质谱成像分析技术、方法与应用进展

质谱成像技术作为分子成像及质谱领域的研究前沿和热点,近几年受到高度关注并得到迅速发展.本文针对质谱成像技术、方法及其应用的新进展进行了综述与展望,介绍了中国学者近几年在质谱成像分析新技术及其应用方面取得的重要进展.     

分子影像探针

分子影像是近年出现并迅速发展的一个生物医学领域,在疾病的治疗与诊断中发挥着重要作用。同时它又是一门交叉学科,涉及化学、医学、生物、计算机科学、放射科学、材料科学等。分子影像的发展除了需要先进的成像设备外,最关键的是合成新型而高效的成像探针。目前,分子影像探针广泛应用于科学研究和临床,并且也取得了巨大进步。本文主要综述了5种常见的分子影像探针:超声成像探针、X-射线计算机断层成像探针、光学成像探针、核磁共振成像探针、正电子发射计算机断层扫描成像探针,并对分子影像探针的应用进行了概述,最后对分子影像探针的发展进行了展望。     

基于功能核酸的细胞荧光成像

细胞是生物体基本的结构和功能单元,对活细胞中特定生物组分进行动态分析,将为相关生命活动过程的研究提供重要信息。荧光成像为细胞分析提供了一种操作简单、灵敏度高、可实时监测细胞微观动态分子过程的光学生物成像技术。发展高性能的荧光探针用于活细胞成像已成为研究热点。功能核酸是一类具有特殊化学和生物学功能的寡核苷酸分子,除了天然存在的核酶(Ribozyme)和核糖开关(Riboswitch)之外,还包括通过指数富集的配体系统进化技术(SELEX)筛选获得的核酸适体和脱氧核酶(DNAzyme)。功能核酸由于具有合成简单、免疫原性低、相对分子质量小、化学稳定性高、易于修饰等优点,在生物成像领域受到广泛关注。本文主要综述了基于功能核酸的荧光探针在细胞成像领域中的应用研究,总结了该领域面临的挑战,并对其未来发展方向进行了展望。     

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。     

更深度的“照相”技术——质谱成像的发展与应用

质谱成像是质谱技术在发展过程中所衍生出的前沿性科研领域,是一种将质谱技术和影像可视化技术结合而成的高科技"拍照"手段。它可以在没有特异性标记的情况下,对小分子、多肽、蛋白质等目标分子进行分析,在利用质谱分析提供目标化合物的结构信息的同时,提供其空间分布和含量变化信息。该技术在生物医药、临床医学、病理学、生命科学研究等领域具有极大的应用前景。     

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。     

YVO4：Eu荧光纳米粒子的合成及表征

随着纳米材料的迅速发展及在生物科学领域的应用,近十年,以荧光纳米材料作为荧光标记物进行生物分子的标记和细胞成像受到了广泛的关注,相关的研究使生物标记技术有了长足的发展和进步[1～3].     

磁共振/光学双模态分子探针的研究现状与展望

基于磁共振与荧光成像的双模态成像技术不仅克服了传统单一分子影像技术在灵敏度、特异度、分辨率等方面的固有缺陷，更是拓宽了分子影像技术在诊断及治疗监控等领域的研究范围及应用前景。本文将对磁共振/荧光双模态分子探针的应用情况和研究进展等进行综述。     

基于硅杂蒽类染料的荧光探针及其应用

近年来,荧光成像技术为人们研究活体细胞及组织内的化学生物学过程提供了有效的研究工具,可以无损、实时、原位地以高时空分辨率实现对目标物进行生物荧光成像与分析。荧光成像技术在生物学、环境监测、临床诊断和药物发现等诸多研究领域发挥着越来越重要的作用。生物荧光成像技术的最新进展对发展新型小分子荧光染料及探针提出了更高的要求。激发和发射波长位于近红外光区（600~900 nm）的荧光染料及探针由于具有光毒性低、生物分子自发荧光干扰小、光散射低、组织穿透能力强等优点,非常适合用于生物荧光成像领域。通过将罗丹明分子中O桥原子用Si代替,得到了一类新型的探针分子--硅杂蒽类荧光探针。这类染料分子在保留了氧杂蒽荧光染料优越的光学性质的同时,光谱发生明显红移,满足了近红外荧光检测的要求,具有良好的生物相容性。本文综述了近年来基于硅杂蒽及其衍生物荧光探针的合成及在金属离子、pH值、小分子、生物酶等检测方面的研究进展,并且简要阐述了基于硅杂蒽类探针分子的识别检测机理以及其在生物成像等方面的应用。     

二次离子质谱-激光扫描共聚焦显微镜联用对单细胞显微成像-原理及应用

二次离子质谱(SIMS)分析主要用于半导体、地质等领域材料表面分析,随着科学仪器技术的发展,近年来,SIMS在生命科学领域中得到了越来越广泛的应用。SIMS可以实现对样品表面的质谱分析、化学成像以及深度剖析。三维SIMS成像分析的横向分辨率可达80~100 nm,纵向分辨率1~5 nm。但是,由于缺少特异性指示亚细胞结构的碎片离子,单细胞SIMS成像分析仍然面临着诸多挑战。激光扫描共聚焦显微成像(LSCM)作为一种单细胞成像技术已日趋成熟,可以对单细胞中的荧光分子或者对荧光标记的目标分子、细胞器成像,获得高分辨率亚细胞结构成像图。因而,LSCM在单细胞形貌分析上的优势和SIMS在单细胞化学成像方面的优势可以有效互补,其联合应用能显著提升单细胞分析的应用范围、深度和结果的准确性。本文重点介绍SIMS成像以及SIMS-LSCM联用成像在单细胞成像研究中的应用进展,在总结、评述该领域代表性工作的同时,对SIMS-LSCM联用成像在化学和生命科学研究,特别是在细胞生物学和药物发现领域的应用前景进行了展望。     

质谱分子成像技术与应用进展

该文总结了二次离子质谱、基质辅助激光解吸电离质谱和常压敞开式离子化质谱三大类型质谱分子成像（MSI）技术的概况、技术与方法及其应用新进展。MSI技术作为免标记、高覆盖、高灵敏、检测范围广的可视化分析手段,不局限于生物组织或细胞中某种特定分子的检测,可对已知和未知多种分子进行同时成像分析,获得不同分子的空间分布、相对含量及结构信息,实现其分子的定性、定量与定位分析;还可提供不同生理及病理过程中功能分子的动态时空变化信息等。因此,MSI技术成为质谱领域以及分析化学等领域的研究前沿与热点方向之一,并在化学、医学、生命科学、药学和环境科学等领域显示出重大应用前景。此外,MSI技术是单细胞可视化分析和空间分辨代谢组学的强有力分析手段,可从动物或器官组织的整体、微区、单细胞等不同空间尺度,获取具有空间分布特征、时空动态变化的功能分子全景轮廓信息等而备受关注。     

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.     

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.     

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。     

宇宙射线缪子成像技术在中国的研究进展

宇宙射线缪子成像是一种新型的绿色核成像技术,近年来发展迅速。该技术利用天然的缪子射线对物体实现无损、高精度的三维成像。国内多所高校和研究机构已开展了一些缪子成像技术的相关研究,包括系统研发、场景应用和少量的成像算法研究。本文针对两种不同原理的缪子成像在国内的研究进行了综述,通过一些典型案例的介绍,展现该技术在经济、文化和社会方面的巨大价值和潜力。我国幅员辽阔、工业体系完善,缪子成像技术在多个领域具有广泛的应用需求。随着相关研究的深入推进,该技术在未来将取得持续发展并得到广泛应用,在文物保护与挖掘、矿藏勘探、基础设施结构监测、泥石流自然灾害预警等产业端发挥重要作用。     

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。     

生物环境智能响应磁共振造影剂研究进展

随着生物医学领域的不断发展,人们对于在分子机理层面上研究生物体系中新陈代谢、疾病的发生和发展等过程的需求日益增长.磁共振成像因拥有其他成像方法所不具备的非侵入式、深层次的空间分辨能力,为生物体系分子层面的检测提供了有力的工具.分子层面的磁共振成像检测离不开生物环境智能响应磁共振造影剂的使用.生物环境智能响应磁共振造影剂的造影能力会随着特定生物环境变化而发生改变.此类造影剂使得人们可以根据磁共振图像上信号的改变分析得到生物体特定位置的pH、离子浓度、酶活力等相关信息.近20年来,生物环境智能响应磁共振造影剂得到了长足的发展.本文将按不同的响应对象分类总结近几年此类造影剂的研究进展,并对一些重要的研究成果进行较为详细的阐述和对比,分析目前生物环境智能响应磁共振造影剂研究中存在的困难和解决方案,最后对本领域的进一步发展进行展望.     

常压敞开式质谱成像技术及其应用

质谱成像将质谱的离子扫描技术与成像处理软件相结合,能有效地对分子的空间分布信息进行检测和成像;常压敞开式离子化技术的出现,为质谱成像提供了新的发展方向。本文对常压敞开式质谱成像技术及其应用进行了综述。     

基于PEG-Gd2O3和适配体-银纳米簇的荧光/磁共振双模态分子成像探针的制备及其在肿瘤细胞成像中的应

随着临床医学的发展,医学影像学不但要求提供形态学信息,而且要求提供功能信息,疾病的诊断也从大体形态学诊断发展到要求发现微小病灶,以达到早期诊断、早期治疗的目的。分子影像学着眼于在分子或细胞水平上对人体生物活动的发生、发展过程进行成像,使得医学影像发展到微观领域,为临床"早早期"诊断、治疗提供重要的影像信息。     

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随着临床医学的发展,医学影像学不但要求提供形态学信息,而且要求提供功能信息,疾病的诊断也从大体形态学诊断发展到要求发现微小病灶,以达到早期诊断、早期治疗的目的。分子影像学着眼于在分子或细胞水平上对人体生物活动的发生、发展过程进行成像,使得医学影像发展到微观领域,为临床“早早期”诊断、治疗提供重要的影像信息。