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ICM综述 | 中国科学院长春应化所徐维林研究员团队:全内反射荧光显微镜(TIRFM)在纳米催化领域的应用指南
2023-12-5 18:01
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  • 文章导读

 提高表征技术的时空分辨率以深入研究一些重要的科学问题,是当今科学研究的重要趋势。2014年诺贝尔化学奖给了三个物理学家:艾力克·贝齐格(Eric Betzig)、斯特凡·W·赫尔(Stefan W. Hell)和W·E·莫纳(W. E. Moerner),以表彰他们对于发展超分辨率荧光显微镜做出的卓越贡献。他们的突破性工作使光学显微技术进入了纳米尺度,从而使科学家们能够观察到活细胞中不同分子在纳米尺度上的运动。近年来一些新兴高分辨表征手段也被用于深入了解催化反应的微观过程。其中,全内反射荧光显微镜技术(TIRFM)在纳米催化领域的应用代表了荧光显微技术发展的一个重要变革

中国科学院长春应用化学研究所徐维林研究员团队发表在Industrial Chemistry & Materials的综述简述了TIRFM的发展历史及基本原理,并从TIRFM在纳米催化反应动力学分析和纳米催化剂超分辨成像两方面的应用进行了系统论述。在纳米催化反应动力学分析方面,它可以量化特定的纳米催化反应,监测纳米颗粒催化动力学的变化,揭示单分子水平的结构-性能关系。在纳米催化剂超分辨成像应用方面,它可以通过获得超分辨率图形,揭示纳米催化剂的结构,为深入了解纳米催化剂提供新的视角。最后,对TIRFM技术与其他显微技术(如SEM、TEM和AFM)的联用优缺点进行了分析,对TIRFM技术在纳米催化领域的机遇与挑战进行了总结与展望。

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图文摘要

  • 关于TIRFM

 全内反射荧光显微镜(Total Internal Reflection Fluorescence Microscope, TIRFM) 是利用在高折射率和低折射率介质边界处诱导的隐失波,选择性地激发样品表面-个波长内的荧光团。由于隐失波呈指数衰减的特性,只有极靠近全反射面的样品的荧光才会被激发,这大大降低了背景光噪声对样品观测的干扰,因此,研究者更容易获得可靠的和高质量的测试数据。将全内反射荧光( TIRF )与快速荧光共振能量转移(FRET)技术相结合,可分析单分子结构、荧光成像或延时成像,生成高质量图像,从而显著提高了科学研究的效率

TIRFM系统主要有棱镜型和物镜型(图1)两种类型。棱镜型TIRFM采用棱镜产生衰逝波,并用物镜收集荧光成像。优势是系统相对简单,成本较低,信噪比相对较高;劣势是放置样品的空间受到棱镜的限制,不利于研究活细胞、组织等样本。物镜型TIRFM显微镜采用大数值孔径物镜产生衰逝波,同时采用物镜收集荧光成像。优势是样本放置方便,可与多种技术联用;其劣势是需使用高数值孔径物镜,成本相对高。目前多数TIRFM系统为物镜型,物镜型TIRFM系统主要由激光器、全内反射照明器、物镜、光电探测器和软件组成。

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图1. 物镜型TIRFM原理图

  • 核心内容

1. TIRFM在纳米催化反应动力学分析方面应用

金属纳米材料(纳米颗粒、团簇等)是开发高选择性催化剂的重要材料。纳米材料的尺寸效应决定了其优异的催化性能,利用TIRFM在单原子水平上研究纳米颗粒、团簇催化剂和单原子催化剂等的催化行为,为原子分散催化剂的构效关系提供了基本的认识。

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图2. Pt单原子催化TIRFM分析。(a)催化剂结构模型,(b)成像原理,(c)荧光信号。

2. TIRFM在纳米催化剂超分辨成像方面应用

     与动力学分析相比,超分辨率成像主要集中在纳米催化剂的结构上。最近众多的研究都报道了单/双金属纳米颗粒和等离子体纳米颗粒可以通过TIRFM进行超分辨率成像,从而产生超分辨率图形,为纳米催化剂在光/电催化领域提供了新的见解。

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图3. 单个Au纳米棒的原位超分辨成像分析。(a) Au@mSiO₂纳米棒的TEM图像,(b)荧光标记原理,

(c)单分子TIRFM成像,(d, e) 电场强度归一化为入射场强度。纳米棒是p向(d)或s向(e)。

  • 总结与展望

本文充分讨论了TIRFM作为一种实时原位检测技术的优势。但其在纳米催化领域的应用仍然存在一些技术局限。首先,TIRFM作为生物化学和化学中的现代检测方法的真正局限性在于缺乏选择性荧光探针。在生物领域有许多商业上可用的探针,但在化学领域使用的大多数探针都是非商业性的,仅在实验室中设计和合成,它们的特性(如量子产率、荧光寿命或稳定性)是否满足化学惰性和非反应性的要求也尚未得到证实。此外,实验室很难同时具备荧光探针合成和单分子荧光检测的能力。另一方面,有机荧光团的大小与催化剂相当,甚至比催化剂大。这意味着必须考虑荧光团与催化剂之间潜在的相互作用是否会影响实验结果。因此,开发适合化学领域使用的探针仍然需要大量的科学研究工作。第三,许多探针在水溶液中是稳定的,但在有机溶剂中不是稳定的,这限制了它们在有机反应中的应用。最后,许多基于探针氧化还原反应的检测缺乏对氧化还原反应是否会对研究目标产生影响的系统研究

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本文来自中国科学院长春应用化学研究所徐维林研究员团队发表在Industrial Chemistry & Materials的文章:Practical applications of total internal reflection fluorescence microscopy for nanocatalysis, https://doi.org/10.1039/D3IM00046J 

引用信息: Ind. Chem. Mater., 2023, DOI: 10.1039/D3IM00046J

  • 作者简介

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通讯作者

徐维林,中国科学院长春应用化学研究所所研究员、博士生导师。2006年博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所。先后在美国的康奈尔大学/加州大学伯克利分校/劳伦斯伯克利国家实验室从事能源催化方面的博士后研究。目前主要研究方向为能源过程及材料相关的基础与应用研究。包括单分子纳米催化,用于氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)、氢析氢反应(HER)、CO₂还原反应(CO₂RR)和氮还原反应(NRR)的功能材料的开发等。已发表学术论文400余篇,其中包括Nat. Mater.Nat. Commun.PNASJACSAdv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等国际学术期刊,H指数50(WOS)。获国家基金委优秀青年科学基金和国家杰出青年基金等项目资助。

编辑/排版:ICM编辑部

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  • 期刊简介

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