基于单根纳米线/管的纳米电化学探针研制及亚细胞高分辨探测研究

Cells are the fundamental unit of life, and it is a great challenge in Analytical Chemistry raised by Life Science to monitor of life activities at the single cell or subcellular levels in real time. Recently, benefiting from the excellent characteristics such as super-high spatial and temporal resolution as well as high sensitivity, electrochemical methods based on nanoelectrochemical sensors have played important roles in real-time monitoring at subcellular levels. However, traditional nanoprobes obtained by “top down” approach are always suffered by their complex fabrication, uneasy-to-modify and potential damage to cells. In this project, we will develop novel nanoelectrochemical probes based on single nanotubes/nanowires for subcellular monitoring. Firstly, various nanotubes/nanowires (e.g. metal, metallic oxide and composite material nanowires/nanotubes and carbon nanotubes ) will be fabricated by chemical vapor deposition or wet reduction techniques, and will be then modified by diverse naomaterials or biomolecules to enhance its detection performance such as sensitivity, selectivity and cell compatibility. Furthermore, as prepared nanoprobes will be applied to real time monitor some important life process at subcellular levels (e.g. inside single synapses and subcelluar components). The project would provide an efficient and important tool for high-spatio-temporal monitoring at subcellular level in real-time, and possibly facilitate the development of interdisciplinary research area across analytical chemistry and life science.

细胞是生命体结构与生命活动的基本单元，在单细胞及亚细胞水平上对生命活动进行实时探测是生命科学对分析化学提出的最具挑战性的问题之一。近年来纳米电化学探针因其超高的时间及空间分辨率等优异性能，在亚细胞水平实时动态探测方面发挥了重要作用。然而传统“top-down”技术制备的纳米电化学探针存在制作繁琐、表面不易修饰以及易造成细胞损伤等问题。本项目拟开发基于单根纳米管/线的纳米电化学探针。采用化学气相沉积、湿法还原等手段制备性能优异的金属、金属氧化物及复合材料纳米线/碳以及碳纳米管材料，并通过表面修饰和功能化进一步提高探针灵敏度、选择性以及细胞相容性等检测性能；在此基础上开展亚细胞水平（如神经细胞突触间隙、胞内亚细胞结构等）高时空分辨实时动态监测研究。项目实施将为亚细胞水平实时动态探测提供重要的技术及方法，并有望促进生命分析化学相关交叉研究领域的发展。

细胞是生命活动的基本单元，大量基础生命过程发生在亚细胞部位以及细胞器内部。因此，实时原位监测这些过程对于深入理解生命过程至关重要，同时也面临重大挑战。纳米电化学探针因其超高的时间及空间分辨率等优异性能，在亚细胞水平实时动态探测方面发挥了重要作用。然而传统方法制备的纳米电极存在制作繁琐、表面不易修饰以及易造成细胞损伤等问题，限制了其在亚细胞监测中的应用。. 为此，我们发展了基于导电核壳纳米线制备高性能纳米电极的新方法。采用化学气相沉积、溶液相化学还原等方法，在机械性能优异的半导体纳米线表面组装各种导电层，实现了电极材料、尺寸以及性能的高效调控，突破了纳米电极制备材料种类和方法的局限。进一步利用物理吸附、静电组装及共价键合等原理，通过精确控制固液界面，可控构建了贵金属纳米颗粒、碳纳米材料、导电聚合物和生物酶等局域功能化的纳米电化学传感器，在单细胞及亚细胞水平实现了多种活性分子的高时空分辨实时动态监测，并在吞噬溶酶体活性氧动态平衡、天然产物促进囊泡释放以及神经递质谷氨酸亚量子释放等方面取得一些新发现，在细胞水平提升了对这些生命过程的认识。. 项目执行以来，在Angew. Chem. Int. Ed.(5), Adv. Sci.(1), Chem. Sci.(2), Anal. Chem.(6) 等期刊发表SCI论文23篇。受邀在国内外学术会议作大会及特邀报告30次。发展和建立的纳米电化学胞内探测方法可望为深入研究生理和病理过程、揭示疾病发生发展机制、促进药物筛选进程等领域提供新思路和检测手段。