基于原子力显微镜(AFM)的细胞黏弹特性测量与分析

细胞机械特性在细胞生理病理变化过程中起着重要指示作用,对其进行研究有助于了解生命活动奥秘以及疾病发生发展的内在机理.原子力显微镜(AFM)的发明为单细胞机械特性研究提供了新的技术手段,给细胞力学及癌症等重大疾病带来了大量新的认识.然而现有AFM细胞机械特性探测主要集中在细胞弹性特性,对细胞黏弹特性进行的研究和分析还较为缺乏.本文基于AFM开展了细胞黏弹特性测量和分析研究.首先建立了基于AFM单细胞压痕技术的细胞黏弹特性探测方法,基于此实现了对6种不同类型细胞(包括贴壁细胞、悬浮细胞、正常细胞、癌细胞、细胞系和原代细胞等)黏弹特性(松弛时间)的测量与表征,随后对测量结果进行回归分析揭示出细胞1阶松弛时间和2阶松弛时间之间的关联.研究结果加深了人们对细胞黏弹特性的认识,为单细胞机械特性研究提供了新的思路.     

AFM单分子力谱技术测量膜蛋白力学特性的研究进展

膜蛋白在细胞生理活动中起着关键性的作用,是大部分药物的作用靶点.对膜蛋白进行研究不仅对理解生命活动的本质有着重要的价值,还可为疾病治疗和医药研发带来帮助.原子力显微镜(AFM)的出现为研究膜蛋白的结构提供了一种新的技术手段.AFM不仅可以对单个天然态膜蛋白分子的形貌结构进行高分辨率成像,同时还可通过将配体分子修饰到AFM针尖,利用单分子力谱(SMFS)技术对膜蛋白生理功能与活动行为(如配体结合、解折叠)中的力学特性进行直接测量,使得人们可以从分子生物力学方面来认识膜蛋白的结构和功能,是对传统结构生物学方法得到的蛋白质静态三维结构的重要补充.SMFS技术在测量膜蛋白力学特性方面取得了巨大的成功,为生命科学和医药卫生领域相关问题的解决提供了新的思路.本文结合作者在AFM病理瘤细胞表面抗体-抗原相互作用力测量方面的研究工作,介绍了SMFS技术的原理与方法,总结了近年来应用SMFS技术研究膜蛋白力学特性的进展,讨论了SMFS技术面临的挑战.     

基于AFM 单分子力谱技术的CD20-Rituximab 间相互作用力测量

原子力显微镜(AFM)的发明为测量分子间特异性相互作用力提供了新的技术手段.利用AFM 单分子力谱 (SMFS) 技术分别测量了提纯的CD20, 淋巴瘤Raji 细胞表面的CD20 和淋巴瘤病人B 细胞表面的CD20 与Rituximab (抗CD20 单克隆抗体)之间的相互作用力. 通过探针功能化技术, 将Rituximab 连接到AFM针尖; 通过基底功能化技术, 将提纯的CD20分子吸附到云母表面, 对CD20分子进行了AFM成像, 并测量了CD20与Rituximab 之间的相互作用力; 通过静电吸附和化学固定, 将淋巴瘤Raji 细胞和淋巴瘤病人细胞固定到载玻片表面, 对Raji 细胞和病人细胞进行了AFM 成像, 并分别测量了Raji 细胞表面的CD20 和病人B 细胞表面的CD20 与Rituximab 之间的相互作用力. 比较并分析了在提纯的CD20 分子表面、Raji 细胞表面和病人B 细胞表面测量CD20-Rituximab 相互作用力的差异,实验结果表明Raji 细胞表面的CD20 与Rituximab 之间的相互作用力明显小于提纯的CD20 以及淋巴瘤病人B 细胞表面的CD20 与Rituximab 之间的相互作用力, 为深入研究造成Rituximab 耐药性差异的分子机理提供了技术思路和实验方法.     

快速与精确的AFM探针模型重构研究

在AFM扫描成像中,由于探针具有展宽效应等因素,导致扫描图像失真.从数学形态学角度看,可以认为真实图像失真是受到了探针针尖形貌卷积的作用,因而不能反映样品表面的真实形貌.采用反卷积运算处理可以排除这类扫描成像干扰,但需要准确知道探针针尖形貌,这对于AFM纳米扫描图像的精确重构具有实际意义.在已有的探针建模算法中,基于数学形态学的盲建模算法得到了广泛使用,然而该算法存在运算时间较长,最优降噪门限阈值很难确定等问题.针对这些问题,提出一种新的盲建模方法,可以提高盲建模运算速度,并且实现AFM扫描图像的精确重构.仿真和实验结果证明了上述研究方法的可行性和有效性.     

快速与精确的AFM探针模型重构研究

在AFM扫描成像中, 由于探针具有展宽效应等因素, 导致扫描图像失真. 从数学形态学角度看, 可以认为真实图像失真是受到了探针针尖形貌卷积的作用, 因而不能反映样品表面的真实形貌. 采用反卷积运算处理可以排除这类扫描成像干扰, 但需要准确知道探针针尖形貌, 这对于AFM纳米扫描图像的精确重构具有实际意义. 在已有的探针建模算法中, 基于数学形态学的盲建模算法得到了广泛使用, 然而该算法存在运算时间较长, 最优降噪门限阈值很难确定等问题. 针对这些问题, 提出一种新的盲建模方法, 可以提高盲建模运算速度, 并且实现AFM扫描图像的精确重构. 仿真和实验结果证明了上述研究方法的可行性和有效性.     

生命科学用原子力显微镜之原理与应用

本文在简单介绍原子力显微镜（AFM）成像原理及其特点的基础上，主要从AFM对核酸、蛋白质和细胞微生物的表面特性、内部结构、分子细胞间的相互作用及其动态观察、单分子操纵以及分子识别等方面的应用加以举例介绍。随着科学技术的发展，AFM的不断改进与完善，AFM必将成为生命科学研究的重要手段之一。     

基于L_(1/2)正则化理论的稀疏雷达成像

稀疏雷达成像旨在远低于奈奎斯特率采样下对稀疏场景实施高分辨率微波成像.本文概述作者在解决这一问题上的系统探索与创新实践.核心贡献包括:提出L_(1/2)正则化理论作为新的稀疏雷达成像理论,提出不直接基于雷达观测而基于雷达回波模拟算子重构的稀疏雷达成像新模型,提出以3D相变图分析为依据的稀疏雷达成像系统设计方法等.根据新的理论、模型和设计方法,研制了首部稀疏雷达原理样机并开展了机载实验.实验验证了所提新理论、新模型与新方法的正确性和可行性,展示广阔应用前景.     

针孔SPECT成像完全三维图像重建的研究

依托自行研制的一台高分辨率小动物单光子发射型计算机体层成像系统(Micro- SPECT), 开发针孔SPECT成像的完全三维图像重建技术. 该研究包括: 针孔SPECT成像的投影算子推导及其在Radon空间的采样特性分析; 有效的系统几何参数校正方法; 适用于圆轨道和螺旋轨道扫描的三维图像重建算法及定量补偿方法的实现. 为验证开发的完全三维图像重建技术, 进行了相应的计算机模拟成像、模具成像及小鼠成像实验, 并对结果进行了讨论. 计算机模拟和模具及小鼠成像实验显示: 跟基于解析求逆理论的近似图像重建算法FDK相比, 基于统计理论的三维迭代图像重建算法结合有效的系统响应补偿方法, 能够显著地改善重建图像质量和提高系统成像分辨率; 螺旋轨道扫描的针孔SPECT成像技术可以有效地克服常规圆轨道扫描成像的局限性, 扩大成像系统的轴向视野, 提供相对完备的锥形束投影采样空间, 实现高分辨率的全身小动物SPECT成像. 实验结果表明我们开发的完全三维图像重建方法与技术是切实有效的, 达到了预期的目的, 可以较容易地推广应用于多针孔SPECT成像的三维图像重建.     

基于原子力显微镜微切削加工技术的癌细胞内部弹性模量计算

癌细胞机械力学特性的测量为癌症的诊断、预防、治疗、病变机理等方面的研究提供全新的手段和巨大的潜在空间.本文建立细胞和针尖之间的接触压力和针尖在细胞上切入深度的计算模型,利用原子力显微镜(AFM)单晶硅针尖对固定的卵巢癌细胞(UACC1598)和结肠癌细胞(NCI-H716)进行微切削逐层去除.结果表明:由于不同细胞的结构和机械性质的差异,相同的加载力对不同的细胞材料进行切削加工时,细胞和针尖之间的接触压力和针尖在细胞上的切入深度差异较大.细胞表面微切削去除范围为8m×8m,在细胞上逐层去除材料时的加载力从17.523到32.126N逐渐增大,去除后对每层不同位置进行弹性模量测量,得到细胞内部弹性模量分布,细胞内部弹性模量与细胞表面弹性模量差分别为卵巢癌细胞0.288±0.08kPa,结肠癌细胞0.376±0.16kPa.用这种微切削去除方法可以测量细胞内部细胞骨架细胞器等各结构的力学特性,为疾病的诊断和治疗提供更精确的实验数据.     

仿生水凝胶结构特性的超分辨率荧光成像

基于聚异氰缩氨酸合成的热功能化的仿生水凝胶具有与细胞骨架中的肌动蛋白丝、中间丝相同的结构特性,在生物医学领域中具有广阔的应用前景.本文将荧光探针分子ALEXA647标记在仿生水凝胶的聚合物链上,利用全内反射荧光显微镜进行荧光成像,并采用超分辨率光学波动成像的方法(SOFI)对仿生水凝胶的荧光成像进行超分辨率成像分析.通过SOFI成像及反卷积处理获得了高分辨率、高信噪比和高对比度的仿生水凝胶荧光成像.SOFI成像使得水凝胶的网状结构和各聚合链之间的绑定方式实现了可视化,研究发现较高的聚合物链溶液浓度不会形成更粗的聚合链绑定,而是使绑定形成的网状结构的孔径更小.另外观测了溶液环境下的仿生水凝胶的特性.     

第一性原理分子动力学计算核幔边界条件下Ni的结构和动力学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学计算了在地幔与外地核(核幔)边界条件下Ni的结构和动力学, 发现在核幔条件(4000 K, 139 GPa)下, Ni是一种液态结构. 常压下液态Ni的原子排列主要是二十面体序, 在压强的作用下, 二十面体序有一个增加的过程, 当压强大于68 GPa后, 二十面体序的增强过程发生逆转, 大量的完整二十面体结构受到破坏, 缺陷二十面体急剧增加. 核幔边界条件下的液态Ni形成了一种由完整二十面体、缺陷二十面体、面心以及密排六方等其他原子排列方式并存的复杂结构. 我们计算了液态Ni的扩散系数, 其数量级大约为10^-9 m²/s, 与相应条件下Fe的扩散系数的数量级相同. 由于核幔边界条件下的高压作用, 液态Ni原子比常压和低压下的Ni原子扩散得更慢, 且在弛豫过程中出现了β弛豫.     

基于AFM纳米机械刻划加工纳米结构及应用

原子力显微镜(AFM)是具有纳米级精度的检测设备，同时可应用于纳米结构的加工。AFM纳米加工已经成为微纳结构加工的有效方法之一，可广泛地应用于机械、物理、化学和生物医学等领域。文章首先简要介绍传统微纳加工方法，并对基于AFM的纳米机械加工方法进行详细介绍并分析了其相对优势；然后介绍了AFM加工得到的纳米沟槽和纳米点阵等结构在纳流控及拉曼检测等领域的应用，并对其未来的发展方向进行展望。综述展示了AFM纳米机械加工的应用潜力，为相关领域的研究提供了一种简单、可行的纳米加工方法。     

计算机模拟技术在航空发动机涡轮叶片制造中的应用

航空发动机涡轮叶片结构复杂,制造工艺繁琐,在高温高压环境下服役需要使用特殊的材料——单晶高温合金。随着叶片几何结构的日趋复杂(如空心、薄壁等),单纯依靠经验和实验进行叶片研制和工艺开发已经落后于时代的要求,而模拟仿真技术不仅能够计算凝固过程中的各项参数,极大地丰富研发手段,而且能够精准、高效、可视化地分别针对缺陷、性能进行预测和优化,从而达到工艺-组织-性能相耦合的多尺度、全流程模拟的目标。     

高压烧结致密非晶SiBCN块体陶瓷的组织结构演化与力学性能

非晶SiBCN陶瓷是一类独特的结构材料，具有低比重、高比强度、优异的高温损伤容限等特殊结构和性能，因此在高温防热结构部件上极具应用潜力。通过合理的结构与化学成分协同设计，可探索陶瓷形貌/微观结构演化及断裂行为的基本特征，从而进一步提高其力学性能，以满足实际应用需求。因此，文章以石墨、六方氮化硼、立方硅和硼等元素粉末为原料，提出了采用机械合金化结合高压烧结技术(1 000 ^oC/3~5 GPa/30 min)制备致密非晶Si₂ByC₂N(y=1.5~4)块体陶瓷的方法。通过XRD、SEM、TEM、TG等表征手段，研究了烧结压力诱导该系非晶陶瓷的组织结构演化、相变及热稳定性，并对其力学性能，特别是断裂行为进行了详细讨论。结果表明，提高烧结压力促使陶瓷基体由完全非晶态向晶态转变，部分块体陶瓷由大量非晶相、少量c-Si和/或t-BN(C)纳米晶相组成，显示出依赖于硼含量的物相组成。高压烧结有效地促进了陶瓷的烧结致密化，导致材料内自由体积的湮灭和“河流状”断裂形貌的产生。随着烧结压力的提高，陶瓷材料的体积密度、纳米硬度和杨氏模量单调增加。在相同烧结条件下，硼含量的增加削弱了非晶Si₂ByC₂N(y=1.5~4)块体陶瓷的力学性能和热稳定性。1 000 °C/5 GPa/30 min烧结制备的致密非晶Si₂B_1.5C₂N块体陶瓷的体积密度、纳米硬度和杨氏模量分别为2.69 g/cm³、33.6±2.2GPa和414.2±16.5 GPa。     

封端率对PTMG型聚氨酯胶黏剂性能的影响

文章研究了用PTMG（聚四氢呋喃）、TDI（甲苯二异氰酸酯）,并用氨丙基三甲氧基硅烷（A-1110）封端合成PU（聚氨酯）胶黏剂。在合成过程中采用其他相关条件不变,仅改变封端率来制的系列胶膜,测试了胶膜的吸水率、力学性能、耐热性能。同时还运用透射电镜、红外光谱对所合成的材料进行了表征,实验结果表明：可知PU胶黏剂中已成功地引入了硅链节,较佳的封端率为5％-10％。     

退火与“机械退火”对金属玻璃结构和力学性能的影响

金属玻璃是一种新型亚稳态金属材料,具有一系列优良的物理、化学和力学性能。然而在高温或室温长期使用条件下,金属玻璃易于转变为更稳定、更低能量状态的晶体材料,已成为限制其广泛应用的瓶颈之一。研究金属玻璃的退火对其结构、力学性能的影响具有重要的意义。文章综述了常规退火与"机械退火"对大块金属玻璃的结构和力学性能的影响。研究发现:在玻璃化转变温度以下退火时,密度、剪切波速度、纵波速度和弹性模量随退火时间的增加而增加,这是由于在结构上不同程度的原子重排所致;大块金属玻璃在低于屈服强度的恒定应力下"机械退火"密度增加;卸载载荷室温下时效处理超过30天后,屈服强度和断裂强度均降低,并且在塑性阶段锯齿状塑性流动的幅度增加。这个结果可能对于深入理解大块金属玻璃的结构和塑性变形具有一定的指导作用。     

HARDOX450焊达耐磨钢板在刮板输送机上的应用

由于刮板输送机在井下工作,条件非常恶劣,所以就设备耐磨性能而言选材非常关键,即中部槽数量多,中板是易损件和关键件,选用HARDOX450焊达耐磨钢板,通过对其力学性能、可焊性及加工性能进行试验分析,能完全达到要求。     

a-SiN:H薄膜的对靶溅射沉积及微结构特性研究

采用对靶磁控反应溅射技术以N₂和H₂为反应气体在硅(100)和石英衬底上制备了氢化非晶氮化硅(a-SiN:H)薄膜. 利用台阶仪、原子力显微镜、紫外-可见(UV-VIS)光吸收和傅里叶红外透射光谱(FTIR)对薄膜沉积速率、微观结构及键合特性进行了分析. 结果表明, 利用等离子反应溅射可在较低衬底温度条件下(T_s<250℃)实现低表面粗糙度和高光学透过率的a-SiN:H薄膜制备. 增加衬底温度可使薄膜厚度减小, 薄膜光学带隙Eg提高, 薄膜无序度减小. FTIR分析结果表明, 薄膜主要以Si-N, Si-H和N-H键合结构存在, 随衬底温度增加, 薄膜中的键合氢含量减小, 而整体键密度和Si-N键密度增加. 该微观结构和光学特性的调整可归因衬底温度升高所引起的衬底表面原子迁移率和反应速率的增加.     

[Hg(SCN)4]2-与蛋白质相互作用的共振瑞利散射光谱及其分析应用

在pH 1.0~4.5 的稀硫酸介质中, [Hg(SCN)₄]^2-配阴离子与人血清白蛋白(HSA)、α-糜蛋白 酶(α-Chy)、牛血清白蛋白(BSA)、溶菌酶(Lyso)和γ-球蛋白(γ-G)等蛋白质反应形成复合物, 此 时将导致共振瑞利散射(RRS)的显著增强, 也能引起吸收光谱的变化和荧光猝灭, 同时还观察 到圆二色(CD)光谱特征的改变. 本文主要研究[Hg(SCN)₄]^2-蛋白质复合物的RRS 光谱特征、适 宜的反应条件和影响因素, 以及分析化学性质, 并以[Hg(SCN)₄]^2-Lyso 体系为例, 结合吸收、荧 光和圆二色光谱的变化, 对复合物的结合位点、结合模式以及散射增强的原因进行了讨论. RRS 法具有较高的灵敏度, 它对不同蛋白质的检出限在4.6~10.8 ng/mL 之间, 据此建立了 以[Hg(SCN)₄]^2-配阴离子作探针测定人血液和尿液中蛋白质的新方法.