表面分析不同于本体分析,因为原子和电子在样品表面的分布与其在本体中的分布具有很大差异。对在液体表面尤其是生物表面发生的化学变化和现象的研究在许多领域具有重要意义。具体而言,生物表面分析包括对生物被膜、细胞膜、生物大分子及其生物学行为的表征。近几十年来,飞行时间。二次离子质谱(TOF-SIMS), X射线光电子能谱(XPS),俄歇电子能谱(AES),扫描电子显微镜(SEM)等新技术的应用使得生物表面分析领域的发展取得了巨大进步。这其中的许多技术需要在真空甚至在高真空环境中工作,因为它们是非常灵敏的,其工作原理主要依赖于从样品表面发射的电子或离子的检测。然而,生物的生长及代谢需要在液体环境中进行。因此,在液体环境中的原位生物表面分析仍然是一个巨大的的技术挑战。本文在课题组原有的基础上,优化并制造了高真空环境兼容的微流体装置,即“液体-真空界面分析系统”(SALVI),然后利用它对生物被膜和哺乳动物细胞进行培养,并通过TOF-SIMS在液体环境下进行原位检测。细节描述如下。1. SALVI的制造及其在高真空下液体样品ToF-SIMS检测的可行性分析。制造了一种自包含的微流控设备,SALVI,并用于TOF-SIMS对水溶液表面的检测,大大增加了该设备在真空环境下的稳定性。该装置的主要部分包含一个聚二甲基硅氧烷(PDMS)材质的微通道和一层100 nm厚的氮化硅(SiN)膜。在ToF-SIMS检测中,利用一次离子束在SiN膜上打通一个直径为2-3微米的小孔作为检测窗口用于液体样品的原位检测。真空相容性和由于水蒸发引起的温度下降是本系统最重要的两个技术挑战。本文从理论计算和制造策略等方面对以上问题进行了阐述。此外,从ToF-SIMS检测结果证实了SALVI在高真空环境下工作的可行性。2.基于SALVI和ToF-SIMS实现的液态环境生物被膜检测SALVI被用于生物被膜的生长及液态环境下ToF-SIMS原位检测。我们得到了生物被膜的部分二次离子质谱特征峰(脂肪酸),并对生物被膜在距离粘附表面几百纳米范围内进行了深度剖析,结果包括了SiN膜的击穿过程以及生物被膜的检测阶段。另外,对不同样品或生物被膜不同深度组成成分进行主成分分析,可得到不同样品或不同阶段组成的差异性以及相似性。最后,重构了生物被膜代表成分的二维、三维化学成像图,验证了生物被膜化学成分在空间分布上的不均一性。以上结果表明此方法可用于复杂生物被膜系统空间及化学不均一性的直接检测。3.基于SALVI和ToF-SIMS实现的液态环境单细胞表面分析构建了SALVI用于高分辨荧光显微镜SIM及ToF-SIMS关联检测哺乳动物单细胞表面的新方法。前者主要用于确认细胞生长以及指导接下来的ToF-SIMS对于特定细胞及细胞特定区域的检测。ToF-SIMS对单细胞的深度剖析结果表明一次离子束不仅打穿了SiN膜,而且还能打穿整个细胞膜,从而获得细胞膜在其整个厚度范围内的化学组成变化。原子力显微镜被用于ToF-SIMS检测后SiN膜上小孔形貌的表征。将深度范围分成三个区域(SiN膜的击穿、细胞膜的击穿以及细胞质的检测),并对每个区域进行二维成像重构,可直观地观察到代表性成分的空间组成及变化趋势。另外,展示了重构于细胞膜区域的正、负二次离子质谱图。在用氧化锌纳米颗粒处理细胞后,可检测到Zn离子在细胞膜中的存留以及细胞膜成分的变化。用主成分分析对不同样品进行分析,可清晰地观察到各样品组成的差异及相似性,以及造成这些差异及相似性的主导成分。以上结果表明此方法对于捕捉单细胞中分：于动态变化以及解决中尺度下对于过渡态分子相互作用引起的细胞变化的研究提供了新的思路。4.二氧化硅纳米复合材料用于癌细胞的表面识别及检测开发了一种基于核酸适体修饰纳米材料的选择性识别乳腺癌MCF-7细胞表面及细胞特异性检测的新方法。特异性识别MCF-7细胞表面过量表达的黏蛋白1(MUC1)的核酸适体(Apt 1)与1微米粒径的磁珠结合,可用于MCF-7细胞的特异性捕捉。同时,结合了核仁蛋白特异性识别核酸适体(Apt 2)以及量子点的二氧化硅纳米材料组成的纳米生物探针被用于特异性标记MCF-7细胞以及接下来的电化学或光谱学检测。所合成的纳米生物探针分散性好、形貌均一,保持了量子点的高荧光效率以及电化学活性,并且对癌症细胞表面过量表达的核仁蛋白具有高度亲和力。在捕捉并标记了样品中的MCF-7细胞后,分别用荧光光谱法和电化学溶出伏安法进行检测。由于使用了两种不同的核酸适体,此生物传感器的选择性得以提高,另外,由于使用二氧化硅纳米材料作为信号放大基质,传感器的灵敏度大大增加,在使用电化学溶出伏安法检测时,检测限达到85个细胞／毫升。因此,本方法在生物表面识别、分析等领域具有应用前景。