著名華裔學者崔便曉（Bianxiao Cui）和崔屹（Yi Cui）教授多年前曾是中國科技大學一起并肩苦讀的大學校友，如今兩人分別供職在美國斯坦福大學的化學系和材料科學與工程系。崔屹是一位材料科學家，主要從事蓄電池和太陽能電池的納米材料研制工作。崔便曉目前的主要研究方向是在神經元中開展單分子成像分析。近期二人共同攜手合作開發了一種新技術用于細胞內單分子檢測，相關研究論文發表在《美國科學院院刊》（PNAS）上，并獲得了著名國際期刊《自然方法學》（Nature methods）的推薦。

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“單分子成像技術的一個最大問題是它的熒光背景，”崔便曉說道：“于是我們考慮到利用納米技術提供幫助。”

目前常規的技術例如全內反射熒光顯微鏡（TIRF microscopy）是利用光線全反射后在介質另一面產生衰逝波地特性，激發熒光分子以觀察熒光標定樣品的極薄區域。因為激發光呈指數衰減的特性，使得極靠近全反射面的樣本區域會產生熒光反射，大大降低了熒光背景。然而全內反射熒光顯微鏡的一個主要的局限在于它激發的是一維的衰逝波，研究人員希望能夠找到一種方法將衰逝波限制在三維的小空間內。。

在這篇文章中，研究人員利用了一種稱之為“零模式波導” (zero mode waveguide, ZMW)的方法。目前這種方法主要運用于高通量測序中。所謂的ZMW實際上就是在一片金屬薄片上蝕刻出納米級的小孔，由于ZMW小孔的孔徑非常狹小，照射在金屬面上的光線便可被限制在小孔中。“我們的技術在某些方面與ZMW方法非常相似，”崔便曉說：“然而不同的是我們沒有采用金屬打孔，而是選擇了納米柱（nanopillar）。”

研究人員在一個金屬包覆的附著層上構筑出直徑為100-150納米的透明納米柱。由于納米柱的直徑非常的小，照射到金屬層上的光線大部分都無法通過這些納米柱。而少量的光線在通過納米柱后則生成了環繞納米柱表面的三維衰逝波。

“利用這種技術我們可以清楚地識別細胞間的界面。這為我們將激發光在空間上準確地投射到細胞內提供了可能。而當我們利用激發光照射通過胞質溶膠中表達GFP的單個細胞的納米柱時，則僅在納米位點生成了熒光斑點，”崔便曉說。

在實驗中，研究人員利用模型模擬了納米柱頂端和邊緣的光線衰減。他們估計出觀察體積大約為10-16升，遠遠小于用兩光子激發獲得的數量級。現在研究人員已在這些納米柱上培育了皮質神經元、海馬神經元、心肌細胞和大量的哺乳動物細胞系，所有的細胞系目前看起來均生長良好。“掃描電子顯微鏡的照片表明細胞看起來似乎吞沒了這些納米柱因為這些納米柱的尺寸非常小，細胞將其視為了某種細胞器，并能識別這些納米柱的大小，”崔便曉說。

盡管過去有其他研究組利用納米柱將分子呈遞至細胞，然而卻一直未能獲得明確的數據確定這些納米柱是在細胞內或是胞外發光。掃描電子顯微鏡的照片表明細胞看起來似乎吞沒了這些納米柱，但目前的分辨率還不足以確定納米柱和細胞質之間是否還存在包膜。這尚待研究人員進一步研究檢測。

目前，崔便曉和她的實驗室成員正在利用這些納米柱開展實驗研究細胞中的單分子行為。

作者簡介：

崔便曉

崔便曉教授是現美國能源部長朱棣文的學生，曾在他的試驗室工作六年。她1998年畢業于中國科技大學，2003年獲得美國芝加哥大學化學博士學位，隨后進入美國斯坦福大學。

崔便曉教授已經獲得多個學術大獎，其中包括：2002年Elizabeth Norton杰出化學研究獎、2006年美國國家衛生院獨立成就獎（NIH Pathway to Independence Career Award）、2008年Dreyfus新教授獎及2009年Searle學者獎。她的研究專注在透過模擬及觀察個別分子在活細胞中狀態以了解神經原的訊號的傳遞。

崔屹

1998年畢業于中國科技大學，并于當年進入哈佛大學深造，師從世界納米權威之一的里柏教授。曾于2001年獲得美國材料科學學會頒發的“研究生金獎”、2002年由遠見學會頒發的“納米科技杰出研究生獎”。他2002年獲得化學博士學位的同時，還獲得了柏克萊加大米勒學者獎學金。2004年入選“世界頂尖青年發明家”。

崔屹目前從事“半導體納米材料的合成性以及應用”的研究。在過去幾年中，在納米技術研究領域做出幾項突破性的研究成果，并取得幾項專利。這些專利包括：納米三極管/場效應管、納米傳感器、半導體納米材料自行排列法的應用、單電子三極管。