自从英国科学家Robert Hooke于1665年第一次利用显微镜技术发现细胞之后，300多 年来，人类对生物成像的研究从未停止，涉及生物分析、疾病诊疗、药物合成、分子影像、纳米技术、能源材料和环境分析等众多领域。进入21世纪以来，细胞成像分析更是成为生命科学领域的核心技术与前沿科学，吸引了多学科领域的研究者的广泛关注。研究者发展了共聚焦荧光显微镜、共聚焦拉曼显微镜、暗场显微镜、表面等离子共振显微镜、电致化学发光成像技术、受激发射损耗技术和结构光显微镜等一系列高灵敏和高时空分辨的生物成像技术等。近年来，以贵金属为代表的表面等离子共振纳米颗粒、半导体纳米颗粒、碳材料纳米颗粒等纳米材料在信号标记、生物传感、光热治疗、光动力治疗、药物递送等领域为生物成像分析提供了强有力的支撑。 高精准、高通量的纳米与生物成像分析是广大研究者努力追求的目标。为此，《分析化学》期刊策划和出版了《纳米与生物成像分析》专辑。
本专辑围绕纳米与生物成像分析专题，收录了我国在相关领域具有丰富经验的团队 撰写的相关研究的综述和研究论文共18篇。具体包括：（1）系统介绍了光学显微成像技术的研究进展；（2）重点介绍了利用等离子共振纳米探针技术进行单细胞原位成像分析的研究进展；（3）重点介绍了利用电致化学发光显微成像技术进行单颗粒、单细胞原位成像分析的研究进展；（4）重点介绍了利用拉曼显微成像进行单颗粒、单细胞原位成像分析的研究进展；（5）纳米材料在信号标记、生物传感、光热治疗、光动力治疗和药物递送等领域的生物成像分析。
青岛科技大学的罗细亮教授在《生物质基碳量子点的合成及传感成像研究进展》文章中，综述了近年来生物质碳量子点的合成方法和在传感成像领域的最新进展。西南大学黄承志教授在《聚多巴胺包被的非计量铜硫属纳米颗粒用于肿瘤细胞光热-化疗协同作用研究》工作中，利用所合成的近红外区域具有局域表面等离子吸收的功能化非计量铜硫属纳米颗粒，成功地实现了化疗药物在肿瘤微酸性环境下的可控释放，并对这一过程进行可视化追踪。安徽大学的韩光梅和张忠平教授在《溶酶体靶向荧光碳点的制备及细胞成像应用》（封面报道）一文中，报道了其在靶向溶酶体功能的荧光碳量子点方面的成果，该成果可实现活细胞内溶酶体的长时程成像。中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室的姜秀娥研究员在《纳米材料在生物成像引导的光动力治疗中的应用》综述中总结了多功能纳米材料用于荧光成像、磁共振成像、计算机断层扫描成像等引导的肿瘤PDT的最新进展，并对其现阶段面临的挑战和未来发展的前景进行了分析和展望。中国科学院宁波材料技术与工程研究所的吴爱国研究员在《基于Er3+掺杂上转换纳米粒子的生物成像研究进展》综述中，就Er3+掺杂的上转换纳米粒子材料在性能优化以及生物成像应用方面进行总结，并对其在这一新兴领域的最新进展和发展前景进行了讨论和展望。湖南大学蒋健晖教授在《化学动力学治疗在癌症治疗中的应用研究进展》综述中对近年基于改变肿瘤微环境、选择合适的催化剂和反应底物及与其它治疗方式联合三种方式提高CDT癌症治疗效率的研究进展进行了评述，并对其应用前景进行展望。东南大学王雪梅教授在Cerium-based Dual-Modality Imaging Contrast Agent for Efficient Retention in Tumor Acidic Microenvironment工作中提出的铈基双模纳米造影剂，可用于对活体肿瘤同时进行荧光和CT成像，从而获取更精准、更全面的临床诊断。广东医科大学中美肿瘤研究所的丁洁教授在《一种纳米比率荧光探针用于活细胞的缺氧成像》中通过设计可 检测细胞内缺氧水平的比率荧光探针，对细胞内的缺氧情况进行了比率荧光成像。南京大学龙亿涛教授在《基于纳米孔道光电限域的单个体测量》综述中重点介绍了纳米孔道电化学分析原理，对其在光电协同测量方面的应用进行了综述和展望。南开大学肖乐辉教授在Color-coded Adrenaline Assay Based on GNP@Mno2 Core-Shell Nanoparticles with Dark-Field Microscopy工作中通过制备一种高灵敏的单颗粒纳米探针，实现了对商品注射剂中肾上腺素的高灵敏检测，该方法在分子识别和药物分析领域具有良好的应用前景。华东师范大学田阳教授在《基于TiO2纳米棒的表面增强拉曼技术检测细胞中端粒酶活性》工作中，构建了一种TiO2非金属表面增强拉曼生物传感器，实现了对细胞中端粒酶活性的高灵敏定量检测，为临床诊断中的相关物质检测和细胞生物医学分析领域开辟了新途径。南京大学闵乾昊教授在《基于纳米材料的质谱成像研究进展》综述中，总结了基于纳米材料的质谱成像技术的主要原理和研究进展，并对其未来发展及应用进行了展望。南京大学张晶晶教授在《响应性纳米材料在肿瘤分析中的研究进展》 综述中选择外源光响应性、内源酶响应性的纳米材料，对其近五年来在肿瘤相关疾病药物递送及生物成像分析中的研究进展进行了总结展望。郑州大学李朝晖教授在《单分子阵列技术在疾病诊断中的应用进展》一文中介绍了单分子阵列技术在神经退行性疾病、肿瘤、传染性疾病等领域的研究进展，并对单分子阵列技术的研究和应用前景进行了展望。安徽师范大学夏云生教授在《纳米超粒子的制备、性质及其生物成像分析应用》综述中，重点阐述了纳米超粒子的制备方法，同时，对近期纳米超粒子在生物成像分析领域的应用进行了总结，讨论了其在制备和在生物医学领域应用存在的主要问题及未来发展前景。浙江大学苏彬教授在《电化学发光显微成像：从机理解析到生化分析》一文中，对电化学发光显微成像技术在发光反应机理解析、指纹结构显现与成分识别、单细胞分析等方面的研究进展做了重点评述，并对电化学发光显微成像技术的应用前景及发展方向进行了展望。南京大学朱俊杰教授在《表面增强拉曼散射技术在生物传感与成像分析中的应用》一文中，着重阐述了近年来表面增强拉曼散射技术在生物传感与成像分析应用中的研究现状，并对其未来发展趋势和前景进行了展望。江南大学胥传来教授在 《DNA自组装纳米结构与生物传感检测分析》综述中对DNA自组装的纳米结构应用于生物领域的相关工作进行系统的总结，有望推动生命、医学、生物学等领域的进一步发展。 我们希望借助该专辑的出版，使广大读者更深入地了解纳米与生物成像分析的研究 现状和发展趋势，进而推动相关领域研究的发展！
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2021, 49(7): 1063-1075. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.211140
摘要:
表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman scattering，SERS）技术是一种具有原位无损、指纹信息识别和单分子水平检测能力的光谱分析手段，在食品安全、环境监测和生物分析等领域具有良好的应用价值和潜力。本文综述了近年来SERS技术在生物传感与成像分析领域中的研究现状，展望了其未来发展趋势和应用前景。
毛亚宁 , 王军 , 高宇环 , 赵婷婷 , 徐升豪 , 罗细亮
2021, 49(7): 1076-1088. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.201554
摘要:
作为一种碳基发光纳米材料，碳量子点因其毒性低、光学性质可调、成本低廉、优异的光稳定性以及良好的生物相容性等优点，被广泛用于生物传感和生物成像等领域。目前，已经开发了众多的合成碳量子点的方法，其中，采用生物质基天然原料的绿色合成方法，可以利用天然原料或者将低价值废弃物转化为高价值生物质基碳量子点，是未来实现能源可持续发展的趋势。本文主要介绍了生物质基碳量子点的合成方法以及在传感成像领域应用的最新进展，并对生物质基碳量子点在传感成像领域的应用前景和发展方向进行了展望。
2021, 49(7): 1089-1105. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.211094
摘要:
纳米超粒子（Supraparticles，SPs）是指将相同或不同种类的无机纳米粒子单元，通过自组装形成具有一定形状和分级结构的纳米聚集体。SPs不仅具有新颖多样的集合性质和协同效应，并且其丰富可调的形貌与空间拓扑结构为其与各种生物系统的相互作用提供了多尺度和多维度的可能性，在生物传感、生物成像、疾病诊疗等领域具有广阔的应用前景。本文阐述了SPs的制备方法和性质，同时，对近期SPs在生物成像分析领域的应用进行了总结，最后，讨论了SPs在制备和生物医学应用领域中存在的主要问题及未来的发展前景。
彭皓 , 杨方 , 杜慧 , 姜波 , 姚晨阳 , 姚俊列 , 郑方 , 吴爱国
2021, 49(7): 1106-1120. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.211090
摘要:
上转换纳米粒子能够在近红外光的激发下发射可见光波段的高能光子。相对于传统荧光材料，上转换纳米粒子具有更好的组织穿透深度以及更好的生物相容性，减少了生物细胞组织自身荧光干扰，在高灵敏度的生物成像领域具有广阔的应用前景。铒（Erbium，Er）作为一种稀土金属元素，在近红外Ⅱ区（1500 nm）有很强的吸收，同时发射出红光和绿光，是一种光学性能优良的材料，通常被掺杂在上转换纳米粒子中作为发光中心。然而，Er3+掺杂的上转换纳米粒子由于表面猝灭、能量逆流等问题，限制了其发光效率和成像效果。本文对Er3+掺杂的上转换纳米粒子材料在性能优化以及生物成像应用方面的应用研究进行了总结，并对其在时域通路成像领域的最新进展进行了讨论，对其发展前景展望。
2021, 49(7): 1121-1132. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.201734
摘要:
化学动力学治疗（Chemodynamic therapy，CDT）在肿瘤治疗领域受到越来越多的关注。CDT借助于肿瘤微环境弱酸、H2O2过量的特性，利用Fenton或类-Fenton反应将弱氧化性的H2O2催化转化成强氧化性的·OH，导致细胞内氧化水平升高、DNA坏死、蛋白失活、脂质氧化，最终诱导癌细胞凋亡。CDT具有特异性和独立性强、适用于组织深处肿瘤的治疗的特点，是近年癌症治疗的研究热点。然而，CDT的研究还处于初级阶段，为提高治疗效率，研究者主要提出了3种方式：改变肿瘤微环境、选择合适的催化剂和反应底物及与其它治疗方式联合。本文对近年基于上述3种方式提高CDT癌症治疗效率的研究进展进行了评述，并对其应用前景进行了展望。
2021, 49(7): 1133-1141. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.211086
摘要:
响应性纳米材料在肿瘤相关疾病内源性因素（如pH值、过表达的酶、氧化还原等）或外源性因素（如光、热、磁等）的触发下，可发生结构和性质的改变，从而实现精准的药物递送和成像。不同类型刺激响应性纳米材料在结构、组成及功能等方面存在差异，其应用也不同，如受诱导产生光热效应进行光热治疗、发生结构改变释放信号或药物进行成像或化疗等。为了探讨新型响应性纳米材料的应用潜力，本文对外源光响应性和内源酶响应性纳米材料用于肿瘤相关疾病治疗及生物成像领域的研究进展进行了评述，并对其未来发展方向进行了展望。
2021, 49(7): 1142-1153. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.201702
摘要:
随着纳米技术的发展，开发集生物成像诊断和精准治疗于一体的新型纳米诊疗平台已成为肿瘤治疗的研究热点。在众多的癌症新型治疗方法中，光动力治疗（PDT）具有高特异性、可控性、低毒副作用及不易产生耐药性等优势而备受关注。近年来，基于纳米材料的PDT克服了传统PDT低稳定性、低靶向性及光毒性等局限性，显示出了巨大的应用潜力。同时，可将生物成像功能与PDT功能整合到同一纳米平台上，实现肿瘤诊疗的一体化，有望为肿瘤精准诊疗的临床实践提供新思路。目前，已有多种成像模式被应用于基于纳米材料的PDT研究。本文总结了多功能纳米材料用于荧光成像、磁共振成像（MRI）、计算机断层扫描（CT）成像、超声（US）成像、光声（PA）成像、正电子发射断层扫描（PET）成像及单光子发射计算机断层扫描（SPECT）成像等生物成像引导的肿瘤PDT的最新研究进展，并对其面临的挑战进行了分析，对其发展前景进行了展望。
2021, 49(7): 1154-1165. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.211087
摘要:
单分子阵列技术（Simoa）是一种在体积为飞升大小的微孔中进行单分子酶促反应并能够荧光成像的数字式酶联免疫吸附法（ELISA），具有灵敏度高、检测范围宽、耗时短等优势，在生物分析、疾病诊断和预后评估等领域展示出巨大的应用潜力。本文在总结Simoa原理和关键技术的基础上，主要介绍了Simoa在神经退行性疾病、肿瘤、传染性疾病等领域的研究进展，并对Simoa的研究和应用前景进行了展望。
2021, 49(7): 1166-1175. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.211041
摘要:
纳米孔道分析是一种无标记、高通量、高时空分辨的电化学测量技术，被广泛用于单分子、单颗粒和单细胞等单个体测量。孔道不仅具有纳米尺度的三维几何空间的自然结构，用于限域单个目标分析物，纳米孔道限域效应还可以增强电、电磁等物理场，使孔道本身表现出特殊的零模波导和散射等光学性质。本文简要介绍了纳米孔道电化学分析原理，对其在光电协同测量方面的应用进展进行了综述，对其发展前景进行了展望。
2021, 49(7): 1176-1187. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.211073
摘要:
纳米材料种类的多样性以及性能的可调性为质谱分析方法的开发提供了多种可能。近年来，随着质谱分析技术的不断革新与发展，研究者逐步尝试将纳米材料辅助的质谱分析技术推进到质谱成像研究领域。利用纳米材料作为辅助电离介质和信号分子载体，质谱成像技术在实施未知物鉴别的同时可实现目标分子的精确定位，进而呈现生物分子、药物、环境污染物等在组织与细胞中的空间分布信息，为基于组织样本的病理生理学研究提供更直观的技术手段。本文总结了基于纳米材料的质谱成像技术的主要原理和研究进展，并对其未来发展及应用进行了展望。
丁鹭榕 , 傅文轩 , 丁昊 , 周萍 , 郭维亮 , 苏彬
2021, 49(7): 1188-1197. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.211123
摘要:
电化学发光（Electrochemiluminescence，ECL）是指发光探针在电极表面发生电化学反应产生的暗场光辐射，基于此发展的ECL分析方法具有背景低、灵敏度高、时空可控性强、分析速度快、线性范围宽等优势，已成为当前先进的体外检测技术之一，广泛用于生化分析与临床诊断。除了具有上述优点外，ECL成像分析还具有分析通量高和可视化等特点，是一种强大的表面分析技术，在材料表界面研究和生物活体分析等领域具有重要的应用价值。由于ECL强度与电极的表面状态密切相关，而成像技术可直接反映电极表面的ECL强度的空间分布，因此可使用ECL成像技术研究电极的表面状态、电流密度分布以及化学修饰电极的活性位点分布等。本文首先简要介绍了ECL技术的发展历程和经典ECL体系的反应机理，在此基础上，对ECL显微成像技术在发光反应机理解析、指纹结构显现与成分识别以及单细胞分析等方面的研究进展做了重点评述。最后，对ECL显微成像技术的应用前景及发展方向进行了展望。
李斯 , 郭晓 , 郝昌龙 , 徐丽广 , 匡华 , 胥传来
2021, 49(7): 1198-1207. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.210405
摘要:
由DNA分子介导构建的无机纳米自组装结构，不仅在结构上能够可控调节、易于进行表面功能化修饰，而且其光学性质独特，在生物传感、生物成像、细胞原位分析的应用方面展现出了很大的优势。近年来，利用无机纳米材料在光、电、磁等方面特殊的功能特性，构建了一系列可用于原位分析活细胞内重要靶标物质的无机纳米自组装结构，丰富了分析化学的技术手段，推动了癌症等重大疾病早期诊断和治疗技术的进步，促进了生命科学的发展。本文对近年来DNA介导的无机纳米自组装结构用于生物领域的相关工作进展进行了总结，讨论了其面临的挑战，对其发展前景进行了展望，以期为生命、医学、生物学等领域的进一步发展提供参考。
2021, 49(7): 1208-1217. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.201701
摘要:
通过简单的一步功能化修饰制备了具有溶酶体靶向功能的发射蓝色荧光的水溶性荧光碳点，并成功用于活细胞内溶酶体的长时程成像。利用浓HNO3氧化剥离炭黑得到富含羧基碳点，采用酰胺化反应，将N，N-二甲基乙二胺（N，N-Dimethylethylenediamine，DMEDA）修饰到碳点上，得到了DMEDA功能化的纳米荧光碳点（M-CDs）。红外光谱表征显示，与原始的羧基碳点相比，M-CDs在1658 cm–1处出现了酰胺键（O=C-NH-）的特征振动峰，表明DMEDA成功修饰到碳点上。DMEDA的引入显著提高了碳点的荧光发射效率，量子产率达到15.6%，比修饰之前提高了约27倍，满足了细胞成像需求。M-CDs通过温度依赖的内吞方式进入细胞，与商业化染料Lyso-Tracker red的共定位实验表明，M-CDs定位在溶酶体内，并且是一种通用的溶酶体定位探针。与商业化染料Lyso Traker blue相比，M-CDs具有更强的光稳定性，在激光共聚焦显微镜下进行时间成像，设置扫描间隔为5 min，在长达120 min时间内对细胞进行25次激光扫描成像后，溶酶体内仍能检测到很强的蓝色荧光，表明M-CDs可以用于溶酶体的长时程成像。
2021, 49(7): 1218-1227. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.211066
摘要:
利用水热法制备了TiO2纳米棒（TiO2 nanorods，TiO2 NRs），构建了一种TiO2 NRs非金属表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS）生物传感器，以酞菁铜（Copper （II） phthalocyanine，CuPc）为吸附分子，开发的TiO2 NRs SERS生物传感器具有显著的拉曼活性。通过实验数据和理论计算，发现CuPc分子显著的SERS增强（增强因子（Enhancement factor，EF）=3.18×10 8）源于电荷转移的化学增强（Chemical mechanism，CM）机理。利用TiO2 NRs纳米阵列上CuPc的显著拉曼响应以及对端粒G-四连体的特异性识别，TiO2 NRs作为SERS基底，成功实现了对端粒酶活性的灵敏的定量检测，检测限低至2.85×10 -16 IU/L。利用此SERS传感器的高选择性和高灵敏度等分析性能，测了定Hela细胞中端粒酶活性并确定其细胞数量，表明本方法为检测Hela等细胞中端粒酶活性的有效方式。本研究不仅为基于CM的半导体SERS增强机理研究奠定了基础，也为临床诊断中的相关物质检测和细胞生物医学分析开辟了新途径。
聚多巴胺包被的非计量铜硫属纳米颗粒用于肿瘤细胞光热-化疗协同作用研究
2021, 49(7): 1228-1236. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.201570
摘要:
通过合理的设计制备多功能纳米复合材料是当前实现多模式联合肿瘤治疗领域中的研究热点。本研究合成了在近红外区有局域表面等离子吸收（LSPR）的非计量铜硫属纳米颗粒（Cu2-xSySe1-y NPs），利用聚多巴胺对其进行表面修饰（Cu2-xSySe1-y@pDA），进一步通过共价结合，负载叶酸（FA）和抗癌药物硼替佐米（Bortezomib，BTZ），制备了FA-Cu2-xSySe1-y@pDA-BTZ复合纳米材料。研究表明，此复合纳米材料在生物应用最佳的近红外二区窗口呈现有效吸收，光热转化效率可达30.8%。复合材料可通过表面的叶酸靶向过度表达叶酸受体的癌细胞。此外，聚多巴胺的邻苯二酚基团与BTZ通过动态硼酸酯键交联，利用硼酸酯键的pH响应性质，在肿瘤微酸性环境下，BTZ被可控的释放。将上述FA-Cu2-xSySe1-y@pDA-BTZ复合材料与HepG-2细胞孵育，在1064 nm激光照射下，癌细胞的存活率低于10%，实现了对肿瘤细胞光热-化疗的协同治疗。此外，此纳米材料可作为一种新型暗场散射探针，用于治疗过程中的癌细胞成像监控。结果表明，合成的非计量铜硫属纳米载药复合材料对癌症诊疗有很好的应用前景。
2021, 49(7): 1237-1244. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.201802
摘要:
缺氧是实体肿瘤微环境的一个重要特征，与肿瘤高度的侵袭转移特性和较差的预后密切相关。因此，建立一种高效快速、灵敏无创的缺氧检测方法具有重要意义。本研究利用掺杂异硫氰酸荧光素（Fluorescein isothiocyanate，FITC）的“蛋黄-壳”介孔有机硅纳米粒子（Mesoporous yolk-shell organosilicananoparticle，MYSN）负载缺氧敏感荧光染料三（4，7-联苯-1，10-邻菲啰啉）二氯化钌（[（Ru （dpp）3）]Cl2），合成了一种可以检测内源性和外源性缺氧水平的比率荧光探针，并对细胞内的缺氧情况进行比率荧光成像。此探针对水溶液中氧浓度检测的线性响应范围为5~290 μmol/L，响应时间为1 min，检出限低至4.68 μmol/L。细胞实验结果表明，此探针可被显著摄取，对内源性及外源性缺氧具有高特异性、高稳定性的荧光成像能力。
基于GNP@MnO2纳米颗粒的彩色编码暗场显微成像方法对肾上腺素的超灵敏检测
2021, 49(7): 1245-1245. doi: 10.1016/S1872-2040(21)60110-X
摘要:
肾上腺素（Adrenaline，AD）是哺乳动物中枢神经系统的一种重要激素，同时也是信号传递的媒介。在体液和神经组织中，AD含量异常可导致多种疾病。本研究发展了一种简单、灵敏、单颗粒检测（SPD）的暗场显微成像方法（DFM）用于AD的定量检测。由于AD的还原性使GNP@MnO2核-壳纳米颗粒的MnO2层刻蚀脱落，金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振（LSPR）效应对周围环境变化非常敏感，在MnO2层脱落前后颗粒的散射信号具有较大变化，利用暗场显微镜可观察到探针颗粒在刻蚀前后的颜色发生明显变化，基于此实现了对AD的定量检测。本方法的线性范围为0.02-5滋mol/L，检出限低至7.17 nmol/L，实际样品中的加标回收率为99%-103%。本方法在分子识别检测和药物质量分析领域具有良好的应用价值。
李金成 , 姜雪瑞 , 国曾超 , 张海军 , 姜晖 , 王雪梅
2021, 49(7): 1245-1245. doi: 10.1016/S1872-2040(21)60109-3
摘要:
利用新型材料设计和制备高效、靶向性、多功能的诊疗一体化试剂是生物医学领域的研究热点。纳米颗粒可以通过在纳米尺度上调节特定的结构和组成来实现诸如控释、靶向、智能响应、生物相容和生物降解等多种功能的高效整合，作为多功能智能诊疗剂的集成载体提高诊疗试剂的性能和临床效果，并有望实现肿瘤的早期诊断、精确定位、原位治疗以及治疗过程中的实时疗效监测与预后。本研究设计合成了一种具有pH响应的荧光-CT双模态纳米造影剂，并用于裸鼠肿瘤模型。此纳米造影剂以CdTe@SiO2作为荧光内核，CeO2外壳作为CT响应标记，羧甲基壳聚糖吸附在壳上可以使该纳米造影剂获得良好的pH敏感响应性。合成的纳米造影剂在肿瘤模型鼠上显示了良好的荧光-CT双模态造影成像效果，可用于相关肿瘤病灶的精准示踪、治疗及诊疗一体化。