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聚集誘導發光之可視化應用 版權信息
- ISBN：9787030750792
- 條形碼：9787030750792 ; 978-7-03-075079-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
聚集誘導發光之可視化應用 內容簡介
本書為“聚集誘導發光叢書”之一？梢暬瘧檬蔷奂T導發光（AIE）材料*重要的實際應用領域之一，建立高效、便捷和靈敏的AIE可視化體系是當前熱點研究領域。本書總結并概括了AIE在可視化應用中取得的成果、面臨的挑戰及未來的發展機遇。全書分為六章：第1章緒論，簡要概述熒光顯微可視化的定義、方法、原理和發展史；第2章介紹了AIE分子自組裝可視化研究；第3章介紹了AIE分子對物理化學動態過程的可視化研究；第4章介紹了AIE分子對材料結構、性能的可視化研究；第5章介紹了AIE分子在生物領域可視化中的應用；第6章介紹了AIE分子在藥物遞送過程中的可視化研究。
聚集誘導發光之可視化應用 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 顯微可視化技術分類 2
1.2.1 電子顯微鏡 2
1.2.2 原子力顯微鏡 3
1.2.3 熒光顯微鏡 4
1.3 熒光顯微可視化的成像優勢 6
1.3.1 高對比度 6
1.3.2 高特異性 7
1.3.3 高靈敏度 7
1.4 熒光顯微可視化的理論基礎 8
1.4.1 熒光的產生 8
1.4.2 熒光的激發與發射 9
1.4.3 AIE現象與機理 10
1.5 熒光標記 11
1.6 熒光顯微可視化技術的分類 14
1.6.1 寬場熒光顯微技術 14
1.6.2 激光共聚焦顯微技術 15
1.6.3 超分辨率顯微技術 19
1.6.4 熒光壽命顯微成像技術 22
1.6.5 熒光各向異性顯微成像技術 24
1.7 本章小結 25
參考文獻 26
第2章 AIE分子自組裝可視化研究 31
2.1 引言 31
2.2 晶體形成及轉變過程可視化 31
2.2.1 結晶過程原位觀察 33
2.2.2 晶體轉化過程可視化觀察 39
2.2.3 小結 47
2.3 凝膠過程可視化 47
2.3.1 凝膠形成過程的動態監測 48
2.3.2 凝膠刺激響應的可視化 58
2.3.3 自愈合水凝膠 62
2.3.4 小結 64
2.4 其他非晶態分子的自組裝可視化 65
2.4.1 表面活性劑 65
2.4.2 聚合物不同形狀的自組裝 67
2.4.3 外界環境影響自組裝行為 72
2.4.4 手性分子自組裝 76
2.4.5 耗散自組裝 78
2.4.6 小結 79
2.5 本章小結 79
參考文獻 80
第3章 AIE分子對物理化學動態過程的可視化研究 84
3.1 引言 84
3.2 化學反應過程可視化 85
3.2.1 聚合反應進度監測 85
3.2.2 聚合物構型及相態分析 92
3.2.3 不同粒徑納米粒子的合成 95
3.2.4 沉淀聚合成球過程 97
3.2.5 小結 98
3.3 聚合物玻璃態轉變過程可視化 99
3.3.1 聚合物玻璃態轉變機理 100
3.3.2 單一聚合物玻璃態轉變溫度的測定 100
3.3.3 嵌段共聚物及共聚混合物玻璃態轉變溫度的差異 103
3.3.4 聚合物玻璃態轉變對材料的影響 105
3.3.5 小結 108
3.4 液體微粒流動及蒸發過程可視化 108
3.4.1 流體運動過程 108
3.4.2 蒸發過程 111
3.4.3 液體流動、蒸發引起的親疏水性變化 115
3.4.4 小結 116
3.5 本章小結 116
參考文獻 117
第4章 AIE分子對材料結構、性能的可視化研究 121
4.1 引言 121
4.2 AIE對復合材料微觀結構的可視化 121
4.2.1 有機-無機復合材料 122
4.2.2 有機-有機復合材料 126
4.3 損傷檢測 131
4.3.1 復合材料中的損傷檢測 131
4.3.2 人體損傷的可視化檢測 138
4.4 本章小結 144
參考文獻 144
第5章 生物過程的可視化研究 146
5.1 引言 146
5.2 核酸的可視化研究 147
5.2.1 核酸凝膠電泳的可視化 147
5.2.2 細胞內核酸的可視化 149
5.2.3 核酸的可視化檢測 150
5.3 蛋白質的可視化研究 152
5.3.1 蛋白質及其構象的可視化檢測 152
5.3.2 蛋白質凝膠電泳的可視化 153
5.3.3 細胞內蛋白質的可視化 154
5.3.4 酶的可視化 156
5.4 細胞的可視化研究 159
5.4.1 細胞膜的可視化 160
5.4.2 細胞核的可視化 161
5.4.3 線粒體的可視化 163
5.4.4 溶酶體的可視化 167
5.4.5 細胞動態過程可視化 168
5.5 生物體內的可視化研究 171
5.5.1 短波紅外成像 171
5.5.2 雙光子成像 171
5.5.3 三光子成像 173
5.6 微生物的可視化研究 175
5.6.1 微生物的可視化識別 175
5.6.2 微生物的顯微成像可視化 180
5.7 本章小結 183
參考文獻 184
第6章 藥物遞送系統的可視化研究 190
6.1 引言 190
6.2 藥物遞送系統的可視化基礎 191
6.3 刺激響應型藥物遞送系統中的可視化應用 191
6.3.1 氧化還原響應型藥物遞送系統 192
6.3.2 pH響應型藥物遞送系統 193
6.3.3 熱響應型藥物遞送系統 195
6.3.4 光響應型藥物遞送系統 196
6.3.5 多刺激響應型藥物遞送系統 198
6.4 藥物遞送系統在體內去向的可視化研究 200
6.5 本章小結 201
參考文獻 202
關鍵詞索引 206
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 顯微可視化技術分類 2
1.2.1 電子顯微鏡 2
1.2.2 原子力顯微鏡 3
1.2.3 熒光顯微鏡 4
1.3 熒光顯微可視化的成像優勢 6
1.3.1 高對比度 6
1.3.2 高特異性 7
1.3.3 高靈敏度 7
1.4 熒光顯微可視化的理論基礎 8
1.4.1 熒光的產生 8
1.4.2 熒光的激發與發射 9
1.4.3 AIE現象與機理 10
1.5 熒光標記 11
1.6 熒光顯微可視化技術的分類 14
1.6.1 寬場熒光顯微技術 14
1.6.2 激光共聚焦顯微技術 15
1.6.3 超分辨率顯微技術 19
1.6.4 熒光壽命顯微成像技術 22
1.6.5 熒光各向異性顯微成像技術 24
1.7 本章小結 25
參考文獻 26
第2章 AIE分子自組裝可視化研究 31
2.1 引言 31
2.2 晶體形成及轉變過程可視化 31
2.2.1 結晶過程原位觀察 33
2.2.2 晶體轉化過程可視化觀察 39
2.2.3 小結 47
2.3 凝膠過程可視化 47
2.3.1 凝膠形成過程的動態監測 48
2.3.2 凝膠刺激響應的可視化 58
2.3.3 自愈合水凝膠 62
2.3.4 小結 64
2.4 其他非晶態分子的自組裝可視化 65
2.4.1 表面活性劑 65
2.4.2 聚合物不同形狀的自組裝 67
2.4.3 外界環境影響自組裝行為 72
2.4.4 手性分子自組裝 76
2.4.5 耗散自組裝 78
2.4.6 小結 79
2.5 本章小結 79
參考文獻 80
第3章 AIE分子對物理化學動態過程的可視化研究 84
3.1 引言 84
3.2 化學反應過程可視化 85
3.2.1 聚合反應進度監測 85
3.2.2 聚合物構型及相態分析 92
3.2.3 不同粒徑納米粒子的合成 95
3.2.4 沉淀聚合成球過程 97
3.2.5 小結 98
3.3 聚合物玻璃態轉變過程可視化 99
3.3.1 聚合物玻璃態轉變機理 100
3.3.2 單一聚合物玻璃態轉變溫度的測定 100
3.3.3 嵌段共聚物及共聚混合物玻璃態轉變溫度的差異 103
3.3.4 聚合物玻璃態轉變對材料的影響 105
3.3.5 小結 108
3.4 液體微粒流動及蒸發過程可視化 108
3.4.1 流體運動過程 108
3.4.2 蒸發過程 111
3.4.3 液體流動、蒸發引起的親疏水性變化 115
3.4.4 小結 116
3.5 本章小結 116
參考文獻 117
第4章 AIE分子對材料結構、性能的可視化研究 121
4.1 引言 121
4.2 AIE對復合材料微觀結構的可視化 121
4.2.1 有機-無機復合材料 122
4.2.2 有機-有機復合材料 126
4.3 損傷檢測 131
4.3.1 復合材料中的損傷檢測 131
4.3.2 人體損傷的可視化檢測 138
4.4 本章小結 144
參考文獻 144
第5章 生物過程的可視化研究 146
5.1 引言 146
5.2 核酸的可視化研究 147
5.2.1 核酸凝膠電泳的可視化 147
5.2.2 細胞內核酸的可視化 149
5.2.3 核酸的可視化檢測 150
5.3 蛋白質的可視化研究 152
5.3.1 蛋白質及其構象的可視化檢測 152
5.3.2 蛋白質凝膠電泳的可視化 153
5.3.3 細胞內蛋白質的可視化 154
5.3.4 酶的可視化 156
5.4 細胞的可視化研究 159
5.4.1 細胞膜的可視化 160
5.4.2 細胞核的可視化 161
5.4.3 線粒體的可視化 163
5.4.4 溶酶體的可視化 167
5.4.5 細胞動態過程可視化 168
5.5 生物體內的可視化研究 171
5.5.1 短波紅外成像 171
5.5.2 雙光子成像 171
5.5.3 三光子成像 173
5.6 微生物的可視化研究 175
5.6.1 微生物的可視化識別 175
5.6.2 微生物的顯微成像可視化 180
5.7 本章小結 183
參考文獻 184
第6章 藥物遞送系統的可視化研究 190
6.1 引言 190
6.2 藥物遞送系統的可視化基礎 191
6.3 刺激響應型藥物遞送系統中的可視化應用 191
6.3.1 氧化還原響應型藥物遞送系統 192
6.3.2 pH響應型藥物遞送系統 193
6.3.3 熱響應型藥物遞送系統 195
6.3.4 光響應型藥物遞送系統 196
6.3.5 多刺激響應型藥物遞送系統 198
6.4 藥物遞送系統在體內去向的可視化研究 200
6.5 本章小結 201
參考文獻 202
關鍵詞索引 206
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聚集誘導發光之可視化應用 節選
第1章緒論 1.1 引言 使用可視化技術對材料結構、物理化學過程及生物過程進行成像研究是探索其內在機制*直觀的方法[1-5]。改善可視化圖像的對比度能夠獲得更精細的結構信息和更準確的動力學過程。近年來，具有高對比度圖像的熒光可視化技術已成為可視化領域中發展*快、應用*廣的技術之一[4，5]。熒光圖像的高對比度來自熒光團發出的熒光信號與周圍暗場背景之間的顯著差異。因此，開發具有高發光效率的熒光團產生強熒光信號、構建先進可視化系統捕獲處理熒光信號，是提高成像分辨率和靈敏度的關鍵。 早期的熒光可視化方法是使用紫外光激發熒光團，并用裸眼觀察熒光信號的產生或猝滅，從而實現對外部刺激的視覺感知。由于裸眼無法感知紫外光，因此激發光源的光輻射背景在視場中表現為暗場，與熒光信號形成鮮明對比。隨著不同類型的熒光團被相繼開發出來，激發光源的波段從紫外區域擴展到了近紅外區域。與之相匹配的熒光可視化技術，需要設計合理的光路對激發光和發射光進行有效的分離，才能拓寬熒光可視化的實際應用。隨著儀器制造的發展，熒光顯微鏡可視化技術應運而生。這項技術優化了光路并解決了光譜學問題，同時，它還具有顯微成像功能，使得觀察材料微觀結構中的熒光信號成為研究熱點。早期的熒光顯微鏡技術可以借助寬視野熒光顯微鏡獲得微米級的熒光可視化信息，但是不能排除非焦平面熒光信號的干擾，導致圖像的對比度難以達到微觀可視化的要求[5]。通過將針孔結構引入光路，發展出激光掃描共聚焦顯微鏡（confocal laser scanning microscope，CLSM），所獲取的熒光圖像的分辨率可以提高到200nm。進一步使用步進電機控制CLSM的掃描高度，可以獲得垂直方向的熒光圖像切片，通過三維重構技術能夠無損地實現三維結構可視化。這些功能使研究人員能夠更深入地分析材料的結構信息，并將熒光可視化的應用前景推向新的高度。之后，超高分辨率顯微鏡的出現將熒光可視化技術的分辨率提高到30nm甚至更小尺度，與電子顯微鏡的分辨率水平相接近[6]。 目前，熒光可視化技術不僅成為化學和生物學領域的主要研究方法，而且在材料科學和工程領域也逐漸顯現出非凡的應用潛能[4，5]。自2001年聚集誘導發光（AIE）的概念被提出以后，研究者已經開發了數千種AIE熒光材料，以滿足特定的成像分析與可視化需求[7-9]。與傳統熒光團相比，AIE熒光團具有非平面的分子構象和獨*的光學性質。大多數的傳統熒光團通常只能在低濃度下工作，用以避免聚集導致猝滅（aggregation-caused quenching，ACQ）的問題；而AIE熒光團在低濃度時往往處于無熒光狀態，當高濃度形成聚集體時產生強熒光。更有意思的是，通過吸附、包被、自組裝等方式將低濃度的AIE熒光團制備成聚集體時，可以獲得高發光效率和高光穩定性的AIE納米粒子。優異的光學性質和生物相容性使得AIE熒光團在熒光可視化方面備受青睞。在本章內容中，首先對常用可視化技術的工作原理、發展歷史和現狀進行簡單介紹，重點突出熒光可視化技術。隨后，圍繞熒光團和熒光可視化技術兩個部分進行展開。對于熒光團，主要概述了熒光產生的物理學基礎、熒光團的激發和發射光譜、AIE現象和原理、熒光標記的類型和注意事項等；對于熒光可視化技術，主要討論了寬場熒光顯微鏡和激光掃描共聚焦顯微鏡的光路構造和成像特點，并選擇一些有代表性的例子介紹了AIE分子及其制備的AIE納米粒子在顯微成像中的應用概況。 1.2 顯微可視化技術分類 顯微鏡，特別是光學顯微鏡一直是提升人類視覺能力的首要工具。在19世紀末，Ernst Karl Abbe提出光學顯微鏡的極限分辨率由入射光的波長（大約0.5μm）所決定[1]。之后，科學家為了突破光學顯微鏡分辨率的極限，陸續開發出了電子顯微鏡、原子力顯微鏡（atmic force microscope，AFM）、超高分辨率顯微鏡和納米顯微鏡等先進顯微可視化系統。為了更好地理解和運用可視化技術，有必要了解各種可視化技術的發展歷史、工作原理和現狀。結合本書所討論的對象，對電子顯微鏡和原子力顯微鏡兩個類別進行概述，著重討論熒光顯微鏡（包括傳統的寬視野熒光顯微鏡、激光掃描共聚焦顯微鏡和超高分辨率顯微鏡等）。 1.2.1 電子顯微鏡 電子顯微鏡，作為一種重要的成像分析工具，能夠在原子尺度提供關于位置、性質甚至是價原子的相關信息。PaulDirac提出了波粒二象性之后，HansBusch展示了磁場可以使電子束偏離或聚焦的技術，Ernst Ruska和Max Knoll利用該技術于1931年首次在自制儀器上實現了17倍的放大倍數[10]。在隨后的兩年時間內，ErnstRuska改進的電子顯微鏡可以獲得50nm的分辨率。電子顯微鏡分辨率的提升在第二次世界大戰后得到迅速發展[1]：20世紀50年代中期，實現了大約1nm的晶格分辨率；20世紀70年代初，出現了重金屬原子（如钚和金）的原子分辨率圖像，引發了在原子尺度進行缺陷研究的熱潮；到世紀之交，大多數商用電子顯微鏡的分辨率能達到0.1～0.2nm。 隨著研究熱點轉向納米材料，研究人員需要在低壓加速的條件下獲得原子尺度的結構信息。球差校正技術應運而生，這使得透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）的分辨率不再受限于棱鏡質量，而是由原子本身的靜電勢和熱運動所決定[11，12]，F在，球差校正透射電子顯微鏡（spherical aberration corrected TEM，STEM ）可以在40keV或更低的加速電壓下實現亞埃米分辨率，電子能量損失能譜（electron energy loss spectroscopy，EELS）和能量色散X射線譜（X-ray energy dispersive spectrum，EDX）模式下也可以獲得相同水平的電子信息[13]。但是，對于三維物體，大多數電子顯微鏡圖像是其在二維平面的投影，導致可視化結果與實際情況出現偏差。例如，對集成電路中原始微結構的探究，必須獲取到材料的三維形態、結構組成和物理特性。為了解決這個問題，通過引入數字圖像采集技術、提高對不同電子光學或樣品條件下圖像的采集能力，發展出可以對納米結構和化學成分進行三維分析的電子斷層掃描和電子全息技術（圖1-1）[14-17]。 1.2.2 原子力顯微鏡 原子力顯微鏡利用探針掃描固體表面，以獲得具有原子級分辨率的表面信息，從而實現微觀尺度的生物量和非生物量的可視化研究[18-21]。原子力顯微鏡具有優越的可操控性，能夠在組織、細胞、病毒、蛋白質、核酸和生物材料的表面建立適當的可視化系統[22-24]。此外，原子力顯微鏡可以在亞納米級到微米級的生物界面進行高信噪比成像，同時定量分析并呈現被測物體的物理、化學和生物學性質，如實時檢測配體與受體之間的鍵合過程，評估抗體的抗菌作用，定量分析分子、細胞和組織之間的相互作用及描繪生物分子在界面反應中的自由能分布[25-28]。 原子力顯微鏡的主要成像原理是用配有分子水平探針的懸臂掃描樣品表面，利用探針的可伸縮性對樣品表面進行輪廓分析并獲得可視化圖像[19]。由于樣品表面在分子尺度上通常是褶皺的，因此需要將激光束從懸臂的背面投射到位置敏感的光電二極管上，通過這種方式使懸臂傾斜并改變探針的位置［圖1-2（a）］。位置信息由反饋系統讀取，然后通過改變作用力來控制探頭和待測樣品之間的垂直高度。在早期的原子力顯微鏡成像過程中，操作人員需要經常調整成像作用力和成像條件，以避免非均相生物表面變形，F代的原子力顯微鏡控制系統可以準確有效地控制作用力，避免樣品變形和損壞[24，28]。隨后，通過成像系統將探針在離散點處獲得的高度數據可視化為樣品的地形圖。這些可視化圖像的分辨率可以達到納米級，因此可以使用此方法觀察一系列原生生物系統，包括細胞膜、病毒、原纖維、核酸和蛋白質［圖1-2（b）～（f）］[29-33]。 1.2.3 熒光顯微鏡 人類的眼睛依靠色彩的對比度去感知世界。為此，各種創新性方法被發展出來增強顯微圖像的對比度，為可視化技術在生物學和材料科學領域的應用開辟了新天地[34]。通過使用合適的染料對樣本進行特異性染色，就可以在裸眼和光學顯微鏡下觀察到具有高對比度的樣本結構信息。以生物組織樣本為例，*早是由意大利的生理學家Camillo Golgi和西班牙的病理學家Santiago Ramony Cajal完成染色和顯微成像的，該成果于1906年獲得了諾貝爾生理學或醫學獎[35]。隨后，荷蘭科學家FritsZernike提出相襯概念，使得不染色觀察亞細胞結構成為可能，該成果于1953年獲得諾貝爾物理學獎[36]。為了顯示出待測物體的三維結構，波蘭科學家JerzyNomarski發明了差分干涉對比技術，將入射光分成兩個間隔很近的偏振光束（偏振面彼此垂直），當它們穿過樣品時，引起的干涉可以產生高度差呈現可見的顏色和紋理變化[37]。此外，利用光穿過待測樣品時偏振特性的變化，發展出偏光顯微鏡[38]。 目前，基于熒光染色的可視化技術是獲取高對比度圖像的*高效方法。顧名思義，熒光染色是使用熒光染料對樣本進行染色，通過吸收特定波長范圍內的激發光而發射出更長波長的熒光，其吸收和發射波長范圍可以從紫外（UV）光到近紅外（NIR）光區域。熒光染色由于對待測樣本是特異性標記和點亮，因而具有高的對比度、靈敏度和特異性。在熒光染料發展上，熒光蛋白的使用是一項革命性創新，直接導致了許多熒光顯微鏡技術的誕生，促進了光學顯微鏡和細胞生物學的快速發展（圖1-3）[39]。Osamu Shimomura、Martin Chalfie和錢永健（RogerY.Tsien）因“發現和開發綠色熒光蛋白”而獲得了2008年諾貝爾化學獎[40]。另外，隨著熒光可視化技術的飛速發展，逐步誕生了CLSM和超分辨率熒光顯微鏡等可視化技術[34]。Eric Betzig、Stefan W.Hell和William E.Moerner因“發展超分辨率熒光顯微鏡”于2014年被授予諾貝爾化學獎[6]。 1.3 熒光顯微可視化的成像優勢 1.3.1 高對比度 高對比度對于可視化的重要性是不言而喻的。以自然現象為例，在日光照射下，幾乎不可能在草叢、灌木和樹林里觀察到螢火蟲；但是，在夜間則可以清楚地看到發光的螢火蟲。無論是白天還是黑夜，螢火蟲發出幾乎相同的光，能否可視化的關鍵在于螢火蟲周圍的背景是亮色的還是暗色的。類似地，在光學顯微鏡下觀察特定的樣品時，樣品與背景之間的對比度越高，越容易觀察到清晰的圖像。熒光可視化技術使被熒光分子標記的待測樣品受激發后發光，以非熒光分子為主的周圍環境顯示為黑色背景，從而實現高對比度成像（圖1-4）。
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