单细胞、单分子的分析现状与发展趋势-孙国权

单细胞、单分子分析现状与发展趋势

姓名：孙国权班级：应化1002班学号：2010310200205

摘要：本文主要就目前单细胞、单分子的分析检测技术与发展趋势作简要评述。并分别概括近些年来在单细胞和单分子分析的方法，比如扫描探针、光学检测技术等主流方法。此外，本文还会对未来几年单细胞与单分子的分析法的发展趋势进行评述。

关键词：单细胞单分子分析趋势应用

一、发展背景

目前，人们对单分子的检测、操纵技术所取得的令人瞩目的成果使人们从微米尺度的加工技术跨入到纳米尺度和原子尺度中，对各种学科的研究发展有着重要你的意义。此外，21世纪是生命科学大发展的世纪，生命科学与分析化学息息相关，生命科学的发展都是由分析化学所推动的。生命科学为分析化学提供大量丰富的课题比如核酸、蛋白质、多肽等生物大分子的测定，以及许多超痕量、超微量的生物活性物质的测定，比如细胞分析。细胞是生物体的基本单元，各种生命运动都是在细胞内进行的，因而对单细胞的分析是很有意义的。下面开始对单分子、单细胞分析法进行评述和概括，并展望未来分析法的发展趋势。

二、发展内容

一、单分子分析法

单分子分析技术作为化学分析的最终目标和研究单量子体系最直接的方法，已经引起了化学家、物理学家和生物学家的关注。单分子检测有很重要的意义。一方面，对于非均相体系，单分子实验可得到分子性质分部信息，并对它们进行识别、分类和定性描述；另一方面，对于均相和非均相体系单分子轨迹直接记录了分子的涨落，包含丰富的动力学和热力学信息。此外，单分子检测还可以检测生物大分子，得到相关分子结构和性质等重要信息。接下来就从固态介质和液态介质两种不同的单分子检测来讲述其中所应用的方法。

1.固相介质的单分子分析法

河南大学的王献伟、张玲从固体介质中、干燥表面和非水溶性聚合物三种不同的界面来对固相介质的单分子分析法进行总结。在固体介质中，低温固相单分子检测技术是一种高空间分辨率的光谱检测法，它可以记录下少量固体样品的荧光激发光谱；在干燥表面体系里，

主要用于近场、远场扫描光学显微中，由此固定的单个荧光基团可以在常态下观察，从而使的整个荧光单分子检测取得显著进展；在非水溶性聚合物体系中，人们使用近场扫描光学显微检测法，可以检测到聚合物膜中单分子的荧光。虽说在以上三种体系中均可获得单分子在不同环境中的有用信息，但是不适用于生物单分子的检测，需要另寻新的检测法。

2.液相介质的单分子分析法

在水溶液体系中，Moerner小组采用聚丙烯酰胺凝胶来减弱单分子的布朗运动，从而控制单分子在溶液的行为，进而可以研究单分子的结构、性质。目前在水溶液中可以检测到单个的荧元素，但在生物体系中对核酸和碱基的检测仍是比较弱的。吉林大学的林障碧等人就本法进行了概括，总结得出利用探针标记的方法可使分子保持原有活性，目前主要的方法有有机染料分子和纳米粒子两种探针。其中，通过标记在大分子上的单个荧光探针的研究，还可以得到如分子结构动力学、反应动力学、分子结构作用和分子的自由运动等方面的信息。此外，目前已有三种纳米粒子作为单分子的标记物，其中包括具有光学活性的金属纳米粒子、荧光纳米球乳液和发光量子点。这些材料很好地取代了有机荧光基团信号强度低、化学稳定性差、易分解等缺陷。

除以上介绍的在固相介质和液相介质中的单分子分析法外，电化学检测和光化学检测也广泛应用于单分子检测当中，为单分子的研究提供很好的思路。

二、单细胞分析法

武汉大学的李桦等人就生物大分子、单细胞的分析方法作了相应的概述。总的来说生物单分子（单细胞）的分析方法主要有：激光诱导荧光法，化学发光法，表面增强拉曼光谱法；电化学检测法；生物力学工具包括有：光学镊子、磁性镊子和原子力显微镜。而在这些方法中对激光诱导荧光法和生物力学工具的报道最多。下面就以上涉及的几种方法进行介绍。

1.激光诱导荧光法

早在上世纪70年代，Herchferd等人就展开了在生理条件下测定生物单分子的方法研究，他们检测到80~100个单分子抗体。80年代，Keller小组利用流体聚焦法来改善被测分子的检出限。直至90年代才第一次实现生物相关的单个荧光基团的检测。通过测定连接到大分子上的荧光基团的性质，可以得到生物大分子许多重要的性质，比如分子间相互作用，分子构象等。我们还可按照荧光信号的不同识别方法，可以分为定位法，荧光淬灭法，荧光偏振

反应法和荧光共振能量转移法四种方法。

2.激光拉曼光谱法

用激光拉曼光谱研究单分子是近年来的出现的一种新的检测技术。1997年Kneipp等人用表面增强喇曼光谱法首次观察到了银溶胶缓冲液中单个结晶紫分子的拉曼散射光谱。1998年Kneipp等用近红外激光诱导的表面增强喇曼光谱，在银溶胶缓冲液中检测到了单分子的花菁染料。

3.生物力学工具

生物力学工具，其中包括：光学镊子和磁性镊子，原子力显微镜等。光学镊子已用来研究单个Kinesin分子沿着微管运动的轨迹，yanagidada小组用光学镊子观察到了单个肌球蛋白分子与肌动蛋白分子的结合后所引起的构象变化，且发现这种构象变化与A TP水解有关；Ishijima小组的单分子光学镊子实验发现肌球蛋白分子与肌动蛋白分子的结合与解离的每一个周期循环，即伴随着一个A TP分子的更新，光学镊子已用于观察单个免疫球蛋白分子的去折叠过程；磁性镊子已用来研究与DNA超螺旋解旋有关的单个拓朴异构酶分子的活性、研究由单个DNA多聚酶作用的DNA的延伸反应。

除了以上所介绍的方法以外，目前世界各国许多研究组对单细胞分析深入研究，并取得不错的成绩。国内的程介克研究组，慈云祥研究组的单细胞分析研究工作比较突出，且目前的单细胞分析法有微柱法，微电极法，流式细胞技术，单细胞凝胶电泳和荧光分析法。

三、未来展望

生物单分子检测是一项极富有挑战性的前沿研究课题。目前在技术上还有许多问题。如：需改善荧光染料的光化学和光物理学性质、改进染料与生物分子偶联的技术，需研制出能够进行蛋白质专一性标记的荧光探针。但其在化学、生物、天文学、材料学和医学上有很大的意义。不管如何，单细胞分析和单分子分析是相互联系，相互作用的。其二者的最终目的均是服务于生命科学，并由生命科学推动科学社会的发展。

参考文献：

[1].林障碧,苏星光等,吉林大学化学学院,单分子光谱检测法的新进展,2003.6

[2].王献伟,张玲,河南大学,单分子检测技术的发展现状及展望,2005.11

[3].袁倬斌,王亮等,中国科学院研究生院应用化学研究所,北京,有机分子的研究进展____单分子,单细胞与单原子的分析进展,2001.11