阴极发光

2018年3月， 我们成功获得阴极发光系统SPARC的重要订单。在丹麦，联合TESCAN公司获得南丹麦大学（University of Southern Denmark）的订单。南丹麦大学使用我们的先进阴极发光系统，应用于纳米光子学的研究。纳米光子学（Nanophotonics)是研究光在纳米范围内行为的科学。它是光工程的一分支。它研究光学，光和粒子或物质在亚波长长度范围的相互作用。另外一台订单来自德国Braunschweig University of Technology，这套系统除了基本系统功能外， 还特别配置了time-resolved时间分辨功能，包含超快扫描相机。时间分辨阴极发光系统，是delmic今年最新发布的产品，全球领先。项目开发来自delmic公司、赛默飞FEI和Hamamatsu战略合作。

仪器信息网讯：9月26日上午九点，作为“2016重大科学仪器设备开发专项”中“核心关键部件开发与应用”任务方向的子项目之一“高强度高稳定空心阴极灯的研究”项目启动会在北京远望楼宾馆第七会议室召开。 本次会议的参会人员有科技部高技术研究发展中心刘进长研究员，北京有色金属研究总院科技开发部副主任朱宝宏教授，项目专家组以及北京有色金属研究总院等项目承担单位的项目组关键人员等。启动会由北京有色金属研究总院分析测试技术研究所副所长刘英教授主持。会议现场（一） 朱宝宏教授和刘进长研究员首先分别代表项目主要承担单位和项目上级管理单位致辞。从有关领导的讲话中，笔者了解到此次“重大科学仪器设备专项”的实施方案具有如下三个特点：一、坚持企业牵头，鼓励企业结合国家和自身发展需要，联合科研院所和高等学校的优势力量参与项目研发工作，构建“仪器原理验证—关键技术研发—系统集成—应用示范—产业化”的链条；二、重视非技术因素对成果产业化的影响，组织专家对企业工程化和产业化措施和方案、企业的资质和能力，以及知识产权和利益分配等进行评审把关；三、结合科学仪器开发的特点，强化利益共享、风险分担机制，对企业牵头的项目，实施专项经费后端资助政策。 随后，项目负责人李继东教授向参会人员详细汇报了项目基本情况及启动准备情况。据李教授介绍，作为本项目的牵头单位——北京有色金属研究总院具有空心阴极灯光源研究生产的悠久历史，50余年来致力于原子吸收分析技术仪器和方法的研究，尤其空心阴极灯的研究，开发，生产和应用，已形成有一定实力的科研-生产-应用联合体。李继东教授在讲话中特别指出，北京有色金属研究总院曾经承担过多项国家项目，取得国内专利 14 项，国外专利2项，建立技术标准1项，拥有完整的生产线，可以生产元素周期表中大多数元素各种型号的空心阴极灯，年生产能力达数万只，占有国内90%以上高端市场份额。李教授表示，本次“重大科学仪器设备开发”重点专项将为空心阴极灯的研究和产业化提供新的契机。项目组将在以往技术积累的基础上，从优化空心阴极灯结构设计、研究新型阴极材料、改善生产工艺等方向着手，找到影响关键指标的因素及改善方法；开展工程化和产业化开发，形成工程化和产业化能力。项目组预期项目完成时，指标将达到或部分超过指南要求，获得高强度、高稳定空心阴极灯光源，为原子吸收和原子荧光光谱仪等仪器提供可靠的核心部件。 在谈到本项目在研究过程中将体现哪些优势时，李教授表示，首先本研究将充分利用北京有色金属研究总院人员、设备和技术等方面的优势，根据金属材料的不同特性研究采用相应方法进行阴极材料制备，这也是空心阴极灯的关键技术。其次，本研究将发挥北京有色金属研究总院在无机材料成分和组织结构分析方面的优势，对空心阴极灯阴极材料进行原子尺度的微结构分析，从研究材料微观组织结构和化学成分的方向入手分析阴极材料变化导致空心阴极灯寿命终结的原因，以及对发光稳定性、噪音的影响。 会议现场（二） 在会议的专家指导及交流环节，专家们表示，鉴于北京有色金属研究总院在空心阴极灯的研制方面历史悠久、基础雄厚、且目前的市场占有率高，拿下这个项目应当说是实至名归。同时，大家对于空心阴极灯的未来市场也持较为乐观的态度（据了解，目前国内空心阴极灯市场大概是9万只/年，而且绝大多数是国产产品）。以空心阴极灯的主要应用仪器之一原子吸收光谱仪为例，由于原子吸收光谱仪的一些独特优势，譬如所需耗材较之ICP仪器容易获得（这一点对于偏远地区尤为有利）；对操作人员的要求低，特别适合于企业使用等。因此在可预见的未来，原子吸收光谱仪将会继续发展，而不会为其他仪器所取代。很自然，作为原子吸收光谱仪的重要部件之一——对于空心阴极灯的需求未来也将会继续增长。而开发出寿命更长，发光同心度更优的空心阴极灯反过来也会进一步促进原子吸收光谱仪的应用普及。

一、实验目的该方案旨在开发一种基于导电性调节的双极电化学发光（The bipolar electrode based ECL，BPE-ECL）传感平台，用于无指示剂的均相生物分析。该平台通过导电性生物传感技术与ECL报告系统的结合，实现了在无需外源电活性指示剂的情况下进行目标检测。研究以miRNA-21的检测为示范，探索该方案的可行性和应用前景。二、实验使用的仪器设备和耗材试剂1. 仪器设备超微弱发光分析仪：BPCL-2，结合光电倍增管（PMT）操作电压为-800V，用于测量ECL发光强度。电化学工作站：用于施加电位。电导率仪：用于测量溶液的电导率。电泳仪：用于聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE），验证核酸杂交链式反应（HCR）。生物分子成像仪：用于电泳结果成像。2. 耗材试剂聚二甲基硅氧烷（PDMS）：用于制作传感和报告池。Ru(bpy)32+和TPrA：作为ECL检测体系的核心试剂。氯金酸（HAuCl4）：用于电极金属化处理。合成核酸：由Sangon Biotech提供，包括探针DNA、H1、H2及目标miRNA-21等。人乳腺癌细胞：用于miRNA-21的实际应用检测。超纯水：18.2 MΩcm，作为所有实验的溶剂。三、实验过程1. BPE传感器的制作(1). ITO玻璃板的准备：从供应商处采购电阻小于6Ω/平方的ITO玻璃板，并在其上制作导电BPE，确保传感池包含BPE的阴极和驱动电位的阳极，而报告池包含BPE的阳极和驱动电位的阴极。(2). 电沉积金：为了提高导电性，分别在BPE的阴极和驱动电位的阴极上进行金电沉积。2. 杂交链式反应（HCR）的进行(1). 反应混合：在超纯水中混合探针DNA、H1和H2，浓度分别为0.5 μM、5 μM和5 μM。(2). 目标miRNA-21的添加：将不同浓度的miRNA-21加入混合物中，37°C孵育2小时以进行HCR反应。3. 聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）验证：(1). 电泳条件：在TBE缓冲液（1×）中，恒定电压80V，室温下进行2小时电泳。(2). 成像分析：使用生物分子成像仪拍摄凝胶，以验证探针DNA、H1和H2的杂交情况。4. BPE-ECL传感检测(1). 准备工作溶液：在报告池中加入200μL含有5mM Ru(bpy)32+和5mM TPrA的PBS缓冲液（0.1 M，pH 7.0），在传感池中加入HCR孵育后的样品。(2). ECL测量：使用循环伏安法，电位范围为1.0-4.5V，扫描速率为100 mV/s，进行ECL测量。每个样品测量三次，计算标准偏差。四、实验结果与讨论1. HCR反应和导电性变化的验证(1). PAGE分析（图1A）：短核酸（探针、H1、H2）在低分子量位置显示荧光带，而miRNA-21诱导的核酸聚合物在高分子量位置显示。这验证了目标miRNA-21触发了探针、H1和H2的杂交反应。(2). 导电性测量（图1B）：混合短核酸后溶液的导电性显著增加，而加入miRNA-21后，导电性显著下降。这表明生成的长核酸聚合物导电性较差。(3). ECL测量（图1C）：ECL强度在短核酸（22 bp）溶液中显著高于长核酸（1250 bp），进一步验证了导电性对BPE-ECL系统的重要影响。(4). ECL响应的验证（图1D）：相较于无miRNA-21存在的情况（曲线g），miRNA-21存在时ECL响应显著降低（曲线h），因为miRNA-21诱导的HCR生成了导电性较差的核酸聚合物。图1. (A) PAGE分析: (a-c通道) 探针、H1、H2；(d通道) H1 + H2；(e通道) 探针 + H1 + H2；(f通道) 探针 + H1 + H2 + miRNA-21。(B) 对应PAGE相同条件下的导电性比较。(C) 5 μM短链（22 bp）和长链（1250 bp）核酸溶液的ECL响应比较。(D) BPE-ECL生物测定在无miRNA-21 (g) 和有1 pM miRNA-21 (h) 情况下的ECL响应。2. 分析条件的优化(1). 探针浓度（图2A）：ECL强度差值（ΔECL）随着探针浓度的增加而增加，在浓度超过0.5 μM后达到平台期。因此，选用0.5 μM作为最佳探针浓度。(2). H1/H2浓度（图2B）：随着H1/H2浓度的增加，ΔECL响应持续增强，在5 μM时达到饱和，表明5 μM为最佳H1/H2浓度。(3). 温度（图2C）：ΔECL响应随着温度升高至37°C后增加，随后略有下降，表明最佳反应温度为37°C。(4). 反应时间（图2D）：ΔECL响应随HCR反应时间的延长而增加，在120分钟后达到最大，选择120分钟作为最佳反应时间。图2. (A) 探针浓度，(B) H1/H2浓度（[H1]:[H2] = 1:1），(C) 温度，和 (D)反应时间对ΔECL响应的影响。所有实验中的miRNA-21浓度均为1 pM。3. 传感系统的性能评估(1). 检测限与线性范围（图3）：不同浓度miRNA-21的ECL响应如图3A所示。ECL强度与miRNA-21浓度的对数呈良好线性关系（图3B），线性范围为1 fM至10 nM，检测限为0.33 fM。图3. (A) 不同浓度miRNA-21的ECL响应: (a&minus i) 空白, 1 fM, 10 fM, 100 fM, 1 pM, 10 pM, 100 pM, 1 nM, 10 nM。(B) ECL强度与miRNA-21对数浓度之间的线性关系。(2). 选择性（图4A）：高结构类似物（miRNA-122、miRNA-141、miRNA-155）的检测结果表明，BPE-ECL传感系统对miRNA-21具有良好的特异性。(3). 稳定性和重复性（图4B, 4C）：ECL信号在八次重复测量中稳定，RSD为2.56%，三种不同浓度miRNA-21的RSD分别为3.2%、2.4%和1.4%，表明系统具有良好的稳定性和重复性。(4). 实际应用（图4D）：检测不同数量MCF-7细胞裂解液中的miRNA-21，ECL信号随细胞数量增加而下降，验证了该传感平台在临床样品检测中的应用潜力。图4. (A) 不同miRNA类似物的ECL响应，miRNA-122、miRNA-141和miRNA-155浓度为10 pM，miRNA-21浓度为1 pM。 (B) BPE-ECL生物传感平台的稳定性。 (C) BPE-ECL传感器对不同浓度miRNA-21响应的重现性。 (D) 不同数量MCF-7细胞裂解液的ECL响应。五、结论本方案提出了一种基于导电性调节的BPE-ECL生物传感平台，该平台利用目标miRNA-21诱导的HCR反应生成长链核酸聚合物，导致传感池导电性降低，进而减少报告池的ECL信号输出。该平台具备传统BPE-ECL传感器的优点，通过物理分离传感和报告反应有效避免了干扰，且无需外源电活性指示剂。该方案简单、灵敏、快速，并在实际样品检测中表现出良好的应用前景。未来，该方案有望进一步应用于包括DNA、小分子、蛋白质、细胞和细菌等多种目标的定量和定性检测。*因学识有限，难免有所疏漏和谬误，恳请批评指正*资料出处：免责声明:1.本文所有内容仅供行业学习交流，不构成任何建议，无商业用途。2.我们尊重原创和版权，如有疏忽误引用您的版权内容，请及时联系，我们将在第一时间侵删处理！