*本文只做阅读笔记分享*
一、研究背景
嘿,大家好!在材料科学的研究里,有个超厉害的技术——活体结晶驱动自组装(CDSA),它能造出超复杂又均匀的聚合物微观结构,在好多领域都大有用处!可大家一直不太清楚怎么精准控制这个自组装过程。
最近,科学家们找到了个好办法,用干涉散射(iSCAT)显微镜来实时观察,这到底是怎么做到的呢?咱们一起去瞧瞧!
二、CDSA技术原理与意义
CDSA是通过从均匀的晶种开始生长,实现复杂纳米结构的自组装。就好比搭积木,从一个固定的起点开始,一点点搭出超复杂的造型。这种技术能做出各种复杂的纳米结构,在药物递送、胶体稳定、催化、光电子学和信息存储等好多领域都发挥着关键作用。
但要想把CDSA的潜力都挖掘出来,就得搞清楚这些纳米粒子是怎么生长的,以及怎么控制这个自组装过程。
三、现有研究方法的局限
以前研究CDSA大多是通过整体性质来推测动力学,像光散射只能知道CDSA胶束的平均大小,没办法了解单个纳米粒子生长的差异,也没法直接知道粒子的形态。
透射电子显微镜(TEM)虽然常用,但只能拍个“快照”,记录粒子生长时的大小分布,没办法追踪单个纳米粒子的变化。
还有溶液相原子力显微镜(AFM),会有尖端诱导纳米纤维断裂的问题;荧光显微镜虽然能观察,但需要标记,还会影响CDSA的动力学,而且空间分辨率也有限。
这些方法都有各自的不足,所以急需新方法。
四、iSCAT显微镜介绍及应用优势
为了解决这些问题,科学家们把iSCAT显微镜用到了CDSA的研究里。
iSCAT是一种不需要标记的技术,能达到单分子分辨率。它的原理是利用物体散射光和玻璃-样品界面反射光的干涉。
和传统干涉法相比,它对环境要求没那么高,能在不太严格控制的环境下工作,而且横向和轴向分辨率都不错,还能达到很高的时间分辨率,长时间观察也不会出现光漂白的情况。基于这些优势,科学家们觉得它能在CDSA研究里发挥大作用。
五、iSCAT显微镜在CDSA研究中的实验应用
5.1 实时监测活体CDSA
实验开始啦!科学家们先把聚(ε-己内酯)-b-聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)(PCL-b-PDMA)的多分散纤维变成均匀的种子,再通过旋涂把种子固定在盖玻片上,加上反应腔,准备好就可以开始实验。往反应腔里加入单体溶液,用iSCAT显微镜实时观察。
在观察1D纤维生长时,能看到单体加入后,纤维均匀地伸长;观察2D血小板生长时,能看到六边形的血小板在表面出现,还会随着反应长大。而且,在血小板生长早期,虽然它的尺寸小于衍射极限,但通过粒子对比度的变化也能知道它的生长情况。
5.2 与其他表征方法的比较
为了看看iSCAT显微镜靠不靠谱,科学家们把它和AFM、TEM、CLSM这些传统方法做了对比。
他们用这些方法分别对荧光标记的血小板进行测量,发现iSCAT显微镜得到的血小板形态和面积信息和其他方法差不多。
不过,血小板形成速度很快,AFM、TEM、CLSM有时候都跟不上它的变化速度。
5.3 血小板生长动力学研究
科学家们为了搞清楚CDSA的动力学,用了一种新的动力学模型。通过这个模型,他们研究了单体浓度、种子浓度和溶剂条件对血小板生长的影响。
结果发现,单体浓度越高,血小板长得越快,最后面积也越大;种子浓度越高,血小板最终尺寸越小;加入四氢呋喃(THF)这种溶剂,会抑制血小板生长,而且还会影响它的形状。总的来说,这个模型能很好地解释实验观察到的现象。
5.4 通过边缘导向血小板生长进行顺序成分控制
iSCAT显微镜对物体厚度和折射率的变化特别敏感,利用这个特点,科学家们研究了多环血小板的形成。他们通过依次添加不同的单体,做出了多环血小板。
实验发现,不同组成的环在iSCAT显微镜下的对比度不一样,这是因为聚合物组成不同,导致折射率和厚度有差异。
而且,通过观察多环血小板的生长,还能发现不同环的生长动力学不一样,这就说明iSCAT显微镜不仅能看到尺寸和形态信息,还能探测到纳米级的表面信息。
六、研究总结与展望
这次研究用iSCAT显微镜成功观察了CDSA的过程,得到了很多有用的信息,像CDSA动力学和各种因素的关系,还有多环血小板的生长情况。不过,iSCAT显微镜也有一些局限,比如视野有限,只能在表面附近研究。但它还是很有潜力的,未来通过改进方法,说不定能在更复杂的CDSA过程研究里发挥更大的作用。希望以后科学家们能利用这些发现,更好地控制CDSA,做出更厉害的纳米材料!
七、一起来做做题吧
参考文献:
Guo, Y., et al. Real-time label-free imaging of living crystallization-driven self-assembly. Nat Commun 16, 2672 (2025).
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