辐照物理装置与物理生物研究室

辐照物理装置与物理生物研究室简介

本实验室率先以离子束技术应用于农作物和微生物育种并取得了很好的成绩。现在的主要任务是发展包括细胞精确定位辐照技术、离子束育种、生物细胞无损检测等新的物理生物技术,以精确测量和研究生物体系为目的,把生物学建立在定量的物理学基础之上,从定性向定量发展,从粗略向精准发展。实验平台建设包括两个部分:荷能离子束的精确定位辐照物理平台和生物光谱平台,目的是实现辐照装置的精确控制和在线检测,发展与离子辐照相结合的光谱技术,研究生物离子辐射效应;发展生物系统的无损、痕量、定量和活体在线分析和测量技术。实验室定位于应用基础研究,为离子束诱变育种、高通量筛选、辐射生物学机理研究等提供实验及方法依据。研究内容包括单离子微束辐照技术、离子束-光谱技术、生物光谱应用和生物材料。近年来承担了国家自然科学基金、中国科学院“百人计划”、中国科学院知识创新工程重要方向项目、科学院重大装备项目、国家科技部“973”项目等。

本研究方向招收物理、生物、化学以及材料学科背景的、并有志于在这些学科交叉方向上发展的硕士、博士研究生。

一、研究方向及内容

1、离子辐照和光谱技术

发展先进的生物辐照技术,研制载能离子束、射线束等多种辐照装置,建立完善的辐照技术系统;建立离子辐照-生物光谱实验平台,包括对研究型离子束注入机和等离子体放电装置的研制和改进,实现精确控制和在线检测;在光谱测量上,发展高灵敏、高通量的在线分析和测量技术。

2、生物光谱及应用

利用生物光谱实验平台,研究生物体系在各种复杂条件下的生物学效应及其机理,包括离子辐射对生物分子、细胞和个体的作用和影响,并把光谱技术广泛应用于农业育种、工业微生物发酵、生态环境监测等。

3、生物材料

利用细胞生物学和生物化学研究手段,研究硅基、钛基植入材料界面处,材料对黏附于表面细胞的作用过程,为材料表面改性提供理论指导。

二、重要研究进展

1、离子辐照和光谱技术

依托低能离子和单离子束两大装置,每年为国内外企事业单位提供辐照实验超过100余人次,应用的项目包括自然科学基金项目、重点基金项目、973项目、863项目等。通过这些应用,使离子束辐照技术的应用延伸到高新技术领域,离子束技术已成为前沿学科的研究手段和技术路线。近年来,我们在单离子检测技术方面自主设计和研制了多种技术工作:(1) 镀膜闪烁体探测技术;(2) 光纤闪烁体探测技术;(3)光电薄膜探测技术;(4) 电离室探测技术。目前正在研制电离室探测技术,利用工作气体的透明性和有限的装置空间,将探测点放置在显微镜物镜上,离子穿透样品后,进入电离室,同时,生物样品荧光信号也能通过电离室工作气体,传送到后端信号采集系统,由此可以实现在线式检测技术。

                    

:单离子束精确定位辐照点阵图。图中亮点为单个离子定点辐照在CR39材料上产生的刻蚀印记。

同时,与核工业西南物理研究院合作研制成功一台小型低、中能离子束注入装置。该装置加速电压(10-50kV),束流(0.05-0.5mA)可精确连续可调,连续运行束流较稳定,且体积小于普通用于诱变育种的离子束装置,并克服了真空室油污染等问题,满足现阶段对于离子辐射与生物分子直接相互作用的定量化研究的需要。该装置还设置有多窗口,以便于将来进行多参数的实时在线测量,从而满足连续观察离子束与生物体作用过程等,可为离子辐射生物学领域研究提供了一个简便、可靠、实用的物理平台。

生物光谱测量技术方面,在细胞量子点荧光成像、红外光谱成像等方面也取得进展。特别是与固体物理所合作,在应用荧光和拉曼光谱在痕量、无损检测技术方面有所突破,对有机分子测量灵敏度大大提高,研究成果已在Advanced Materials、Chemical Communication等国际著名杂志上发表。

2、生物光谱及应用

2.1.应用生物光谱研究离子辐射对生物作用

综合应用吸收、荧光、红外、拉曼等光谱方法,并结合其它常规和先进的分析方法,研究多种离子辐射方式与生物体的相互作用,特别关注离子辐射与生物作用的原初物理化学过程,探索离子辐射对生命物质和活动的影响和作用机理,力图在分子水平和微观尺度上解释离子辐射的生物学效应;发展光谱分析方法,使之能迅速、准确和全面地监测到损伤的物理和化学变化过程,从而进一步加深理解离子辐射于生物体的作用机理。

2.1.1.低能离子辐射与生物小分子作用

离子辐射对构成生命的重要组成物质的蛋白质和核酸物质能够造成功能性损伤,其作用过程和机理非常复杂,如何识别并定量分析这种离子辐射损伤一直是我们要致力解决的问题之一。一个有效的途径是利用和发展生物光谱技术,拓展它在空域和时域的测量能力,使之能迅速、准确和全面地监测到损伤的物理和化学过程。因为低能离子与生物小分子的原初作用过程是基本的损伤过程和损伤效应的起点,所以研究从组成蛋白质和核酸的基本单元,即氨基酸和碱基入手,研究了低能离子注入这些样品所造成的损伤。特别地, 我们利用红外光谱技术可以定量分析keV级低能N+和Ar+注入它们固体样品所发生的化学组成变化。研究发现,低能离子注入氨基酸可导致其中的-COO-、-NH3+、苯环等基团损失并随注入离子剂量增加而加大,但在损伤过程中,各基团的损失速率并不相同。这说明低能离子注入导致氨基酸分子的降解产生各种碎片,这些碎片直接离开样品表面或合成挥发性物质如CO2、H2、NH3等形式逸出样品,但它们逸出速率并不相同。在应用光谱研究低能离子对生物小分子的直接和间接作用方面取得一些新的结果,比如,应用红外光谱研究了低能氩离子辐照碱基直接作用下的分子损伤,得到四种碱基分子对低能氩离子辐照的敏感性顺序:T>G>C>A。另外,以四种碱基(A、G、C、T)和代表性氨基酸(苯丙氨酸、半胱氨酸和酪氨酸)为例,应用多种光谱手段研究了它在直接作用、间接作用下的损伤规律,比较了不同作用下不同产物和量以及在间接作用下不同自由基对反应途径的影响。取得的结果在重要专业杂志如Nucl. Instr. and Meth. B、Radiation Physics & Chemistry、Plasma Science & Techonolgy、Radiation Protection Dosimetry等专业重要杂志上发表。

2.1.2.电离辐射损伤细胞的光谱显微成像研究

电离辐射可以诱导细胞死亡,死亡方式随电离辐射方式、剂量以及细胞种类、生长周期不同而异。一般认为辐射靶的主要细胞器为细胞核和细胞膜,但是近年来对辐射引起细胞质和蛋白质的损伤其重要性有新的认识。细胞作为一个有机体,其中生物分子如DNA、蛋白酶、糖和脂类之间关系密切,辐射对它们各自的损伤相互关联,相互作用十分复杂,而关于细胞辐射引起损伤及损伤信号传导过程的具体机制尚不清楚。新的研究思路是从分子水平,并在整个细胞的微环境中的时空关系上对各生物分子的物理化学变化加以研究,而有效的手段之一是应用光谱光学显微成像。

我们利用红外显微成像系统对辐射损伤细胞进行研究。红外光谱对生物膜比较敏感,生物膜中含蛋白质、脂类(主要是磷脂)、和糖类(糖蛋白和糖脂)组成,而红外光谱正可以有效区分这些组分,从而基于红外光谱的显微成像可以区分它们在膜中的分布。图2显示了洋葱表皮细胞中的蛋白质在高能C离子辐射前后的分布,可以很清晰看到两者分布的差别

                      

2:红外光谱成像可以显示辐射损伤的空间分布,特别注意细胞膜中蛋白质分布:

左图:重离子辐射处理前的典型洋葱表皮红外光谱成像

右图:重离子辐射处理后(50Gy)的典型洋葱表皮红外光谱成像

我们还利用荧光量子点染色细胞在激光扫描共聚焦显微镜下进行多色荧光显微成像来观测辐射损伤细胞的过程。量子点因为具有高亮性、无荧光漂白、可多色激发成像等优点,特别适合用做细胞荧光染色材料从而跟踪被染色的细胞器在电离辐照下的变化过程。图3是显示了A549细胞在α源辐照前后发生变化。

                 

图3:红外光谱成像可以显示辐射损伤的空间分布,特别注意细胞膜中蛋白质分布。

左图:A549细胞a粒子辐照前(荧光量子点染色QD565) 

右图:A549细胞a粒子辐照后(5cGy, 30min)。

2.2 生物光谱在环境、农业等其它方面的应用

应用光谱研究生物及材料性质和动力学过程,比如对溶藻活性物质的分析,对藻类及制备活性炭的吸附动力学分析,以及对用生物腐蚀法制备天然吸附剂动力学分析等。利用光谱研究物理、化学、生物因子对生物体、尤其是微生物的作用及其动力学过程, 发展微生物光谱技术,包括微生物的光谱微观成像、微生物光谱高通量筛选等。研究成果在J. Hazard. Mater.、LimnologicaDesalination等重要杂志发表。

另外,与其它研究室如植物研究室合作,致力于发展光谱特别是近红外技术在农业上的应用。红外光谱主要优点: 1) 无损检测;2) 高通量(多指标)测量,测试速度快; 3) 无污染, 费用低 (绿色环保)。面向农业需求,在良田、良种、良法、“良贮”(水分等方面控制)、“良品”(味道),这些方面都可以应用和发展光谱技术。

3、生物材料

半导体生物材料和钛合金生物材料的研究与开发一直是生物材料领域的发展重点。通常情况下,材料表面生物相容性的优劣是通过表面黏附的细胞和机体组织的多种生物学反映而体现出来的。研究表明,未经处理的硅基和钛基生物材料的表面生物相容性差,现有理论尚不能解释这些材料界面处细胞黏附不利和产生损伤的原因。我们借助细胞生物学、生物化学的研究手段对黏附于材料表面细胞的生理生化以及损伤发生过程进行研究。建立了材料表面黏附细胞DNA损伤分析方法,发现材料表面黏附细胞的DNA损伤与材料产生氧化胁迫之间的关系。使用阳极氧化-水热处理工艺制备出钛酸锶纳米管阵列,可以显著提高钛或钛合金的表面生物相容性,使用阳极氧化-磁控溅射处理工艺制备银纳米阵列可以有效防止生物荧光淬灭同时加强荧光强度。同时,还探讨了碳化硅纳米线对哺乳动物细胞内部MAPK信号转导途径的影响。上述研究在Biomaterials、ACS Nano、ACS Applied Materials and Interfaces国际杂志上发表,获得国内外学术界的广泛关注。美国化学会(ACS)在其网站上,将我们的部分研究列为研究热点(highlights, 2010)。

三、现主持和承担的项目及课题

1. 中国科学院重大装备项目:单离子束在线检测技术

2. 中国科学院“百人计划”:应用生物光谱研究离子辐射与生物体相互作用

3. 国家自然科学基金: 离子注入模式蛋白酶引起构象和功能改变的机理研究

4. 中国科学院知识创新工程重要方向项目, 子课题:重离子与生物体作用的原初物理

   化学过程

5. 教育部留学回国人员启动基金: 应用生物光谱法研究离子束与生物体的相互作用

7. 国家科技部973重大项目: 面向持久性有毒污染物痕量检测与治理的纳米材料

   应用基础研究

8. 合肥物质科学研究院院长基金项目:基于光谱法监测米根霉诱变株代谢状态研究

四、近年代表性研究论文(2008-):

1.H. Zhang, Y. Tang, X. Liu, Z. Ke, X. Su, D. Cai, X. Wang, Y. Liu, 

  Q. Huang, Z. Yu. Improved adsorptive capacity of pine wood decayed 

  by fungi Poria cocos for removal of malachite green from aqueous 

  solutions. Desalination 2011 274, 97–104

2.M. Wang, G. Meng, Q. Huang, Q. Xu, Z. Chu and C. Zhu.FITC-modified 

  PPy nanotubes embedded in nanoporous AAO membrane can detect trace 

  PCB20 via fluorescence ratiometric measurement, Chem. Commun. 

  2011, 47,3808–3810 

3.C. Zhu, G. Meng, Q. Huang, Z. Huang, Z. Chu. Au Hierarchical 

  Micro/nano-tower Arrays and Their Improved SERS Effect by 

  Ag Nanoparticle Decoration, Crystal Growth & Design 

  2011, 11:748-752

4.B. Dang, W. Li, J. Liu, W. Zhao, Q. Huang. Investigation of 

  fragment doses produced by heavy ions in tissue-like material, 

  Radiat. Prot. Dosim. (in press, doi:10.1093/rpd/ncr004)

5.C. Zhu, G. Meng, Q. Huang, Z. Zhang, Q. Xu, G.Liu, Z. Huang 

  and Z. Chu. Ag nanosheet-assembled micro-hemispheres as 

  effective SERS substrates, Chem. Commun. 2011, 47, 2709–2711

6.M. Wang, G. Meng, Q. Huang, M. Li, Z. Li, C. Tang. Fluorescence 

  detection of trace PCB101 based on PITC immobilized on porous 

  AAO membrane,Analyst 2011, 136, 278–281

7.H. Zhang, Z. Yu, Q. Huang, X. Xiao, X. Wang, F. Zhang, X. Wang, 

  Y. Liu, C. Hu. Isolation, identification and characterization of 

  phytoplankton-lytic bacterium CH-22 against Microcystis aeruginosa. 

  Limnologica 2011, 41, 70-77

8.H. Zhang, Y. Tang, D. Cai, X. Liu, X. Wang, Q. Huang, Z. Yu. 

  Hexavalent chromium removal from aqueous solution by algal 

  bloom residue derived activated carbon: Equilibrium and 

  kinetic studies. J. Hazard. Mater. 2010, 181: 801-808    

9.Z. Huang, G. Meng, Q. Huang, Y. Yang, C. Zhu and C. Tang. 

  Improved SERS Performance from Au Nanopillar Arrays by Abridging 

  the Pillar Tip Spacing by Ag Sputtering, Adv. Mater. 2010, 22, 

  4136–4139. 

10.M. Li, G. Meng, Q. Huang, Z. Yin, M. Wu, Z. Zhang, M. Kong. 

   Prototype of a Porous ZnO SPV-Based Sensor for PCB Detection at 

   Room Temperature under Visible Light Illumination. Langmuir 2010, 

   26(16), 13703–13706.

11.Z. Ke, Q. Huang, B. Dang, Y. Lu, H. Yuan, S. Zhang, Z. Yu. 

   A study of low-energy ion induced radiolysis of thiol-containing 

   amino acid cysteine in the solid and aqueous solution states, 

   Nucl. Instr. and Meth. B (2010), 268: 2729–2734

12.Z. Ke, Q. Huang, X. Su, J. Jiang, X. Wang, Z. Yu. A paradigm 

   study for assessment of phenylalanine’s damage under arc-discharge 

   irradiation, Nucl. Instr. and Meth. B 2010, 268: 1618–1625

13.Q. Huang, Z. Ke, X. Su, H. Yuan, S. Zhang, Z. Yu. Quantitative 

   assessment of amino acid damage upon keV ion beam irradiation 

   through FTIR spectroscopy, Plasma Sci. Technol. 2010, 

   12(3):378-384

14.X. Zhao, G. Meng, Q. Xu, F. Han and Q. Huang. Color fine-tuning 

   of CNTs@AAO composite thin films via isotropically etching porous 

   AAO before CNTs growth and color modification by water infusion, 

   Adv. Mater., 2010, 22, 2637–2641

15.Jiang Jiang, Zhigang Ke, Xi Su, Qing Huang.Stainless steel induced 

   DNA damage and reduced by nitrogen plasma immersion ion implantation,

   Proceedings 3rd IEEE International NanoElectronics Conference, 

   1400-1402, 2010

16.Q. Huang, Z. Ke, Z. Qi, G. Chen, Z. Yu. Ionizing Radiation Induces 

   Cell Death Observed By FTIR And Raman Micro-Spectral Imaging, 

   Proceedings of XXII International Conference on Raman Spectroscopy, 

   333-334,2010

17.J. Jiang, Y. J. Xu, Q. Huang, H. Y. Wang, and P. K. Chu. Silicon 

   Induced DNA Damage and Improved Biocompatibility by H and Ar Plasma 

   Treatment. European Materials Research Society Meeting (E-MRS), 

   Syposium B, Strasbourg, France, June 7 – 11, 2010.

18.J. Jiang, J. Wang, X. M. Zhang, K. F. Huo, H. M. Wong, 

   K. W. K. Yeung, W.J. Zhang, T. Hu, and P. K. Chu. Activation of 

   Mitogen-Activated Protein Kinases Cellular Signal Transduction 

   Pathway in Mammalian Cells induced by Silicon Carbide Nanowires, 

   Biomaterials. 31(31), 7856-62 (2010)

19.T. Qiu, J. Jiang, W. J. Zhang, X. Z. Lang, X. Q. Yu, and P. K. Chu. 

   High-Sensitivity and Stable Cellular Fluorescence Imaging by Patterned 

   Silver Nanocap Arrays, ACS Applied Materials and Interfaces 2010, 2(8), 

   2465-70.

20.J. Li, J. Hu, G. Sheng, G. Zhao, Q. Huang. Effect of pH, ionic 

   strength, foreign ions and temperature on the adsorption of 

   Cu(II) from aqueous solution to GMZ bentonite, Colloids and 

   Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 2009, 349:195–201

21.J. Jiang, K. F. Huo, S. P. Chen, Y. C. Xin, Y. J. Xu, Z. W. Wu, 

   Z. L. Yu, P. K Chu. Intracellular Chromosome Breaks on Silicon 

   Surface. Biomaterials 2009, 30(14), 2661 – 2665.

22.Y. C. Xin, J. Jiang, K. F. Huo, T. Hu, and P. K. Chu. 

   Bioactive SrTiO3 Nanotube Arrays: Strontium Delivery Platform 

   on Ti-based Osteoporotic Bone Implants. ACS Nano 2009, 

   3(10): 3228 – 3234.

23.Y. J. Xu, K. F. Huo, J. Jiang, L. Y. Chen, F. R. Zhan, Z. L. Yu, 

   and P. K, Chu. Optical Properties of Plastic Scintillators Coated 

   with Copper, Aluminum and Silver by Magnetron Sputtering. Thin 

   Solid Films 2009, 517 : 4443-4447. 

24.F. Zhan,X. Qi, M. Xu, L. Chen and Z. Yu.  Improvement of the 

   Energy Stability of the Single Ion Microbeam,Plasma Sci. Technol. 

   2008, 10(2):250-253. 

25.M. Xu, Y. Xu, F. Zhan, B. Chen, L. Chen, J. Li, Z. Yu, Analysis 

   and Optimization of stability of CAS-LIBB Single ion microbeam, 

   Plasma Sci. Technol.  2008, 10(5): 651-654. 

26.Y. Xu, J. Jiang, L. Chen, F. Zhan, Z. Yu. Dosimetry analysis of single 

   particle microbeam in cell radiation experiment. Plasma Sci. Technol.  

   2008, 10(6): 764-768. 

27.Y. Xu, Z. Hu, L. Chen, M. Xu, F. Zhan and Z. Yu. Design of the 

   CAS-LIBB Single-Ion Microbeam II Endstation. Plasma Sci. Technol. 

   2008, 10(4): 512-515. 

28.Y. Xu, L. Chen, J. Jiang, F. Zhan, B. Chen, Z. Yu, P. K. Chu. 

   Improved detection resolution in single particle microbeam system. 

   Nucl. Instr. and Meth.A 2008, 595: 312–316.