Small Methods:超分辨荧光成像在材料学中的应用

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德国亚琛工业大学教授Dominik Wöll和西班牙马德里高级研究所的课题组长Cristina Flors在Small Methods上发表了最新关于利用超分辨荧光成像研究材料学的综述。文章中概述了不同超分辨成像技术的原理,在材料学领域目前取得的最新进展,以及面临的挑战。

近年来发展的超分辨显微镜能达到十几到几十纳米的分辨率,填补了普通荧光显微镜和电子显微镜、扫描探针显微镜之间的分辨率差距,为揭示材料的新结构和新性能提供了良好的工具。不过在过去的十年中,这一技术主要被广泛应用于生命科学和生物医药领域,在材料学中的使用起步稍晚。因此,作者重点综述了超分辨荧光显微镜在各类型材料中的典型应用,并强调了使用中需要引入的修饰方法,这与普通的应用于生命科学领域的方法是有差别的。首先是荧光染料的选择,除了依赖于不同的超分辨技术和成像溶液体系,还要考虑到材料的非极性和无水环境特点。鉴于此,目前开发的染料主要分为:(1)以二芳烯和螺吡喃为生色团的光转换染料;(2)不可逆的光激活染料;(3)氮空位的金刚石;(4)免标记方法。然后,作者详细介绍了超分辨荧光显微镜对阐明聚合物纳米尺度性质的重要贡献,包括嵌段共聚物和高分子共混物、聚合物微米/纳米胶体和纳米颗粒、共轭聚合物、纳米纤维和聚合物表面等。接着,作者讲述了超分辨显微镜在催化材料方面的应用,具体涵盖了酸碱催化剂、氧化还原催化剂、光催化剂和电催化剂。该技术不仅能够研究材料的催化活性,还能给出其他的相关催化性质信息,如催化剂的选择性,溶剂对催化活性的影响,以及扩散性质等。此外,对典型的胶态晶体、悬浮的单壁碳纳米管、石墨烯、有机金属卤化物的钙钛矿和聚二甲基硅氧烷等常用材料,超分辨显微镜也展示了其他成像手段不可比拟的高时空分辨率,对于动态信息的记录具有显著优势。最后,作者还列举了一些超分辨成像技术在生物和材料科学交叉领域中的研究进展,像聚合物胶囊的胞内变形、纳米颗粒的内吞和生物矿化等。

总之,超分辨荧光显微镜在已成熟的技术方法上对材料科学提供了新的见解。大量不同的成像方法正在被开发以适用不同类型的材料研究,从柔性聚合物到无机结构,这些方法以后也极有可能被用到生物系统中。而且联用显微镜将成为纳米尺度成像的发展趋势,这一互补技术将提高人们对材料纳米结构和功能的全面认识。相关文章发表在Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.201700191)上。