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著名華裔學(xué)者崔便曉（Bianxiao Cui）和崔屹（Yi Cui）教授多年前曾是中國科技大學(xué)一起并肩苦讀的大學(xué)校友，如今兩人分別供職在美國斯坦福大學(xué)的化學(xué)系和材料科學(xué)與工程系。崔屹是一位材料科學(xué)家，主要從事蓄電池和太陽能電池的納米材料研制工作。崔便曉目前的主要研究方向是在神經(jīng)元中開展單分子成像分析。近期二人共同攜手合作開發(fā)了一種新技術(shù)用于細胞內(nèi)單分子檢測，相關(guān)研究論文發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）上，并獲得了著名國際期刊《自然方法學(xué)》（Nature methods）的推薦。
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“單分子成像技術(shù)的一個最大問題是它的熒光背景，”崔便曉說道：“于是我們考慮到利用納米技術(shù)提供幫助。”
目前常規(guī)的技術(shù)例如全內(nèi)反射熒光顯微鏡（TIRF microscopy）是利用光線全反射后在介質(zhì)另一面產(chǎn)生衰逝波地特性，激發(fā)熒光分子以觀察熒光標(biāo)定樣品的極薄區(qū)域。因為激發(fā)光呈指數(shù)衰減的特性，使得極靠近全反射面的樣本區(qū)域會產(chǎn)生熒光反射，大大降低了熒光背景。然而全內(nèi)反射熒光顯微鏡的一個主要的局限在于它激發(fā)的是一維的衰逝波，研究人員希望能夠找到一種方法將衰逝波限制在三維的小空間內(nèi)。。
在這篇文章中，研究人員利用了一種稱之為“零模式波導(dǎo)” (zero mode waveguide, ZMW)的方法。目前這種方法主要運用于高通量測序中。所謂的ZMW實際上就是在一片金屬薄片上蝕刻出納米級的小孔，由于ZMW小孔的孔徑非常狹小，照射在金屬面上的光線便可被限制在小孔中。“我們的技術(shù)在某些方面與ZMW方法非常相似，”崔便曉說：“然而不同的是我們沒有采用金屬打孔，而是選擇了納米柱（nanopillar）。”
研究人員在一個金屬包覆的附著層上構(gòu)筑出直徑為100-150納米的透明納米柱。由于納米柱的直徑非常的小，照射到金屬層上的光線大部分都無法通過這些納米柱。而少量的光線在通過納米柱后則生成了環(huán)繞納米柱表面的三維衰逝波。
“利用這種技術(shù)我們可以清楚地識別細胞間的界面。這為我們將激發(fā)光在空間上準(zhǔn)確地投射到細胞內(nèi)提供了可能。而當(dāng)我們利用激發(fā)光照射通過胞質(zhì)溶膠中表達GFP的單個細胞的納米柱時，則僅在納米位點生成了熒光斑點，”崔便曉說。
在實驗中，研究人員利用模型模擬了納米柱頂端和邊緣的光線衰減。他們估計出觀察體積大約為10-16升，遠遠小于用兩光子激發(fā)獲得的數(shù)量級。現(xiàn)在研究人員已在這些納米柱上培育了皮質(zhì)神經(jīng)元、海馬神經(jīng)元、心肌細胞和大量的哺乳動物細胞系，所有的細胞系目前看起來均生長良好。“掃描電子顯微鏡的照片表明細胞看起來似乎吞沒了這些納米柱因為這些納米柱的尺寸非常小，細胞將其視為了某種細胞器，并能識別這些納米柱的大小，”崔便曉說。
盡管過去有其他研究組利用納米柱將分子呈遞至細胞，然而卻一直未能獲得明確的數(shù)據(jù)確定這些納米柱是在細胞內(nèi)或是胞外發(fā)光。掃描電子顯微鏡的照片表明細胞看起來似乎吞沒了這些納米柱，但目前的分辨率還不足以確定納米柱和細胞質(zhì)之間是否還存在包膜。這尚待研究人員進一步研究檢測。
目前，崔便曉和她的實驗室成員正在利用這些納米柱開展實驗研究細胞中的單分子行為。
作者簡介：
崔便曉
崔便曉教授是現(xiàn)美國能源部長朱棣文的學(xué)生，曾在他的試驗室工作六年。她1998年畢業(yè)于中國科技大學(xué)，2003年獲得美國芝加哥大學(xué)化學(xué)博士學(xué)位，隨后進入美國斯坦福大學(xué)。
崔便曉教授已經(jīng)獲得多個學(xué)術(shù)大獎，其中包括：2002年Elizabeth Norton杰出化學(xué)研究獎、2006年美國國家衛(wèi)生院獨立成就獎（NIH Pathway to Independence Career Award）、2008年Dreyfus新教授獎及2009年Searle學(xué)者獎。她的研究專注在透過模擬及觀察個別分子在活細胞中狀態(tài)以了解神經(jīng)原的訊號的傳遞。
崔屹
1998年畢業(yè)于中國科技大學(xué)，并于當(dāng)年進入哈佛大學(xué)深造，師從世界納米權(quán)威之一的里柏教授。曾于2001年獲得美國材料科學(xué)學(xué)會頒發(fā)的“研究生金獎”、2002年由遠見學(xué)會頒發(fā)的“納米科技杰出研究生獎”。他2002年獲得化學(xué)博士學(xué)位的同時，還獲得了柏克萊加大米勒學(xué)者獎學(xué)金。2004年入選“世界頂尖青年發(fā)明家”。
崔屹目前從事“半導(dǎo)體納米材料的合成性以及應(yīng)用”的研究。在過去幾年中，在納米技術(shù)研究領(lǐng)域做出幾項突破性的研究成果，并取得幾項專利。這些專利包括：納米三極管/場效應(yīng)管、納米傳感器、半導(dǎo)體納米材料自行排列法的應(yīng)用、單電子三極管。
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目前常規(guī)的技術(shù)例如全內(nèi)反射熒光顯微鏡（TIRF microscopy）是利用光線全反射后在介質(zhì)另一面產(chǎn)生衰逝波地特性，激發(fā)熒光分子以觀察熒光標(biāo)定樣品的極薄區(qū)域。因為激發(fā)光呈指數(shù)衰減的特性，使得極靠近全反射面的樣本區(qū)域會產(chǎn)生熒光反射，大大降低了熒光背景。然而全內(nèi)反射熒光顯微鏡的一個主要的局限在于它激發(fā)的是一維的衰逝波，研究人員希望能夠找到一種方法將衰逝波限制在三維的小空間內(nèi)。。
在這篇文章中，研究人員利用了一種稱之為“零模式波導(dǎo)” (zero mode waveguide, ZMW)的方法。目前這種方法主要運用于高通量測序中。所謂的ZMW實際上就是在一片金屬薄片上蝕刻出納米級的小孔，由于ZMW小孔的孔徑非常狹小，照射在金屬面上的光線便可被限制在小孔中。“我們的技術(shù)在某些方面與ZMW方法非常相似，”崔便曉說：“然而不同的是我們沒有采用金屬打孔，而是選擇了納米柱（nanopillar）。”
研究人員在一個金屬包覆的附著層上構(gòu)筑出直徑為100-150納米的透明納米柱。由于納米柱的直徑非常的小，照射到金屬層上的光線大部分都無法通過這些納米柱。而少量的光線在通過納米柱后則生成了環(huán)繞納米柱表面的三維衰逝波。
“利用這種技術(shù)我們可以清楚地識別細胞間的界面。這為我們將激發(fā)光在空間上準(zhǔn)確地投射到細胞內(nèi)提供了可能。而當(dāng)我們利用激發(fā)光照射通過胞質(zhì)溶膠中表達GFP的單個細胞的納米柱時，則僅在納米位點生成了熒光斑點，”崔便曉說。
在實驗中，研究人員利用模型模擬了納米柱頂端和邊緣的光線衰減。他們估計出觀察體積大約為10-16升，遠遠小于用兩光子激發(fā)獲得的數(shù)量級。現(xiàn)在研究人員已在這些納米柱上培育了皮質(zhì)神經(jīng)元、海馬神經(jīng)元、心肌細胞和大量的哺乳動物細胞系，所有的細胞系目前看起來均生長良好。“掃描電子顯微鏡的照片表明細胞看起來似乎吞沒了這些納米柱因為這些納米柱的尺寸非常小，細胞將其視為了某種細胞器，并能識別這些納米柱的大小，”崔便曉說。
盡管過去有其他研究組利用納米柱將分子呈遞至細胞，然而卻一直未能獲得明確的數(shù)據(jù)確定這些納米柱是在細胞內(nèi)或是胞外發(fā)光。掃描電子顯微鏡的照片表明細胞看起來似乎吞沒了這些納米柱，但目前的分辨率還不足以確定納米柱和細胞質(zhì)之間是否還存在包膜。這尚待研究人員進一步研究檢測。
目前，崔便曉和她的實驗室成員正在利用這些納米柱開展實驗研究細胞中的單分子行為。
作者簡介：
崔便曉
崔便曉教授是現(xiàn)美國能源部長朱棣文的學(xué)生，曾在他的試驗室工作六年。她1998年畢業(yè)于中國科技大學(xué)，2003年獲得美國芝加哥大學(xué)化學(xué)博士學(xué)位，隨后進入美國斯坦福大學(xué)。
崔便曉教授已經(jīng)獲得多個學(xué)術(shù)大獎，其中包括：2002年Elizabeth Norton杰出化學(xué)研究獎、2006年美國國家衛(wèi)生院獨立成就獎（NIH Pathway to Independence Career Award）、2008年Dreyfus新教授獎及2009年Searle學(xué)者獎。她的研究專注在透過模擬及觀察個別分子在活細胞中狀態(tài)以了解神經(jīng)原的訊號的傳遞。
崔屹
1998年畢業(yè)于中國科技大學(xué)，并于當(dāng)年進入哈佛大學(xué)深造，師從世界納米權(quán)威之一的里柏教授。曾于2001年獲得美國材料科學(xué)學(xué)會頒發(fā)的“研究生金獎”、2002年由遠見學(xué)會頒發(fā)的“納米科技杰出研究生獎”。他2002年獲得化學(xué)博士學(xué)位的同時，還獲得了柏克萊加大米勒學(xué)者獎學(xué)金。2004年入選“世界頂尖青年發(fā)明家”。
崔屹目前從事“半導(dǎo)體納米材料的合成性以及應(yīng)用”的研究。在過去幾年中，在納米技術(shù)研究領(lǐng)域做出幾項突破性的研究成果，并取得幾項專利。這些專利包括：納米三極管/場效應(yīng)管、納米傳感器、半導(dǎo)體納米材料自行排列法的應(yīng)用、單電子三極管。
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