同步辐射纳米分辨谱学成像技术

布鲁克纳米红外光谱仪（nanoIR）采用光热诱导共振技术(AFM-IR)实现微小区域红外信号的采集。红外激光照射到样品上，样品吸收辐射光产生热膨胀，这种热膨胀引发探针的震荡，通过监控探针的震荡强度获得红外吸收强度。AFM-IR利用原子力探针作为样品红外吸收的传感器，实现了超高灵敏度的光谱和红外成像探测，化学成像分辨能力可以达到10nm。近期，澳大利亚悉尼大学悉尼药学院团队将纳米红外光谱方法引入到单个EV结构的检测中，展示了其在同一EVs和不同EVs群体之间揭示个体EVs异质性的能力。

M.Eisele等人结合Neaspec公司的散射式近场光学成像技术（NeaSNOM)与超快太赫兹光源研究了光致激发的单根砷化铟纳米线表面的受到时间影响的介电函数性质。该实验的太赫兹光谱同时达到了10纳米的空间分辨率与10飞秒的时间分辨率。纳米线随着泵浦延迟与电光采样延迟的电场强度被具体表征。实验结果可以与德鲁特模型模拟结果合理吻合。因此，作者揭示了纳米线中耗尽层的超快（小于50飞秒）形成机制。作者预见这种纳米超快傅里叶变换太赫兹光谱方法可以能够应用于物理、化学和生物变化过程中的超快机制的研究。

近期，耶鲁大学成功安装了非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统——mIRage，并在活细胞脂肪代谢研究中取得了新的进展！非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统——mIRage在细胞成像中具有优异的潜力，可以提供脂质种类的信息，提供对低浓度物质如游离脂肪酸的定位，并允许对每个样品的脂质和蛋白质光谱特征进行全面位置光谱分析，并且能够应用长时间观测。这项技术未来将可以用于绘制细胞系和细胞内DNL的比率、疾病状态，进一步揭示DNL 导致代谢紊乱的原因。在评估针对调节DNL和治疗疾病的药物方面提供诸多帮助。

力显智能现已发布的超高分辨率显微成像系统 iSTORM，成功实现了光学显微镜对衍射极限的突破，使得在20纳米的分辨率尺度上从事生物大分子的单分子定位与计数、亚细胞及大分子复合物结构解析、生物大分子生物动力学等的研究成为现实，从而给生命科学、医学等领域带来重大突破。

近几年来，由于聚曝吩衍生物在发光器件、光伏电池及场效应份等方而潜在应用而备受关注。要使这类新型的光电聚合物材料走向实用化，还需要一步的改善和提高它们的光电特性和效率。这些性能除了与材料本身的化学构有关外，还与聚合物的物理形貌及分子形态有着密切的关系。Ll前聚合物理形貌对光电特性的影响研究主要集中在导电性能方面，而对光学方而的研较少。本论文分别用氧化聚合法和电化学聚合法合成和制备了聚{3一(2一甲软从苯唆吩』薄膜和纳米线阵列，详细分析了它们的发光特性和机理。利用同步辐射射线近边吸收技术(NEXAFS)，分析了不同电负性的取代基对聚咪吩电J气结和分子取向的影响。取得的结果包括以下几个方面:(1)通过格氏反应合成了3一(2甲氧基苯)唆吩，再用FeCI3作催化剂氧化合了聚〔3一(2一甲氧基苯)唾吩』(PMP-Th)。热重分析表明聚合物在400℃刁‘现失重现象，具有较高热稳定性。聚合物的最大发光波长为687nln，带较窄，是较好的近红外发光材料。X射线衍射技术证明聚合物内有微区，这可能是由分子的局域有序排列造成的。(2)以高纯铝为原料，分别在草酸溶液和硫酸溶液中，采用二次阳极钱化法制备了孔洞高度有序的阳极氧化铝(AAO)模板。通过改变制各条件，获了孔径在30tun一80nm，孔密度为一10’。孔/cm，的一系列氧化铝模板。用上自制的不同孔径的多孔氧化铝为模板，采用循环伏安法，制备PMP-Th的纳米线阵列，纳米线的直径与模板的孔径大小相当，纳米线长度可通过控制电量来调控。结果证明循环伏安法电化学技术与模板相结合是制备一维聚合物纳米阵列的有效方法，易于调控纳米线的长和维度。(3)分析研究了各种直径的PMP一Th纳米线阵列在由草酸溶液中制得的AA模板中的发光特性，与PMP一Th薄膜的发光光谱相比，纳米线阵列的发波长都有较大蓝移，强度显著增强。纳米线阵列的发光显示显著的尺依赖性，随着AAO孔径由80lun减小到60nm，发光波长逐渐从58On蓝移至560lun，当孔径从60nln减至40tun时，发光峰从56Onm红移580tun。经过红外光谱分析和对分子环境的比较探讨发现发光潜的蓝移摘要由模板的孔洞限制效应引起的，小孔径中发光的红移是聚合物分子有序取向使有效共辘程度增加带隙能降低导致的。结合聚合物薄膜和从O的吸收光谱和光致发光激发谱，对光强增强的机理进行了探讨，认为光强增强是由AAO与聚合物分子间的能量转移造成的，光强随孔径减小而降低是给体的发光谱与受体的吸收谱搜盖度降低以及分子有序堆积使荧光效率降低的结果。(4)分别比较了PMP一Th纳米线阵列和聚(3一澳代唾吩)(PBr一Th)纳米线阵列在硫酸溶液中制得的AAO(S-AAO)和草酸溶液中制得的从O(C一AAO)中的发光特性，发现PMP一Th纳米线阵列在S一AAO中的发光峰位和强度的尺寸依赖性与C-AAO一致，说明PMP-Th线阵列在从O的发光特性与AAO孔壁的化学环境无关，也进一步说明了PMP一Th纳米与AAO之间没有化学反应。与PMP一Th在C.AAO和S一AAO中的发光特性显著不同的是，PB卜Th纳米线在C.AAO和S一AAO中的发光强度相比于薄膜PB卜Th的光强大大降低，这可能是PB卜Th分子在模板中的取向度较高或者是PB卜Th与AAO有较复杂的相互作用造成的。与PMP一Th纳米线相同的是PB卜Th在两种模板里的发光波长的尺寸依赖性是一致的。因此对这一体系的研究还需要进一步的深入和扩展。(5)利用同步辐射NEXAFS技术，分析了PMP一Th和PB卜Th的电子结构，通过分析角分辨NEXAFS谱，确定了PMP一Th分子和PB卜Th分子在R片电极上的分子取向:PB卜Th分子链“倾斜”于金属表面，而PMP-Th由于甲氧基苯的位阻和电子效应的双重影响表现为无序。

近年来，流感病毒（IFV， 结构示意图1）已被用作包膜病毒的原型来研究病毒进入宿主细胞的过程。IFV中血凝素（HA）是嵌入IFV包膜的主要表面糖蛋白。 HA负责IFV与宿主细胞受体的连接，并在病毒进入过程中参与介导膜融合。众多研究已经为靶标和病毒膜之间的融合机制建立了一个公认的模型。该模型认为只有在靶标和病毒膜发生膜融合时才可形成孔从而介导病毒-细胞膜渗透行为。然而，其他报道也观察到在融合发生之前靶标和病毒膜的破裂。此外，关于腺病毒蛋白与宿主细胞的研究显示，宿主细胞膜可能在没有膜融合的情况下被破坏而进入病毒。另一方面，病毒包膜和靶宿主细胞膜具有不同的化学组成或结构，各个膜中形成孔的要求不同，因此靶宿主或病毒膜破裂也可能立地被诱导。综上所述，关于病毒-细胞膜渗透行为的机理还存在一定的争议，明确单个病毒与宿主细胞的复杂融合机制，可为设计抗病毒化合物提供有利信息。然而，常规的病毒整体融合测定法是对膜融合事件的集体响应，不能对细微、尤其是在纳米尺度复杂的融合细节进行直接和定量的研究，因此无法直接量化一些可以通过研究单个病毒、纳米尺度表面糖蛋白和脂包膜来获得的融合细节。例如，病毒感染过程在分子水平上引起的病毒膜和宿主细胞膜的化学和结构组成改变，可以通过分子特异性红外光谱技术来探测。然而，单个病毒、表面糖蛋白和脂包膜尺寸小于红外光的衍射限，限制了单个病毒的红外光谱研究。因此，找到一个既可以提供纳米高空间分辨率，还能探测机械、化学特性（分子特异红外光谱）和环境影响的工具，使其可在单病毒水平上研究病毒膜融合过程是十分重要的。来自美国乔治亚大学和乔治亚州立大学的Sampath Gamage和Yohannes Abate等研究者采用 nano-FTIR & neaSNOM研究了单个原型包膜流感病毒X31在不同pH值环境中发生的结构变化。同时，还定量评估了在环境pH值变化期间,抗病毒化合物（化合物136）阻止病毒膜破坏的有效性，提供了一种抑制病毒进入细胞的新机制。

氮化硅薄膜窗口广泛应用于同步辐射光源中的扫描透射软X射线显微镜和原位透射电镜，但氮化硅薄膜只有几百纳米的厚度，很容易因真空抽取初期的快速压差变化造成破裂。为此，本文提出了线性缓变压力控制解决方案，即控制安装有氮化硅薄膜窗口的真空腔内的气压，按照固定的速度进行缓慢减压，从而实现氮化硅薄膜窗口的防止。同时本解决方案对以往的高精度控制方案进行了简化，简化为只用一只皮拉尼真空计和只控制电动球阀。

傅立叶变换红外 (FTIR) 成像是一项成熟的分析方法，可同时获得微米级范围的光谱和空间信息。这一技术已广泛用于多种不同的应用领域，从高分子科学到生物医学成像。近年来，人们越来越关注通过主要使用基于同步加速器的系统，来提高受到衍射极限制约的 FTIR 成像系统的空间分辨率。在本应用简报中，我们展示了一项使用现有物镜实现放大增强的新型方法。最终，我们的 FTIR 系统显示出 1 ?m/像素级别的高空间分辨率成像能力。独特的是，这种构造在设置不同的放大倍率时不需更换物镜，从而保持了常规物镜相对较大的工作距离（约 21 mm）。

纳米颗粒（NPs）是开发改性（如光学、热学或机械性能）新材料的重要组成部分[1]。为了符合性能、成本及安全要求，必须严格控制颗粒大小、形状和浓度等参数。小角X射线散射（SAXS）是一种完善的可追溯性尺寸测量技术[2,3,4]。最近有研究表明，根据同步辐射设施采集的SAXS数据可以确定NPs的数量浓度，且量值溯源到标准单位制（SI）[5]。通过本应用手册我们可以证明，使用SAXS实验室设备，采集时间为10分钟，同样可以获得可溯源数量浓度

本文展示了通过纳米傅立叶红外光谱技术(nano-FTIR)进行的对蛋白质结构以30nm横向空间分辨率的进行光学成像的结果，以及nano-FTIR对单根蛋白质复合物的敏感度。本文展示了对病毒，铁蛋白（Ferritn）复合物，紫膜（purple membranes）,胰岛素聚合物的局部光谱，并通过它们的a-螺旋 和/或者 b-页状结构进行解释。研究者同样通过nano-FTIR对胰岛素纤丝进行了研究。胰岛素纤丝是一种广泛应用于神经组织退化疾病研究的模型系统，实验结果表明3nm直径的淀粉样纤丝含有大量的a-螺旋结构。此结果揭示了在纤丝周围的蛋白质具有的令人惊讶的高度有序性，这个结果也许可以作为解释纤丝结合的原因。作者预见nano-FTIR将在如细胞受体的离体成像，和蛋白质四机构的分析等众多领域中有着广泛的应用潜力。

自上世纪80 年代被应用以来，磁共振成像技术以其高分辨率、多核多参数成像、可任意层面成像以及非侵入性和非辐射性等优点受到广泛的关注及应用。在肿瘤诊断、脑部以及软组织的鉴定方面的表现优于x 线计算机体层摄影术（CT）。基于这些优点，磁共振成像成为当今最重要的医学成像技术之一，而磁共振造影剂则用于提高图像的对比度以及缩短成像时间，然而其较低的灵敏度一直限制了进一步的应用[1]。为了解决这个难题，提高造影剂的弛豫度成为最为有效的方法。

本文次以自然纳米结构（贝壳和骨质中的矿物质颗粒）的化学鉴定，证明通过红外近场显微镜技术能够解决以上问题。 纳米傅立叶红外光谱(nano-FTIR)是通过将傅立叶变换红外光谱技术(FTIR) 与散射式扫描近场光学显微技术（s-SNOM）结合获得的。对紫贻贝贝壳横截面抛光处理后，通过Nano-FTIR可以重复的观察到生物钙质微晶体的声子共振，以及生物文石质上明显不同的光谱特征。更重要的是，本研究次在紫贻贝贝壳中发现了尺寸为20nm左右、稀疏分布的纳米颗粒，其显著不同的光谱特征表明这些纳米颗粒为磷化物晶体。对人类牙齿界面的研究观察到了多组分磷酸盐的红外吸收峰。这些光谱在牙本质小管附近有明显的特征变换，证明了磷灰石纳米晶体的化学与结构的变化。红外光谱峰的强弱对应矿物质浓度变化，这点通过电镜得到印证。Nano-FTIR对结构的畸变反应敏感，因此非常适用于对生物矿物质形成和老化的研究。总体来说nano-FTIR适用于从微纳加工到临床骨科研究等多种学科中涉及复合材料的分析和鉴定工作。

隧道纳米管（TNTs）是一种纳米级的、富含肌动蛋白的、用于细胞间通讯的瞬时细胞间管。结构的复杂性和空间组织所涉及的组成部分的TNTs仍然未知。在本次研究中，STORM超分辨率成像技术被运用到结构组织的微丝和微管在细胞间的TNT在纳米尺度上。作者的研究结果揭示了不同的分布的微丝和交织结构的微管在TNT，促进TNT通信。

来源于石油中的塑料产品已经成为现代生活不可分割的一部分，它们性能优异，用途广泛且材料相对便宜，但同时也引发了人们对于塑料垃圾在环境中的累积问题的担忧，迫使我们尽快采取行动探索替代传统塑料的新型材料形式。生物塑料, 如聚乳酸(PLA)和聚羟基烷酸酯(PHA)等均来源于天然资源（如糖，植物油等），它们在适当的条件下可发生生物降解，因此其制成的产品即使不小心泄漏到环境中，也不会像传统塑料一样长期残留在土壤和水道中，而是终回归自然，安全而又环保。 虽然典型的PLA和PHA在分子层面上基本不混溶，但得益于其优异的相容性，它们可以以不同比例形成复合材料，创造出许多性质迥异的有用材料。为了更好地理解这两种材料在微观上的相互作用，美国特拉华大学Isao Noda教授课题组与Photothermal Spectroscopy Corp公司合作，利用光学光热红外技术（O-PTIR）技术及新一代的非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统mIRage对PLA和PHA的复合薄片进行红外拉曼同步成像分析，探究这两种材料结合的方式和内在机理。

本文展示了纳米傅立叶红外光谱技术（nano-FTIR）的可行性和实验结果。nano-FTIR是将散射型近场光学显微镜与宽带红外激光光源整合获得的。测试结果显示nano-FTIR可以对有机材料获得20nm空间分辨率的红外吸收光谱，实际测量样品体积只相当于10-20L，理论上讲，nano-FTIR吸收光谱与传统FTIR吸收光谱吻合度高，而实验中对PMMA样品的测试也证明了这一点。因此nano-FTIR可以利用标准分子震荡红外数据库来对小量需要高空间分辨率的有机材料进行化学鉴定。本文中以对PMMA样品中的PDMS纳米尺寸污染的鉴定作为例证。

ARMS 在超表面及纳米天线研究中的应用。相比于传统的光学元件，超表面能够在亚波长尺度的表面创建相位面。通过超表面的设计，可以实现偏振转换、异常反射以及完美吸收等诸多功能，为超薄纳米光致偏振元件的发展铺平了道路，如异常光偏转器、透镜、波片、全息图、涡旋光束发生器、光波导器件等。

在硬X射线成像中，每个探针平均扫描时间的减少对于因为束流造成的损伤是至关重要的。此外，系统的振动或漂移会严重影响系统的实时分辨率。而在结晶学等光学实验中，扫描时间主要取决于装置的稳定性。Attocube公司的皮米精度干涉仪FPS3010（升之后的型号为IDS3010），被用于优化由多层波带片（MZP）和基于MZP的压电样品扫描仪组成的实验装置的稳定性的测量。实验是在德国DESY Photon Science中心佩特拉III期同步加速器的P10光束线站上进行的。Attocube公司的激光干涉仪PFS3010用来检测样品校准电机引起的振动和冲击产生的串扰。基于这些测量，装置的成像分辨率被提高到了± 10nm。

利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)对不同实验条件下培养成纤维细胞中金、银纳米颗粒分布进行空间分辨生物成像。通过优化扫描速度、剥蚀频率和激光能量，获得了较高的空间分辨率。纳米颗粒相对于细胞的子结构是可见的，并且随着孵育时间的增加，纳米颗粒会在核周区域聚集。在矩阵匹配标定的基础上，提出了一种在单细胞水平上定量测定金属纳米颗粒数量的方法。这些结果提供了纳米颗粒/细胞相互作用的见解，并对组织诊断和治疗中分析方法的发展具有启示意义。

金属纳米颗粒（NPs）的体内降解行为对生物医学应用和安全评估非常重要。这里，激光剥蚀-单粒子电感耦合等离子体质谱法（LA-sp-ICP-MS）被证明具有很高的空间分辨率、灵敏度和准确性，可以同时对小鼠静脉注射Ag纳米粒子（50nm，AgNPs）后，颗粒Ag（P-Ag）和释放的离子Ag（Ion Ag）在脾脏、肝脏和肾脏等亚器官中的分布进行成像。在0.4J/cm2的激光形成的30微米光斑上，停留时间为100μs的优化参数下，有机组织中的P-Ag和Ion-Ag的信号可以很容易地从质谱上区分出来。迭代阈值算法的方法已被用于分散P-Ag和Ion-Ag的信号，并将它们相互分开。所得到的图像首次提供了直观的证据，表明在注射AgNPs后24小时内，有相当数量的P-Ag在脾脏边缘区积累，但广泛分布于肝脏实质，同时，有明显数量的离子Ag释放并分布于各器官。此外，成像结果表明，AgNP在肾脏的排泄主要是以离子形式存在。这里的调查表明，所开发的LA-sp-ICP-MS方法具有较高的空间分辨率、灵敏度和可视化能力，可以成为金属NPs临床方面的一个有力工具。

【预约试拍】超分辨率显微镜STORM揭示巨噬细胞足体簇的纳米结构和调控

耦合ISS的SMT系统到奥林巴斯共焦显微镜，激光扫描成像基于反馈算法，在扫描期间，根据要成像的物体的形状，连续地调整和确定激光束跟随的路径。该算法将激光光斑移动到离物体表面一定距离的位置，由于激光光斑的位置和离物体表面的距离是已知的参数，所以利用这些参数来重建物体的形状。三维细胞结构可以在几秒钟内分辨率达到20-40纳米，精度为2纳米。

本文从扫描电镜二次电子像成像原理出发，分析用扫描电镜测量纳米尺度时可能出现的成像误差。重点分析了《成份边界的成像误差》，并提出了减小成份边界成像误差的方法。分析了《台阶的成像误差》也提出了减小台阶成像误差的方法。同时提请纳米测量者注意《渐变边界的成像误差》。在讨论中提出：在纳米测量中，应尽量避免用边界作为测量的标记点或标记线；纳米标准器具，更应避免用边界作为标记点或标记线；最好用成份细线的中心点或中心线作为标记点或标记线；其次是用小颗粒的中心点，细刻线的中心线作为标记点或标记线。为研究纳米标准器具提出了技术方向。

现在的纳米技术能够在微观纳米尺度构建特定的新型纳米材料。这些纳米材料具备独特的物理化学性质。而将纳米技术应用于植物研究与农业生产并由此发展出的新技术phytonanotechnology，甚至有潜力改变传统的农业生产体系。比如控制农业化学品的释放（包括肥料、杀虫剂和除草剂）；靶向释放生物分子（包括核苷酸、蛋白质和催化剂）；或者从外部改变植物的生长微环境。同时还需要另一种技术，来评估这些纳米新材料对植物的效用或损伤。FluorCam叶绿素荧光成像技术无疑是最佳的选项之一。植物学家、农学家与材料学家合作，已经利用这两项技术开展了大量的工作。本文简单介绍其中一些杰出的研究。

红外一直以来都是一种经典的结构分析的光谱手段，它能够有效反映分子在组分中的分布，并且无需标记。但是由于其制样困难、信噪比差、无法观测溶液中的样品等缺点，使得红外在生物领域上难以满足科研工作者的需要。 mIRage是PSC公司新研发的非接触式、亚微米分辨、高信噪比的新型红外拉曼同步测量系统。它较传统的FTIR显微镜来说分辨率有了显著地提升。其分辨率可达400~500 nm。更难能可贵的是，它特的热膨胀红外测量技术，能够做到真正的环境友好，能够在溶液中直接分析细胞、组织、材料表面的红外光谱。此外，mIRage还可搭配拉曼光谱模块，通过红外光谱与拉曼光谱的共同分析，能够帮助研究人员快速准确地确定样品组成结构信息，突破传统荧光分析的限制。

采用美国MASS公司CHDF系列高分辨率纳米粒度分析仪进行样品的粒径分布测试前，样品应进行一系列的处理，文章对CHDF测试前的样品准备要求进行了讲解。

本文报告了脂质纳米管 (LNTs) 作为碳模板用于制造纳米结构的 TERS 表征。据悉，这些脂质纳米管 (LNTs) 是最小的具有表面图案的有机模板。TERS 成像能够以数十纳米的空间分辨率识别 LNTs 的化学特征。

磁共振（MR）作为一种强大的成像技术已凭借其无辐射、分辨率高（尤其针对软组织成像）被广泛的应用于大部分疾病的诊断。目前临床所用的磁共振造影剂（如马根维显）具有代谢过快、靶向性差、易造成肾源纤维化等缺点。近年来，随着纳米技术的迅猛发展，各种纳米颗粒被相继制备出来，并可通过对其尺寸的调控、表面功能化的修饰l来有效解决上述问题。然而，关于纳米颗粒的制备，目前大多仍采用传统的化学合成方法，具有制备过程繁琐、重复性差、环境不友好等问题。因此，发展一种绿色环保、生相容性好、可重复性极强的高性能磁共振造影剂的制备就显得尤为重要。

高光谱成像系统将可见光近红外（VNIR或NIR）光谱与高分辨率成像相结合，采用推扫式（pushbroom）成像技术对运动的样品或在运动中对静止的样品进行逐线全波段光谱采集并同步生成图像，获取样品化学成分的量化数据以及空间分布等详细信息，图像中每一象素都记录了其对应样品点的化学组成、质量、颜色等信息的光谱特征，用于对样品进行定性、定量分析。

超分辨率荧光显微成像技术在活细胞成像中的应用

脂质纳米粒（Lipid Nanoparticles）作为一种高效、安全的药物递送体系，已经被各大企业及科研院所广泛研究，成为近年来发展最为迅速的制剂剂型之一，由于其制备过程需要进行特殊的工艺化定制，故而脂质纳米粒类制剂也被称为“高端复杂注射剂”。脂质纳米粒的制备过程中，其粒径控制是脂质纳米粒制备过程中的基础，因为粒径的大小和分布情况对药品后续的稳定性、包封率都具有非常重要的影响。