李福生,电子科技大学教授,博士生导师。在核粒子能谱分析、蒙特卡洛模拟、人工智能与云计算技术、模式识别及智能系统、控制科学及多智能体、智能制造及智慧工厂等方面的研究与应用成果斐然,具有丰富的理论研究基础和工程应用经验。曾就职于美国GE-贝克休斯公司、荷兰皇家壳牌集团等国际 500强企业的科研院,并兼任美国北卡罗莱纳州立大学客座教授。近年来在国际权威杂志发表高水平论文30多篇,拥有2项国际发明专利和50多个国内专利,出版学术专著1册,参与多个国际重大研发项目。在仪器研制方面,成功研发了多代高精度手持式X射线光谱成分分析仪,且已经过上海市计量测算技术研究中心的专业鉴定,具有高灵敏度、高准确度、快速无损等特性,可广泛应用于石油、天然气煤层气勘探与开采,铀矿探测以及金属、食物、植物、土壤的检测等,对实现我国在地质考古、公共安全、环境保护、食品安全等领域的探测设备核心部件的升级及市场国产化产生了重大影响。e-mail:lifusheng@uestc.edu.cn
  • 高分子表征技术专题——荧光关联光谱在高分子单链研究中的应用
    2021年,《高分子学报》邀请到国内擅长各种现代表征方法的一流高分子学者领衔撰写从基本原理出发的高分子现代表征方法综述并上线了虚拟专辑。仪器信息网在获《高分子学报》副主编胡文兵老师授权后,也将上线同名专题并转载专题文章,帮助广大研究生和年轻学者了解、学习并提升高分子表征技术。在此,向胡文兵老师和组织及参与撰写的各位专家学者表示感谢。高分子表征技术专题前言孔子曰:“工欲善其事,必先利其器”。 我们要做好高分子的科学研究工作,掌握基本的表征方法必不可少。每一位学者在自己的学术成长历程中,都或多或少地有幸获得过学术界前辈在实验表征方法方面的宝贵指导!随着科学技术的高速发展,传统的高分子实验表征方法及其应用也取得了长足的进步。目前,中国的高分子学术论文数已经位居世界领先地位,但国内关于高分子现代表征方法方面的系统知识介绍较为缺乏。为此,《高分子学报》主编张希教授委托副主编王笃金研究员和胡文兵教授,组织系列从基本原理出发的高分子现代表征方法综述,邀请国内擅长各种现代表征方法的一流高分子学者领衔撰写。每篇综述涵盖基本原理、实验技巧和典型应用三个方面,旨在给广大研究生和年轻学者提供做好高分子表征工作所必须掌握的基础知识训练。我们的邀请获得了本领域专家学者的热情反馈和大力支持,借此机会特表感谢!从2021年第3期开始,以上文章将陆续在《高分子学报》发表,并在网站上发布虚拟专辑,以方便大家浏览阅读. 期待这一系列的现代表征方法综述能成为高分子科学知识大厦的奠基石,支撑年轻高分子学者的茁壮成长!也期待未来有更多的学术界同行一起加入到这一工作中来.高分子表征技术的发展推动了我国高分子学科的持续进步,为提升我国高分子研究的国际地位作出了贡献. 借此虚拟专辑出版之际,让我们表达对高分子物理和表征学界的老一辈科学家的崇高敬意! 原文链接:http://www.gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304.2020.20238《高分子学报》高分子表征技术专题链接:http://www.gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304荧光关联光谱在高分子单链研究中的应用周超 1,2 ,杨京法 1,2 ,赵江 1,2 1.中国科学院化学研究所机构 北京 1001902.中国科学院大学机构 北京 100049作者简介: 赵江,男,1967年生. 分别于1989年、1992年在吉林大学物理系获得学士、硕士学位,1995年于中国科学院物理研究所获得博士学位,之后分别于北京大学化学与分子工程学院、日本产业综合研究所、美国伊利诺伊大学从事博士后研究,2004年起于中国科学院化学研究所任研究员,入选中国科学院“百人计划”,2009年获得国家杰出青年科学基金资助,2013年当选美国物理学会Fellow. 以单分子荧光显微与光谱方法开展关于高分子物理基础性研究,研究方向包括:多电荷大分子、聚合物表界面、高分子动力学、相变与玻璃化转变等 通讯作者: 赵江, E-mail: jzhao@iccas.ac.cn摘要: 荧光关联光谱(fluorescence correlation spectroscopy,FCS)是一项用于研究体系动力学性质的统计光谱技术,随着它被引入材料与化学研究领域,近年来取得了大量全新的研究成果. 该技术在高分子科学研究中也逐渐发挥出越来越大的作用,特别是在聚合物结构和动力学方面,这表明它在高分子领域的巨大潜力. 本文将从FCS的基本原理、实验技巧以及在一些具有挑战性体系中的应用等方面展开,着重介绍它在高分子溶液,如聚电解质溶液、高分子混致不溶现象,以及不同的表界面体系中取得的新成果,展示FCS区别于其他传统技术的特点和优势.关键词: 荧光关联光谱 / 高分子 / 聚电解质 / 表界面 / 混致不溶 目录1. 荧光关联光谱的基本原理2. 荧光关联光谱的实验技巧2.1 实验样品的标记和纯化2.2 激发体积的校准3. 荧光关联光谱在高分子单链研究中的应用3.1 FCS在聚电解质体系中的应用3.2 FCS在高分子混致不溶现象中的应用3.3 FCS在表界面体系中的应用3.4 FCS在有外场作用的体系中的应用4. 荧光关联光谱技术的发展和应用5. 结论参考文献高分子物理研究的目标之一是探究聚合物在不同尺度上的结构与动力学,及其对于高分子体系性质的决定性. 其中,聚合物构象是最为基础的研究内容. 高分子构象是指由于主链上单键内旋转而产生的分子链在空间的不同形态. 对于中性聚合物体系,由于分子链的结构自相似性,利用标度理论可以成功描述其在良溶剂、θ溶剂以及不良溶剂中分子链的尺寸. 散射技术是研究高分子链构象最成功的方法,如:光散射、X射线散射以及中子散射. 就动态光散射而言,它通过检测高分子溶液散射光强随时间涨落而得到其关联函数,从而获得单分子链的扩散速率信息,并获得分子链的流体力学半径信息[1,2]. 结合静态散射实验所获得的回转半径,可以确定聚合物在溶液中的形态[3,4]. 虽然光散射方法在具有短程相互作用的中性聚合物体系表征中非常成功,但是该项技术在一些条件或情形下却遇到了很大的困难,如:多电荷体系、多组分复合体系、表界面体系等. 在多电荷体系中,多重长程静电相互作用使得动态光散射信号中出现令人费解的“快慢模式”[5~7]. 用光散射法来考察高分子的混致不溶现象时,混合溶液中强烈的组分涨落导致强烈的光散射背景信号,严重影响了光散射对信息的提取[8]. 因此,采用新的技术和研究方法开展高分子表征无疑是重要的.荧光关联光谱(fluorescence correlation spectroscopy,FCS)是表征高分子的有效新方法之一. 它与动态光散射同属于光子相关光谱技术,通过分析光信号的涨落而得到分子链动力学信息. 然而,FCS具有很高的探测灵敏度,通过获取荧光涨落信号而得到单个分子的动力学信息. 荧光关联光谱技术是由Madge、Elson和Webb[9~11]在20世纪70年代发展起来的,20世纪90年代,随着Rigler等[12]将共聚焦技术引入,FCS得到快速发展. 采用共聚焦显微技术,FCS的激发-探测空间体积缩小至~10−15 L,激发-探测空间内的分子数目大大地降低,实验的信噪比也随之提高. 与此同时,具有很高灵敏度的单光子检测器的采用使得FCS实现了单分子水平的测量. 随着计算机技术的进步,数据采集卡能够实时地进行数据的采集和相关性计算,使得FCS技术得到了重要的突破,在科学研究中的应用也越来越广泛.近年来,FCS在高分子物理研究中逐渐表现出重要作用,相比于传统的散射技术,它有着独特的优势. 第一,FCS具有极高的灵敏度,可以在极稀薄条件下(~10−9 molL−1)进行测量,同时具有达到光学衍射极限空间分辨率(~200 nm)与出色的时间分辨率(10−6 s). 第二,FCS的信噪比与聚合物的分子量无关. 在实验中,聚合物链通过化学键合的方式实现一比一的荧光标记,因此,分子量不同的样品对于信号的贡献相同. 但是,对于光散射技术而言,散射光强与聚合物分子量具有依赖性,因而信噪比也随之改变,分子量偏小样品的实验难度较大. 第三,对样品的荧光标记同样带来了可选择性与识别性,实现了同一体系中不同组分的区分式研究. 例如,通过对不同组分使用不同的荧光分子进行标记,采用多色FCS对各组分间的运动及其关联进行分析;也可选择性地对多组分体系中的特定组分进行标记,实现复杂体系中特定组分的研究.伴随着FCS技术的发展以及与其他研究手段的联用,其应用越来越广泛,从最初的生物领域[13~15]到胶体[16,17]、聚合物[18,19],从溶液[20~23]到熔体[24~26]、凝胶[27~29]、表界面体系[30~32]等,都取得了许多原创性的成果. 值得指出的是,FCS在测量平动和转动扩散系数、反应速率常数、平衡结合常数、细胞内粒子浓度等方面有着突出的优势[33~35].1. 荧光关联光谱的基本原理当一个体系处于热力学平衡态时,分子的热运动会导致体系浓度、密度等发生局部涨落. 通过相关分析方法,计算这些局部涨落的关联函数,就可以从信号中提取出体系的热力学信息. 动态光散射技术正是运用了此方法,通过测量溶液的散射光强随时间涨落而获得其关联函数,从而获得样品的动力学信息. 荧光关联光谱测量共聚焦空间内样品荧光强度随时间的涨落,通过计算其关联函数而得到对涨落有贡献的热力学性质信息.在激发空间内在任一时刻荧光强度F(t),激发空间内荧光信号在t时刻的强度涨落δF(t)为:其中,⟨F(t)⟩=1/T∫0TF(t)dt,为从0到T 时间内的平均荧光强度.上述涨落的归一化自关联函数为G(τ):自关联函数包含了导致共聚焦空间内荧光信号强度涨落的所有信息,如:平动及转动扩散导致的荧光信号涨落、探针的光物理和化学变化(如:三重态)等导致的涨落等. 对于单光子激发体系,激发空间内的光强分布满足三维高斯分布,对在溶液中进行三维扩散的荧光分子而言,其浓度的涨落满足扩散方程,因而其关联函数的表达式为:其中,Veff=π1.5w02z0为激发空间的体积,特征时间τD=w02/4D为荧光分子通过激发空间所需的平均时间. G(0)=1/Veff⟨c⟩=1/N为激发空间内荧光分子平均数目的倒数,当样品的浓度越低时,G(0)值越大.从G(τ)的表达式可知,FCS的自关联函数有4个变量w0、z0、⟨c⟩、D,其中w0、z0属于仪器的参数,即共聚焦空间的横向半径与纵向半高度,而⟨c⟩、D分别是荧光分子的平均浓度和扩散系数. 因此,在准确标定仪器参数w0w0、z0z0的条件下,通过数值拟合将得到未知样品的浓度和扩散系数. 扩散分子的流体力学半径可以根据Stokes-Einstein方程得到:其中,kB为玻尔兹曼常数,T为温度,η为介质黏度.FCS仪器结构如图1所示,激光器的输出光经过准直扩束后由二向色镜反射进入物镜,并经物镜聚焦在样品中激发荧光. 产生的荧光由同一物镜收集,再次通过二向色镜以及滤镜将杂散的激光以及背景光过滤压制,最终由透镜聚焦并由针孔进行空间滤波进入到检测收集系统.图 1Figure 1. Schematic illustration of instrument structure of fluorescence correlation spectroscopy.由于单光子检测器可能出现接收一个光子产生多个电子的情况,为了消除这个过程带来的误差,可以将荧光信号分成等强度的两部分,然后对2个通道内的信号作交叉关联:2. 荧光关联光谱的实验技巧由于一般的聚合物不发光,因此FCS实验所采用的样品需要进行荧光标记. 另外,在实验操作方面,最需要注意对于激发体积的严格校准,以确保实验测量的准确性.2.1 实验样品的标记和纯化样品标记方法主要有以下2种:第一,在样品需要标记的位点预留反应的基团,如:氨基、羧基、叠氮基团等,再根据不同的基团及FCS实验的要求选择合适的活性荧光分子进行化学键合. 为了获得较高的标记效率,在标记过程中加入的荧光分子的量远大于聚合物,所以反应结束后有大量游离的自由荧光分子存在,需要通过体积排除色谱和超滤等方法进行分离提纯,直至滤液中不再检测到荧光信号.第二,在样品合成过程中加入适当比例的共聚合荧光单体进行共聚,例如,通过RAFT聚合制备聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)时,可以加入适当比例的荧光单体来合成具有一定分子量范围、分子量分布较窄和荧光标记的样品[36]. 反应完成后同样也需要超滤、透析等方式进行分离提纯.2.2 激发体积的校准FCS实验之前,需要对仪器进行校正得到仪器激发体积的参数. 采用已知浓度和扩散系数的荧光分子样品来进行校正,例如Rhodamine 6G (Rh6G)分子,它在纯水中的扩散系数为414 μm2s−1 (25 °C),实验中一般将其配置成5×10−9 molL−1 (5 nmolL−1)的水溶液进行FCS测量,然后通过对测得的关联函数进行拟合即可得到激发空间的尺寸.另外,温度对于扩散系数的影响很大,不同温度下进行实验时,同样需要对扩散系数进行校正,校正的公式如下:如图2所示,以波长为488 nm的激光作为激发光,对FCS测量得到的Rhodamine 6G的自相关曲线进行拟合得到激发空间的尺寸为w0=0.224 μm,z0=1.608 μm.图 2Figure 2. A typical autocorrelation function curve and the fitting result of free Rhodamine 6G molecules in water.需要说明的是,FCS的测量会受到样品体系折射率不匹配的影响. 如图3所示,当样品溶液与物镜的折射率不匹配时,会导致表观的激发体积出现显著变化:第一,表观的w0值随折射率不匹配的增加而减小,这是折射率不匹配产生的像差导致;第二,随着物镜焦点位置从界面处愈加深入到样品溶液中时,折射率不匹配导致的表观w0值的变化愈明显[36].图 3Figure 3. (a) Representative normalized autocorrelation function curves of fluorescent nanoparticles diffusing in aqueous solution of glycerol at a small focal depth (25 μm) (b) Values of the apparent lateral radius of the excitation-detection volume of FCS as a function of the refractive index of the solution. The distance of the focal point in the sample medium away from the coverslip surface is displayed. (Reprinted with permission from Ref.[36] Copyright (2012) American Chemical Society).依据FCS的原理,w20=4DτDw02=4DτD,因此,即使微小w0变化也将显著影响探针分子拟合得到的扩散系数值. 因此,选择合适的溶液体系和物镜使得折射率尽可能匹配,对于FCS的测试准确性至关重要. 在折射率不匹配问题无法避免时,如图3(b)中,可以使用一个较低的焦点位置(25 μm)能有效地避免激发体积的畸变[36].此外,如图4所示,以厚度为0.16 mm的盖玻片为例,当实验使用物镜的校正环与样品池底部的盖玻片厚度不匹配时,激发体积的尺寸也会出现较大的偏差,所以在实验前还需注意物镜校正环与盖玻片厚度是否匹配[37].图 4Figure 4. Values of the apparent lateral radius of the excitation-detection volume of FCS as a function of the value of correcting collar (Reprinted with permission from Ref.[37] Copyright (2018) University of Chinese Academy of Sciences).因此,在FCS实验中,应该尽量选择合适的物镜类型以匹配样品的折射率,并调整镜头校正环数值与盖玻片厚度一致,如果折射率不匹配的情况不能避免,那就选择较低的、固定的焦点深度值以保证实验结果可靠可信.除了上述两点之外,在实验过程中还需要注意激光光强的选择,过强的入射光容易导致荧光探针发生光漂白而带来实验误差,因此应该降低进入物镜的激光光强进行实验.3. 荧光关联光谱在高分子单链研究中的应用FCS以其独特的优势在一些传统研究手段难以涉足的高分子体系中展现出独特的优势,例如:考察水溶液中聚电解质的单链动力学[38~44]、混致不溶现象中高分子链构象的变化[36]、表界面体系中高分子的扩散动力学[30~32,45~48]等等.3.1 FCS在聚电解质体系中的应用聚电解质是主链或者侧链上带有可离子化基团的聚合物,在极性溶剂中,聚电解质主链由于解离而带电,同时存在大量带有相反电荷的抗衡离子[49,50]. 正是聚电解质链间、链段间以及链与抗衡离子间多重长程静电相互作用,在赋予聚电解质丰富性质的同时,也给聚电解质的研究带来了很大的困难[51~53]. 例如,当采用动态光散射技术研究带电聚合物体系时,在低离子强度的聚电解质溶液中,存在“快与慢”的2种松弛模式. 为了探究聚电解质中的这种多级松弛模式的起源,研究人员进行了大量的实验并提出了多种可能的解释,但至今仍未有一个确切的回答[5,6,54~56].如果采用传统散射技术来研究低离子强度条件下带电聚合物体系的扩散运动,实验中遇到不少困难,而FCS实验中样品极稀浓度和极高选择性的优势就体现出来,依靠FCS技术,研究人员可以在极稀薄条件下进行实验研究,在聚电解质溶液体系获得全新的信息.Wang等[38]利用FCS在实验上第一次观察到了在无扰溶液中疏水聚电解质的一级构象转变. 如图5(a)所示,弱聚电解质聚(2-乙烯基吡啶) (P2VP)分子的构象随带电分数的变化而呈现出一级转变特征,即:随pH的升高由伸展的线团构象至坍缩的链球. 除了通过pH值改变聚电解质的带电分数,聚电解质的构象转变也可以由改变外加盐的浓度导致,即:抗衡离子吸附与静电屏蔽作用. 如图5(b)所示,P2VP的单分子链流体力学半径随着静电屏蔽长度的增加而连续增加.图 5Figure 5. (a) Diffusion coefficient of P2VP as a function of pH value of the solution. Inset: The hydrodynamic radius of P2VP as a function of pH value (b) The hydrodynamic radius of P2VP as a function of Debye length of the system (Reprinted with permission from Ref.[38] Copyright (2007) American Institute of Physics).Xu等[39]利用FCS技术在单分子水平上研究了强聚电解质的构象. 实验发现,在无外加盐的情况下,强聚电解质聚苯乙烯磺酸钠(NaPSS)和季胺化聚(4-乙烯基吡啶)(QP4VP)的流体力学半径和聚合度之间分别存在着0.7和0.9的标度关系,说明在低离子强度时,聚电解质链的构象比中性聚合物在良溶剂中溶胀的无规线团构象更加伸展. 如图6所示,采用棒状构象的分子模型得到了理想的拟合结果(其中QP4VP在高分子量部分出现偏离是高分子量聚电解质吸附更多的抗衡离子所导致的). 拟合结果显示分子链的直径分别为2.2和2.3 nm,这比理论假设的裸露水合聚电解链的直径0.8 nm要大很多,这也说明了聚电解质链的周围有抗衡离子云的存在.图 6Figure 6. Values of hydrodynamic radius of NaPSS and QP4VP plotted as a function of degree of polymerization. The solid lines denote the numerical fitting based on the theoretical model of diffusion of a rod-like molecule, and the dashed line denotes the fitting results using the diameter of a hydrated chain, i.e., d=0.8 nm. (Reprinted with permission from Ref.[39] Copyright (2016) American Institute of Physics).Xu等[40]进一步研究了在不同外加盐浓度情况下聚电解质链的构象. 如图7所示,聚电解质分子链构象具有分子量依赖性:在低盐浓度时,短链分子的聚电解质采取棒状构象,而长链分子采取无规线团构象;随着外加盐浓度的增加,所有的NaPSS和QP4VP均采取无规线团构象.图 7Figure 7. Diffusion coefficient of NaPSS (a) and QP4VP (b) as a function of degree of polymerization under salt concentrations of 10−4, 0.1, and 1.0 molL−1, respectively The solid lines represent the results of fitting using the relation of Rh∼N−v. (Reprinted with permission from Ref.[40] Copyright (2018) American Institute of Physics).Ren等[41]通过FCS技术研究了i-motif DNA的解折叠过程. 如图8所示,在不同盐浓度的条件下,随着pH值的升高,i-motif DNA均发生了从有序的四联体结构到无规线团的构象转变,并且这一转变对盐浓度有着依赖性:盐浓度越高,解折叠的起始pH值就越低. 这种盐浓度依赖性的主要原因是外加盐的引入导致更多的抗衡离子吸附在DNA链上而降低了链的电荷密度,降低了链周围的局部质子浓度,而后者是控制折叠形成的关键因素.图 8Figure 8. The values of hydrodynamic radius of a single i-motif DNA strand as a function of pH value in the solution Three conditions were chosen: solution without any salt addition (salt-free), and 50 mmolL−1 and 100 mmolL−1 NaCl solutions (physiological environment) The start and end points of the conformation transition are denoted by the arrows. (Reprinted with permission from Ref.[41] Copyright (2018) The Royal Society of Chemistry).如果将光子计数直方图(PCH)技术与FCS相结合,可以对聚电解质主链的电势、有效带电量、抗衡离子分布等方面进行深入研究. 例如,Luo等[42]将pH敏感的荧光探针标记于NaPSS链的不同位点,采用PCH技术测量分子链局部的pH值,发现聚电解质链附近的局部氢离子浓度比本体溶液中高2~3个数量级,而末端效应使得分子链中间的静电势高于末端的静电势. 同时,他们还发现氢离子浓度在径向呈现出e指数衰减的趋势,这证明了聚电解质链周围存在抗衡离子云的说法[43].Jia等[44]研究了抗衡离子分布与聚合物浓度的依赖关系,通过FCS测量NaPSS溶液中作为抗衡离子探针的带负电荧光分子的扩散系数,确定自由探针和吸附于主链的探针2个组分,发现与主链结合的抗衡离子组分随着聚合物浓度的增加而增加. Xu等[40]采用PCH测量NaPSS单分子链电位,发现其随着聚合度的增大而单调上升,且在聚合度大的区间达到饱和. 这说明主链的静电势与分子量不是线性关系,其有效带电分数以及有效电荷密度随着分子量的增加而减小. 上述实验结果说明聚电解质抗衡离子与主链的相互作用是吸附与脱附的动态平衡,而不是经典的Manning抗衡离子凝聚[57~60].3.2 FCS在高分子混致不溶现象中的应用高分子的混致不溶现象(cononsolvency)是一类回归型过程:2种高分子的良溶剂按一定比例混合后反而成为了不良溶剂[61,62]. 一个典型的例子是:常温下聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)在水与一定比例的甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、四氢呋喃、DMSO等良溶剂的混合液中不再溶解,溶液的相分离温度显著改变,溶液黏度下降,PNIPAM凝胶溶胀率下降. 研究人员对这一现象的起源进行了大量的实验探究,至今未能达成共识[8,63~66].了解高分子链的构象对于理解混致不溶现象至关重要. 前人采用光散射方法研究了水和甲醇混合溶剂中PNIPAM链从线团到塌缩球再到线团的构象转变[64]. 需要特别说明的是,为了在极稀溶液中获得足够高的散射强度与信噪比,研究中采用了分子量高达107 gmol−1的样品. 当采用FCS技术研究该过程时,由于其超高的灵敏度以及与样品分子量无关的信噪比,可在混合溶剂环境下高分子单链的研究中提供独特的信息[67]. Wang等[36]利用FCS研究了PNIPAM在水-乙醇混合溶剂中的混致不溶过程. 如图9所示,PNIPAM具有非对称的回归型构象变化特征:随着乙醇浓度的增大,在一个很窄的乙醇浓度范围内PNIPAM链剧烈塌缩,然后在很宽的乙醇浓度范围内逐渐地再度伸展,说明这一构象转变不是先前文献中所认为的一级构象转变过程. 这表明乙醇分子比水分子更强烈地与PNIPAM链发生作用,这是由乙醇较强的疏水水合效应所致,暗示了Tanaka提出的模型中水合/失水的协同能力强于醇分子吸附/脱附的协同能力[65,66].图 9Figure 9. Normalized autocorrelation function curves of diffusing single chains of PNIPAM with five degrees of polymerizations in pure ethanol (a) and at xEtOHxEtOH of 0.25 (b) The solid line with each data set denotes the results of the numerical fitting using three-dimensional diffusion model Rh6G in (a) denotes the results of free fluorescent Rhodamine 6G, and its drastic difference from those of polymers indicates the successful labeling and sample purification (c) The values of hydrodynamic radius of PNIPAM single chains as a function of xEtOHxEtOH (Reprinted with permission from Ref.[36] Copyright (2012) American Chemical Society).如图10所示,不同乙醇浓度下得到PNIPAM单链的尺寸的标度率(Rh∼NυRh∼Nυ)表明,标度指数νν随着xEtOHxEtOH变化:随着乙醇的浓度的增加,ν从~0.57到0.5再到~1/3变化,说明在上述3个区域,PNIPAM高分子链分别采取了溶胀、无规线团、坍缩链球的构象,即:由纯水中的溶胀线团经无规线团构象而急剧转变为塌缩链球构象,进而又再度逐渐伸展,经过无规线团构象变化至溶胀线团构象. 从标度指数的变化也可以发现回归型链构象变化的高度非对称性,进一步印证了Tanaka提出的协同吸附-优先吸附模型[65,66].图 10Figure 10. Typical double-logarithmic plot of hydrodynamic radius of single PNIPAM chains as a function of degree of polymerization under different solvent compositions: (a)xEtOH=xEtOH=1.0, (b)xEtOH=xEtOH=0.28, (c)xEtOH=xEtOH=0.25 Solid lines are the least-squares linear fitting (d) The vv values as a function of xEtOHxEtOH The three dotted lines denote the theoretical values of the static scaling index for a random coil (0.588), an undisturbed coil (0.5), and a compact globule (1/3). (Reprinted with permission from Ref.[36] Copyright (2012) American Chemical Society).3.3 FCS在表界面体系中的应用受限高分子链,尤其是处于界面的高分子链结构及动力学性质,直接关系到表界面的机械性能、摩擦性能、流变性能等,这些性质与高分子材料在表界面上的应用息息相关,如涂料、润滑剂、胶黏剂等[68~71]. 但是对于高分子链在表界面处的动力学研究存在着不少技术难题,主要原因是表界面动力学带来的浓度涨落被局限于二维或准二维空间,探测难度极大,使得传统的散射方法难以应用. 近年来,得益于单分子技术的迅猛发展,空间和时间分辨能力分别有了显著的优化,极大提高了人们直接“观察”分子或粒子行为的能力,这为我们从分子水平认识聚合物在界面上的动力学性质打下了基础.荧光关联光谱因其极高的灵敏度与显微测量能力被成功地应用于表界面体系的研究中. 对于处于二维自由扩散的分子而言,其自关联函数为:其中,w0是二维FCS观察区域(即激发空间在界面等二维平面投影)的半径,⟨ρ⟩=⟨N⟩/A,即单位面积内荧光探针的平均数量,A是激发空间在界面等二维平面上投影的面积.Sukhishvili等[30]利用FCS研究了荧光染料标记的不同分子量的聚乙二醇(PEO)在固-液界面上的扩散. 从分子链界面扩散运动行为出发,分析出在极稀浓度的条件下聚合物分子在固-液界面上呈现出了紧密吸附的pancake构象,发现了界面扩散系数与分子量的-3/2的独特标度率. Zhao等[31,32]则利用FCS研究了PEO在固-液界面上扩散速率与界面吸附浓度的非线性关联性,即:随着聚合物浓度的增加,其扩散系数先增加并在某一浓度值达到极值,进而骤然大幅下降. 这是由于极低浓度分子链紧密吸附的pancake构象会随着吸附浓度的增加变成loop-tail-train构象,即:吸附使得分子链构象变得相对松散,其扩散速率由与基底接触的train部分占主导. 随着吸附浓度的增加,较为自由的loop-tail部分则增加了其运动能力,因此扩散系数增加;更高浓度时扩散系数出现骤降是因为体系中出现了jamming效应,即分子链间的作用增强,阻碍了分子链的扩散运动.Ye等[45]利用FCS研究了不同拓扑结构的聚合物链在石英-二氯甲烷界面上的扩散,如图11所示,线形聚苯乙烯(PS)扩散的标度率为D∼M−1.5,重现了reptation模型;而环形PS的标度率则为D∼M−1,展现为Rouse模型. 两者的差异是由于环形分子没有末端,无法像线形分子一样完成蛇行运动,而是由一系列链段受到热激发进行跳跃,跨过局部能垒的运动组成.图 11Figure 11. Double-logarithmic plots of center-of-mass diffusion coefficient against molecular weight for surface diffusion of cyclic (c-PS) and linear (l-PS) polystyrene chains on fused silica-DCM interface The solid lines with slopes of 1 and 3/2 are drawn as guides to the eye The dashed lines through the points representing the best fit of the data give power law slopes of 1.46 for linear chains and 1.00 for cyclic chains. (Reprinted with permission from Ref.[45] Copyright (2016) The Royal Society of Chemistry)Yang等[46]利用FCS研究了不同盐溶液作为液相时,NaPSS在疏水单层分子膜界面上的扩散行为. 如图12所示,吸附在疏水表面的聚电解质分子链的扩散受到液相中不同阴离子的影响,主要原因在于不同的阴离子效应改变了界面疏水相互作用强度,从而改变了界面与分子链之间摩擦力,造成扩散系数的显著改变.图 12Figure 12. Typical data of the lateral diffusion coefficient of a NaPSS single chain at the interface of a hydrophobic surface and an aqueous solution as a function of the salt concentration in the aqueous solution (Reprinted with permission from Ref.[46] Copyright (2011) American Chemical Society)Yang等[47]利用FCS技术研究了聚苯乙烯与聚异戊二烯(PI)的嵌段共聚物在二甲基甲酰胺(DMF)与PI聚合物构成的液体界面上的扩散运动. 如图13所示,在本体聚合物分子量跨越了2个数量级的变化,界面上PS-b-PI的扩散系数仅有轻微的下降. 这表明,在PI/DMF的体系中,存在很低黏度的界面层,该界面层的黏度与构成界面的本体聚合物的分子量不存在明显依赖性.图 13Figure 13. Interfacial diffusion coefficient of single PS-b-PI chain as a function of the molecular weight of bulk PI The dashed line is for the guide of eye Inset: illustration of the sample geometry (Reprinted with permission from Ref.[47] Copyright (2008) American Chemical Society).Li等[48]利用FCS探究了PEO分子在烷烃-水界面上的扩散行为. 研究发现,PEO在该界面上聚合物的横向扩散为正常扩散,与二维布朗运动模型相吻合. 如图14所示,液-液界面上的PEO的界面扩散系数与其聚合度之间存在D∼N−0.5的标度关系,这一新的标度关系表明其界面扩散运动遵循着新的运动机理.图 14Figure 14. The logarithm of interfacial diffusion coefficient of PEO as a function of the logarithm of molecular weight (Reprinted with permission from Ref.[48] Copyright (2020) The Royal Society of Chemistry).从单分子层面上研究界面扩散,有助于发现分子最真实和原始的扩散行为规律,这在传统的系综平均实验中往往会被忽略或者被多种因素耦合而产生的运动行为掩盖,这是上述FCS实验结果最大的优势之处. 此外,值得注意的是,在研究固-液界面上聚合物扩散机理时,不同研究团队利用FCS和单粒子追踪(single particle tracking, SPT)技术,得到了不同的结果及界面扩散机理,也因此导致了FCS和SPT 2种技术在界面分子动力学研究上存在多年的学术争论[30,31,72,73]. 我们基于这个问题也展开了实验对比,发现FCS和SPT都能够提供准确且可靠的实验结果,在条件满足时两者能够得到相互吻合相互匹配的实验结果,相关数据结果将在未来进行发表.3.4 FCS在有外场作用的体系中的应用对于聚合物而言,在其合成、分离、加工等过程中有可能会经历电场、流动场、剪切场等作用,尤其在生命体中更是常见. 因此,对于外场作用下的聚合物性质的研究也是极为重要的.当我们将荧光关联光谱应用于外场作用下的体系中时,除了分子热运动导致平动扩散引起的荧光信号涨落,还不得不考虑外场导致荧光分子定向运动通过激发体积带来的信号涨落. 带有定向运动的FCS,如果其运动的方向垂直于激光光束的方向,经过修正的模型拟合关联函数可以获得扩散系数与定向运动速率:其中,vf=w0/τf即为定向运动速率.Dong等[74]将FCS和毛细管电泳结合起来测定了量子点在极稀溶液中的表面电势. 利用FCS的自关联函数拟合得到荧光粒子的定向运动速度和扩散系数,在电泳实验中定向运动的特征时间τf和自扩散系特征时间τD之间满足:其中,Q为带电量,E为外加电场强度. 通过测定不同电场强度下定向运动和扩散的特征时间,通过线性拟合得到荧光粒子的表面电势. Wang等[75]利用FCS研究了P2VP在交变电场下的单链构象转变. 结果表明电场强度对于分子链构象的影响存在滞后转变. 这种滞后现象可以归因于单个疏水性聚电解质链的不对称双稳态能态,由于抗衡离子的解离、迁移和凝聚,其coil和globule构象之间的势垒可以通过交变电场诱导的偶极子降低到kBT以下.4. 荧光关联光谱技术的发展和应用随着FCS技术的发展,出现了双色荧光关联光谱(DC-FCCS)[76,77]、双焦点荧光关联光谱[78,79]、FCS与荧光共振能量转移(FRET)联用[80,81]、可连续改变共焦体积荧光关联光谱[82]等新技术. 这些新技术相较于传统的FCS,可以获取样品更多的热力学信息. 图15是DC-FCCS的简单示意图,采用2种波长的激光分别激发2种对应的荧光分子,然后选择性光学器件对不同波长的荧光进行分离,最后由2个APD检测器分别检测2种荧光信号,再对信号进行关联性分析. DC-FCCS的基本原理就不在此赘述,除了对2种荧光分子的荧光强度涨落进行各自的自关联分析之外,我们还可以对这2种荧光信号做交叉关联分析得到两者相互运动乃至相互作用的信息. 需要说明的是,选择的这2种荧光分子在光谱上必须分离得很好,否则会出现很大的串扰影响实验结果.图 15Figure 15. Schematic illustration of dual color fluorescence cross-correlation spectroscopyChen等[83]利用DC-FCCS和光散射相结合的方法深入研究了聚电解质溶液中单链运动之间的关联性,发现了聚电解质分子链间的运动耦合. 将DC-FCCS实验得到自关联函数的自由扩散部分转化为均方位移数据(MSD),发现其在长短2个时间尺度上分别存在具有不同扩散系数的正常扩散运动,表明链间的静电排斥相互作用带来的“笼子效应”导致了单个分子链的自扩散运动中同样存在一快一慢2种时间尺度上的扩散模式:短时间尺度上为“笼子”内的快扩散行为,长时间尺度上为跨越不同“笼子”的慢扩散行为(如图16所示). 这2种松弛模式均存在强烈的离子强度依赖性,随着外加盐浓度的增加,削弱了链间的排斥作用而弱化了“笼子效应”,导致了长短时间尺度上的动力学非均匀性减弱,甚至消失. 实验结果还表明,聚合物浓度的增加限制了聚电解质链的运动,从而削弱了链间运动的关联性(如图16(b)所示). 将其与光散射中“慢模式”对应的扩散系数对比发现,“慢模式”对应的扩散系数数值处于分子链自扩散长短时间尺度的扩散系数之间,这说明光散射观察到的“快慢模式”与长程静电相互作用引起“笼子效应”有着密切的联系,同时也说明聚电解质的多级松弛过程比我们预想的更加复杂.图 16Figure 16. (a) Values of the diffusion coefficient of the short-time diffusion (Dshort-timeDshort-time) and the long-time diffusion (Dlong-timeDlong-time) of NaPSS with three different molecular weights under different salt concentrations (b) Diffusion coefficient of single NaPSS chain with three different molecular weights at short- and long-time lag as a function of concentration Diffusion coefficients measured by DLS (the slow mode, DDLS,slowDDLS,slow) are displayed for comparison. (Reprinted with permission from Ref.[83] Copyright (2019) American Chemical Society).5. 结论荧光关联光谱技术作为一种高灵敏度的显微统计光谱方法,能够有效地在多种复杂条件下开展高分子动力学的研究,包括:极稀薄溶液、表界面等等. 这项技术出色的空间分辨能力以及由于荧光标记带来的分子识别性,赋予了更加丰富的应用能力与前景. 随着这项技术的不断发展和应用范围的进一步拓展,相信未来它会和传统的散射技术一样被越来越多的人了解和使用,在多个领域都能取得丰富且具创造性的成果.致 谢 感谢研究生及合作者的辛勤劳动与贡献.参考文献[1]Wu C, Zhou S. Phys Rev Lett, 1996, 77(14): 3053−3055 doi: 10.1103/PhysRevLett.77.3053[2]Gao J, Wu C. Macromolecules, 1997, 30(22): 6873−6876 doi: 10.1021/ma9703517[3]Liu X B, Luo S K, Ye J, Wu C. 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  • 程琳教授团队:毛细管聚焦的微束X射线荧光谱仪及其应用研究
    毛细管聚焦的微束X射线荧光谱仪及其应用研究邵金发,侯禹存,程琳*(北京师范大学核科学与技术学院,射线束技术教育部重点实验室 100875)摘要随着科技的发展,人们对物质的分析慢慢深入到微区领域。而微束能量色散X射线荧光作为一种高灵敏、高精度的元素分析技术,已然成为物质微区分析的有利工具。本实验室将毛细管X射线聚焦技术与能量色散X射线荧光分析技术相结合,自行设计研发了一种新型毛细管聚焦的微束X射线荧光谱仪。该谱仪在利用毛细管X光透镜的特点将X射线源发出的X射线束会聚到微米量级的同时,基于激光位移传感器开发了自动调整样品测量点到透镜出口端距离的闭环控制系统,有效的减少由于样品表面不平整或弧度带来的测量误差,弥补了现有微束X射线荧光谱仪在此方面的不足。因此,该微束X射线荧光谱仪为表面不平整文物样品的无损微区元素分析提供了解决方案。1. 引言微束能量色散X射线荧光光谱(Micro-energy dispersive X-ray fluorescence, µ-EDXRF)分析技术因其快速、准确、无损分析等优点,被广泛应用在考古、地质、环境、材料、生物等科学领域[1-8]。目前,基于实验室光源以获得微束入射X射线的方法主要有准直器限束和X射线光学器件聚焦两种。通过准直器限束获得微束入射X射线是最早在微束X射线荧光谱仪中使用的方法,具体为采用准直狭缝或小孔作为光阑放置在入射光路上,用以减小入射X射线的发散度。但与此同时,入射光束的强度会因为物理阻挡而降低,从而导致获得的特征X射线信息减弱。而多毛细管X光透镜利用X射线全反射原理,可将在空心毛细管内表面上的多次全反射的X射线会聚于焦点。因此可以实现以较大的角度收集从X射线源产生的X射线,且会聚后X射线的束斑大小可低至几十微米。同时,毛细管X光透镜对Cu-Kα的能量有高达2-3个数量级的放大倍数[9],且具有低的发散度。同时,可以将基于毛细管聚焦的微束能量色散X射线荧光分析技术与大面积扫描相结合,实现微米级表面结构和元素分布的分析测定。目前国内外存在部分商业化的微束X射线荧光谱仪,其中美国EDAX公司生产的Orbis系列微束X射线荧光谱仪,适用于部分地质和考古样品测试的[10];德国Bruker公司生产的M4 Tornado可移动式微束X射线荧光谱仪,适用于实验室或博物馆内各类样品的研究[11]。但由于部分文物样品表面并不平整或存在较大的弧度,若不对相对位置进行修正,这将使得样品测量点与毛细管X光透镜出口端的距离在测量过程中发生改变,从而影响测量结果的准确性和元素区域扫描的分辨率[12]。为解决上述问题,本实验室自行设计和开发一种新型的微束X射线荧光谱仪以及相应的计算机控制程序,并且开展了相关分析方法学的研究。2. 仪器组成本实验室设计的毛细管聚焦的微束X射线荧光谱仪结构示意图如图1所示,其主要由微焦斑X射线管(Mo靶,焦斑大小50μm×50μm,德国Röntgen公司)、毛细管X光透镜(Mo-Kα能量处束斑大小为31µm)、SDD X射线探测器(5.9keV时能量分辨率为145eV,铍窗有效面积25mm2)和PX5多道分析器、精度为20µm的激光位移传感器、激光笔、具有20倍放大功能的1400万像素固定焦距CCD摄像头、高精度XYZ三维样品台,以及在LabVIEW语言环境下开发的仪器控制程序等部分组成。仪器控制软件主要包括探测系统控制界面、X射线源高压控制界面、机械运动系统控制界面、CCD图像采集控制界面和氦气控制界面构成。其中主界面包含了各个控制功能系统的一些主要控制命令及输出,如图2所示。谱图显示区域在探测过程中实时显示X射线探测器探测到的谱图。此外,该仪器使用的高精度自动化三维运动平台可以满足微区的二维μ-EDXRFF分析的需求,以便实现对感兴趣区域内元素分布的分析。图1 微束X射线荧光谱仪的结构示意图图2 微束X射线荧光谱仪控制程序主界面3. 实验分析3.1 清代红绿彩瓷的分析为了评估本仪器对样品微区进行元素二维扫描分析的能力,选取一片清代红绿彩瓷的残片作为研究对象(图3)。选取图3中A(白釉)、B(红彩)、C(绿彩)进行微区的元素组成分析。实验测量时,X射线管电压40 kV,电流0.6 mA,探测活时间300 s。样品A(白釉)、B(红彩)、C(绿彩)三点的微束X射线荧光分析的能谱如图4所示,彩料中各元素化学成分采用基本参数法进行定量分析,所得的数据如表1所示。图3 清代红绿彩瓷残片与感兴趣区域图片图4 红绿彩中白釉、红彩和绿彩的μ-EDXRF光谱表1 白釉、红彩和绿彩的化学成分(质量分数,%)此外,选择如图3中2mm×2mm的感兴趣区域,使用微束X射线荧光谱仪进行µ-EDXRF二维扫描分析。进行µ-EDXRF二维扫描分析时,X射线管电压为40 kV,电流为0.6 mA,扫描步距为30 µm,每个点探测时间为1.5 s,扫描数据经软件处理得到如图5所示的元素分布图。图5 扫描区域内Pb、K、Fe、Ca、Cu、Al、Mn、Si元素的分布3.2 吉州窑古陶瓷的分析为评估本仪器对表面存在大弧度的样品进行微区元素二维扫描分析的能力,选取一片吉州窑古陶瓷的残片作为研究对象(图6)。实验开始前调节平移台使样品表面感兴趣区域清晰呈现在CCD图像中,并通过鼠标在控制界面的CCD视野中选择具体的目标扫描区域。选取图6中大小为10mm×10mm的区域进行元素二维扫描分析。µ-EDXRF二维扫描分析的测量条件与上文相同。同时,为验证本仪器“源-样”距离自动控制系统对测量结果的影响,分别在开启和关闭“源-样”距离自动控制系统的条件下进行元素二维扫描分析,扫描数据经软件处理得到如图7所示的元素分布图。图6 吉州窑古陶瓷样品与扫描区域图片图7 扫描区域内K、Ca、Zn、Fe元素分布图。a)关闭“源-样”距离自动控制系统,b)开启“源-样”距离自动控制系统通过图7与图6的比较可知,在关闭“源-样”距离自动控制系统的情况下进行µ-EDXRF二维扫描时,由于样品表面的弯曲,样品测量点与毛细管X光透镜出口端之间的距离发生变化,使得X射线光束的焦点无法与样品测量点重合。这导致测得元素分布图空间分辨率变差,同时生成的图像发生了扭曲。相反,当打开“源-样”距离自动控制系统进行测量时,由于该系统可实时调整平移台使X射线束准确照射在样品测量点上,显著降低由于样品表面弯曲带来的偏差。极大的改善了测量结果,表明该仪器在不平整样品的µ-EDXRF二维扫描中具有重要的应用价值。4. 结论本实验室将毛细管X射线聚焦技术与能量色散X射线荧光分析技术相结合,设计和研发了一种新型毛细管聚焦的微束X射线荧光谱仪。该微束X射线荧光谱仪在具备无损分析微小样品和样品微区的元素分布能力的同时,其基于激光位移传感器开发的“源-样”距离自动控制系统可实时调整样品测量点到透镜出口端距离,显著降低了由样品表面不平整或弧度带来的测量偏差,弥补了现有微束X射线荧光谱仪在此方面的不足。因此,其在材料科学、地球科学和文物保护等领域有着广泛的应用前景。参考文献[1] 戴珏,吴奕阳,张元璋,等.能量色散X射线荧光光谱法在检测仿真饰品中有害元素的应用[J].上海计量测试,2018,45(04):34-35.[2] 陈吉文,倪子月,程大伟,等.基于EDXRF的土壤中痕量镉的快速检测方法研究[J].光谱学与光谱分析,2018,38(08):2600-2605.[3] 陈曦,周明慧,伍燕湘,等.能量色散X射线荧光光谱仪在稻米中镉含量测定的应用研究[J].食品安全质量检测学报,2018,9(10):2331-2338.[4] 蒯丽君. 化学前处理—能量色散X射线荧光光谱法应用于矿石及水体现场分析[D].中国地质科学院,2013.[5] Rathod T, Tiwari M, Maity S , et al. Multi-element detection in sea water using preconcentration procedure and EDXRF technique [J]. Applied Radiation & Isotopes, 2018, 135.[6] Figueiredo E, M F, Araújo, Silva R J C, et al. Characterisation of Late Bronze Age large size shield nails by EDXRF, micro-EDXRF and X-ray digital radiography [J]. Applied Radiation & Isotopes Including Data Instrumentation & Methods for Use in Agriculture Industry & Medicine, 2011, 69(9):1205-1211.[7] Natarajan V, Porwal N K, Babu Y, et al. Direct determination of metallic impurities in graphite by EDXRF. [J]. Appl Radiat Isot, 2010, 68(6):1128-1131.[8] Li L, Huang Y, Sun H Y, et al. Study on the property of the production for Fengdongyan kiln in Early Ming dynasty by INAA and EDXRF [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2016, 381:52-57.[9] Bonfigli, Francesca, Hampai, et al. 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  • 宁波材料所在可光书写荧光高分子水凝胶显示系统研究中取得进展
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  • 钙钛矿量子点超晶格中的稳定蓝光腔增强超荧光研究取得进展
    近期,中国科学院上海光学精密机械研究所红外光学材料研究中心董红星研究员和张龙研究员团队在溴氯掺杂量子点自组装超晶格结构中实现稳定蓝光腔增强超荧光,并解析了量子点超晶格结构通过降低电声耦合进而抑制光致相偏析的机制。相关研究成果以“Stable and ultrafast blue cavity-enhanced superflourescence in mixed halide perovskites”为题发表于Advanced Science。   高质量蓝光光源受限于低的量子效率,相比于红、绿光源仍处于落后的阶段。而钙钛矿量子点体系中的腔增强超荧光是由量子耦合效应和腔光场放大的双重调制产生的超快相干光爆发,可为实现高质量蓝光相干光源提供新思路,解决传统蓝光光源效率低下的局限性。卤素掺杂是在钙钛矿量子点体系中实现蓝光发射最直接的策略。然而,由于光致卤化物相偏析引起的光谱不稳定以及量子点与光腔之间的低耦合效率,使得在这种掺杂卤化物的量子点系统中实现稳定的蓝光腔增强超荧光具有挑战性。   针对上述问题,研究人员通过可控自组装制备得到形貌规则、长程有序、密集排列的CsPbBr2Cl量子点超晶格微腔。在量子点超晶格中,激子离域效应可以有效地减少激子声子耦合,从而缓解光致卤化物相偏析。同时,量子点自组装超晶格微腔具有高的堆积密度、光滑表面和规则几何结构,既可以作为增益介质,也可以作为高光反馈的回音壁腔,可提高量子点与光腔之间的耦合效率。因此,这两个核心问题将在量子点自组装超晶格结构中得到解决。基于这样的卤素掺杂量子点超晶格,研究人员最终实现了具有优异光学性能的稳定蓝光腔增强超荧光。   该工作得到国家自然科学基金,上海市青年拔尖人才计划等项目的支持。图1(a)量子点超晶格通过减弱激子-声子耦合来缓解光致相偏析的示意图;(b)CsPbBr2Cl量子点自组装超晶格微腔在激光泵浦在产生腔增强超荧光(CESF)的示意图;(c)77K下超晶格中随功率变化的蓝光腔增强超荧光发射图,左上角为1.8Pth激发功率下的蓝光腔增强超荧光的条纹相机图像。
  • 关亚风研究员承担“食品安全荧光检测技术与装备研发”专项通过验收
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  • 上海微系统所丁古巧团队在石墨烯量子点荧光发光机制研究获进展
    近日,中国科学院上海微系统与信息技术研究所纳米材料与器件实验室丁古巧团队在石墨烯量子点制备及荧光机制研究方面取得进展。该工作深化了关于石墨烯量子点发光机理的认知,阐释了多变量体系下机器学习辅助材料制备成果所包含物理内涵。相关研究成果以Precursor Symmetry Triggered Modulation of Fluorescence Quantum Yield in Graphene Quantum Dots为题,发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。近年来,以石墨烯量子点为代表的碳基量子点材料因独特的sp2–sp3杂化碳纳米结构,表现出优异的光学、电学、磁学的性质。在石墨烯量子点“自下而上”法制备中,多变量反应体系使其在合成与机制领域面临挑战。此外,机器学习以高效的分析算法和模型在复杂体系分析、新型材料设计等领域展现出优势。然而,由于缺失具备实际物理内涵的结构特征描述符,机器学习仅能得到难以阐释物理内涵的数学模型。这限制了机器学习在相关研究中的可迁移性和实用性。石墨烯粉体课题组博士研究生陈良锋、副研究员杨思维结合群论在分子结构描述上的优势,通过控制变量实验与结构化学理论的结合,将具有实际物理含义的描述符应用于机器学习,揭示了石墨烯量子点的前驱体结构与荧光量子产率间关联的物理内涵。该研究利用高结构刚性sp3前驱体与柔性sp2结构前驱体之间的“自下而上”反应,实现了石墨烯量子点中sp2-sp3杂化碳纳米结构的调制。研究结合热动力学理论,阐明了sp3刚性结构能够通过抑制非辐射跃迁过程提高石墨烯量子点量子产率。进一步,研究借助群论在描述分子结构方面的优势,结合主成份分析,明确了石墨烯量子点制备过程中影响石墨烯量子点荧光量子产率的三个决定性因素——结构因子、温度因子和浓度因子。与以往基于机器学习的研究工作相比,该团队基于群论的进一步研究,揭示了机器学习结果中分子的简正振动是前驱体对称性作用于石墨烯量子点量子产率增量的核心物理机制。基于上述原理的指导,该研究首次证明了分子振动的正常模式是前驱体的结构特性作用于 GQDs 荧光量子产率的核心机制。这一石墨烯量子点的光致发光性能在荧光信息防伪加密中具有应用前景。研究工作得到中国科学院青年创新促进会、上海市科学技术委员会以及集成电路材料全国重点实验室开放课题等的支持。
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