輻照物理裝置與物理生物研究室

輻照物理裝置與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、中國科學院“百人計劃”、中國科學院知識創新工程重要方向項目、科學院重大裝備項目、國家科技部“973”項目等。

本研究方向招收物理、生物、化學以及材料學科背景的、並有志于在這些學科交叉方向上發展的碩士、博士研究生。

一、研究方向及內容

1、離子輻照和光譜技術

發展先進的生物輻照技術,研制載能離子束、射線束等多種輻照裝置,建立完善的輻照技術系統;建立離子輻照-生物光譜實驗平台,包括對研究型離子束注入機和等離子體放電裝置的研制和改進,實現精確控制和在線檢測;在光譜測量上,發展高靈敏、高通量的在線分析和測量技術。

2、生物光譜及應用

利用生物光譜實驗平台,研究生物體系在各種複雜條件下的生物學效應及其機理,包括離子輻射對生物分子、細胞和個體的作用和影響,並把光譜技術廣泛應用于農業育種、工業微生物發酵、生態環境監測等。

3、生物材料

利用細胞生物學和生物化學研究手段,研究矽基、钛基植入材料界面處,材料對黏附于表面細胞的作用過程,爲材料表面改性提供理論指導。

二、重要研究進展

1、離子輻照和光譜技術

依托低能離子和單離子束兩大裝置,每年爲國內外企事業單位提供輻照實驗超過100余人次,應用的項目包括自然科學基金項目、重點基金項目、973項目、863項目等。通過這些應用,使離子束輻照技術的應用延伸到高新技術領域,離子束技術已成爲前沿學科的研究手段簣D夹g路線。近年來,我們在單離子檢測技術方面自主設計和研制了多種技術工作:(1) 鍍膜閃爍體探測技術;(2) 光纖閃爍體探測技術;(3)光電薄膜探測技術;(4) 電離室探測技術。目前正在研制電離室探測技術,利用工作氣體的透明性和有限的裝置空間,將探測點放置在顯微鏡物鏡上,離子穿透樣品後,進入電離室,同時,生物樣品熒光信號也能通過電離室工作氣體,傳送到後端信號采集系統,由此可以實現在線式檢測技術。

                    

:单离子束精确定位辐照点阵圖。圖中亮点为单个离子定点辐照在CR39材料上産生的刻蝕印記。

同時,與核工業西南物理研究院合作研制成功一台小型低、中能離子束注入裝置。該裝置加速電壓(10-50kV),束流(0.05-0.5mA)可精確連續可調,連續運行束流較穩定,且體積小于普通用于誘變育種的離子束裝置,並克服了真空室油汙染等問題,滿足現階段對于離子輻射與生物分子直接相互作用的定量化研究的需要。該裝置還設置有多窗口,以便于將來進行多參數的實時在線測量,從而滿足連續觀察離子束與生物體作用過程等,可爲離子輻射生物學領域研究提供了一個簡便、可靠、實用的物理平台。

生物光譜測量技術方面,在細胞量子點熒光成像、紅外光譜成像等方面也取得進展。特別是與固體物理所合作,在應用熒光和拉曼光譜在痕量、無損檢測技術方面有所突破,對有機分子測量靈敏度大大提高,研究成果已在Advanced Materials、Chemical Communication等國際著名雜志上發表。

2、生物光譜及應用

2.1.應用生物光譜研究離子輻射對生物作用

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,力圖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.低能離子輻射與生物小分子作用

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,即氨基酸簣D罨入手,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簣D浣幼饔梅矫嫒〉靡恍┬碌慕峁,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.電離輻射損傷細胞的光譜顯微成像研究

電離輻射可以誘導細胞死亡,死亡方式隨電離輻射方式、劑量以及細胞種類、生長周期不同而異。一般認爲輻射靶的主要細胞器爲細胞核和細胞膜,但是近年來對輻射引起細胞質和蛋白質的損傷其重要性有新的認識。細胞作爲一個有機體,其中生物分子如DNA、蛋白酶、糖和脂類之間關系密切,輻射對它們各自的損傷相互關聯,相互作用十分複雜,而關于細胞輻射引起損傷及損傷信號傳導過程的具體機制尚不清楚。新的研究思路是從分子水平,並在整個細胞的微環境中的時空關系上對各生物分子的物理化學變化加以研究,而有效的手段之一是應用光譜光學顯微成像。

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。圖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:紅外光譜成像可以顯示輻射損傷的空間分布,特別注意細胞膜中蛋白質分布:

左圖:重离子辐射处理前的典型洋葱表皮红外光谱成像

右圖:重离子辐射处理后(50Gy)的典型洋蔥表皮紅外光譜成像

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。圖3是显示了A549细胞在α源辐照前后发生变化。

                 

圖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。

左圖:A549细胞a粒子輻照前(熒光量子點染色QD565) 

右圖:A549细胞a粒子輻照後(5cGy, 30min)。

2.2 生物光譜在環境、農業等其它方面的應用

應用光譜研究生物及材料性質和動力學過程,比如對溶藻活性物質的分析,對藻類及制備活性炭的吸附動力學分析,以及對用生物腐蝕法制備天然吸附劑動力學分析等。利用光譜研究物理、化學、生物因子對生物體、尤其是微生物的作用及其動力學過程, 發展微生物光譜技術,包括微生物的光譜微觀成像、微生物光譜高通量篩選等。研究成果在J. Hazard. Mater.、LimnologicaDesalination等重要雜志發表。

另外,與其它研究室如植物研究室合作,致力于發展光譜特別是近紅外技術在農業上的應用。紅外光譜主要優點: 1) 無損檢測;2) 高通量(多指標)測量,測試速度快; 3) 無汙染, 費用低 (綠色環保)。面向農業需求,在良田、良種、良法、“良貯”(水分等方面控制)、“良品”(味道),這些方面都可以應用和發展光譜技術。

3、生物材料

半導體生物材料和钛合金生物材料的研究與開發一直是生物材料領域的發展重點。通常情況下,材料表面生物相容性的優劣是通過表面黏附的細胞和機體組織的多種生物學反映而體現出來的。研究表明,未經處理的矽基和钛基生物材料的表面生物相容性差,現有理論尚不能解釋這些材料界面處細胞黏附不利和産生損傷的原因。我們借助細胞生物學、生物化學的研究手段對黏附于材料表面細胞的生理生化以及損傷發生過程進行研究。建立了材料表面黏附細胞DNA損傷分析方法,發現材料表面黏附細胞的DNA損傷與材料産生氧化脅迫之間的關系。使用陽極氧化-水熱處理工藝制備出钛酸锶納米管陣列,可以顯著提高钛或钛合金的表面生物相容性,使用陽極氧化-磁控濺射處理工藝制備銀納米陣列可以有效防止生物熒光淬滅同時加強熒光強度。同時,還探討了碳化矽納米線對哺乳動物細胞內部MAPK信號轉導途徑的影響。上述研究在Biomaterials、ACS Nano、ACS Applied Materials and Interfaces國際雜志上發表,獲得國內外學術界的廣泛關注。美國化學會(ACS)在其網站上,將我們的部分研究列爲研究熱點(highlights, 2010)。

三、現主持和承擔的項目及課題

1. 中國科學院重大裝備項目:單離子束在線檢測技術

2. 中國科學院“百人計劃”:应用生物光谱研究离子辐射与生物体相互作用

3. 國家自然科學基金: 離子注入模式蛋白酶引起構象和功能改變的機理研究

4. 中國科學院知識創新工程重要方向項目, 子課題:重離子與生物體作用的原初物理

   化学过程

5. 教育部留學回國人員啓動基金: 應用生物光譜法研究離子束與生物體的相互作用

7. 國家科技部973重大項目: 面向持久性有毒汙染物痕量檢測與治理的納米材料

   应用基础研究

8. 合肥物質科學研究院院長基金項目:基于光譜法監測米根黴誘變株代謝狀態研究

四、近年代表性研究論文(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.