电荷是物质的一种基本物理性质，对电荷的精确测量在单纳米颗粒及单分子的研究中有着重要的作用，可以加深我们对电荷参与的化学和生物过程的理解。目前，zeta电位和表面电位滴定是对溶液中纳米颗粒表面电荷进行测量的常用方法，但前两者只能获得纳米颗粒的平均表面电荷，无法实现对纳米颗粒表面电荷动态变化的实时监测。近年来，可调谐电阻脉冲传感技术以及静电流体捕获技术已经用于对纳米颗粒或生物分子表面电荷的测定中，但是它们的检测装置以及测定过程相对较为复杂。因此，建立一种简单而方便的电荷测定方法很有必要。

最近，美国亚利桑那州立大学的陶农建教授和南京大学化学化工学院的王晖副研究员团队提出了一种基于明场光学成像技术结合傅里叶变换图像处理算法对单纳米颗粒表面电荷进行成像和测量的方法。他们通过一条柔软的聚合物链（PEG）将纳米颗粒束缚在氧化铟锡（ITO）玻璃片的表面，该纳米颗粒在交变电场的驱动下会在玻璃片表面上下振荡。纳米颗粒的图像对比度对纳米颗粒与ITO玻璃片之间的距离特别敏感，因此当纳米颗粒发生振荡时，明场图像也会发生相应的改变，实验中该动态过程可以利用明场光学成像技术和相机进行成像记录。通过对时域的明场图像序列进行快速傅里叶变换可以将散射光信号从较强的光学背景中分离出来，并可以从图像对比度随电场的变化中精确地得到单纳米颗粒表面的有效电荷。

快速傅里叶变换算法通过抑制噪声进一步增强了图像的对比度，实现了对传统明场光学显微镜难以达到的更小尺寸单纳米颗粒的清晰成像。在目前的实验条件下，他们可以对几十纳米大小的金纳米颗粒进行成像，而且检测限可达数个基元电荷量。这一高灵敏度的电荷检测方法不仅可以对不同尺寸的纳米颗粒的表面电荷进行统计分析，还可以对单纳米颗粒的表面电荷进行实时的监测和观察。最后，他们还进一步将该方法用于DNA分子与单纳米颗粒的结合研究中。本工作为单纳米颗粒的表面分子结合动力学研究提供了一个有效的工具，并为单分子成像分析打开了新的思路。

这一研究成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是南京大学博士生朱浩。

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Detection of Molecules and Charges with a Bright Field Optical Microscope

Hao Zhu, Guangzhong Ma, Zijian Wan, Hui Wang, Nongjian Tao

Anal. Chem., 2020, 92, 5904–5909, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b05750

导师介绍

陶农建

https://www.x-mol.com/university/faculty/11515