说起细胞，对普通人来说是既熟悉又陌生，因为大多数人都知道细胞是人体生命的基本组成单位，但了解仅此而已。其实，在科学家眼里，细胞能帮助他们寻找到人类生老病死的规律和奥秘。
通过单个细胞水平上的分析，不仅可以了解细胞之间的差异性，也能揭示不同细胞表型的分子机制，从而实现对疾病更加精准的诊断和更加有效的治疗，还可以从微观层面探究疾病发病机理，进而有助于研究相关疾病的性质和规律，对重大疾病早期诊断、治疗和细胞生理、病理过程的研究具有重要意义。
在广西师范大学省部共建药用资源化学与药物分子工程国家重点实验室，这栋不起眼的实验楼里，一支从事生命分析化学研究的科研团队，将目光对准单细胞，在纳米生物传感与成像以及微流控芯片电泳技术两大国际前沿技术领域取得了重大突破，部分成果甚至开国际之先河，领先世界。
科研团队从2005年开始着手于微流控芯片电泳技术的研发，从2015年开始细胞荧光成像技术的研究。此后很长阶段当中，团队先后获得了1项国家自然科学基金重大科学仪器研究专项和4个面上项目等多个国家和省部级项目的资助，为疾病的早期与愈后诊断提供技术支持。
细胞的直径只有几微米到几十微米，其内部成分如DNA/RNA、蛋白质、生物小分子 等含量通常非常低。如果能对细胞内部进行可视化观察，将极大促进细胞内部成分的直观分析。于是，科研团队采用纳米生物传感与荧光成像技术，很好地解决了如何更清晰地给细胞成像的问题。这是一种以满足在分子、细胞和组织水平上的多尺度、跨层次检测需求的技术手段。具体的检测方法就是，结合生物分子的特征,制备具有特殊功能的荧光纳米探针，能够与目标物质发生特异性识别反应，并经过成像技术显现出来，实现细胞内特异性生物分子的信息量化、功能监测和在体检测的目的。
其中，基于纳米材料构建的荧光探针是实现细胞荧光成像的重要工具之一。纳米材料是指材料某一维度的尺寸位于纳米级，其大小约为头发丝直径的万分之一，当物质的结构单元小到纳米量级时，就会表现出一些独特的理化性质。基于纳米材料的这些特性所构筑的生物传感与成像技术在生命医学研究等领域有着广泛的应用。
当材料的某一个尺寸降低到纳米级时，其表现出的物理性质与日常生活中所见到的块状材料完全不一样。以课题组合成得到的碳基纳米材料为例，我们所见到的块状碳，多为黑色，无明显光泽发光现象，但课题组得到的碳基纳米材料，在合适的光源照射条件下，会显示出不同的颜色。纳米材料小世界，生活应用大作为。
荧光探针就是通过特殊设计的合成方法，使荧光探针结构中包含对目标分析物具有靶向识别的基团，通过特异性识别目标物分子，产生信号变化，从而实现对目标物的定性定量分析。那么，选择何种纳米材料直接关系着纳米荧光探针的性能。科研团队为了获得毒性低、光稳定性强、生物相容性好的近红外比率荧光探针，提出了系列荧光碳基量子点的制备新策略，并开发了灵敏度更高、稳定性更好的荧光纳米探针。
荧光探针是荧光成像技术中非常重要的组成部分，也是进行荧光成像的信号指示剂。我们可以利用荧光探针进行生物分子的标记或对生物分子进行特异性识别，并通过探针发射的荧光信号进行成像，从而得到生物分子在细胞或活体中的分布、表达等相关信息。团队主要围绕近红外比率型荧光纳米探针的设计构建以及在生命分析中的应用开展研究。近红外光具有较好的生物组织穿透能力，而比率型荧光信号设计可以有效地降低生物背景的干扰，从而提高活细胞或者活体中的荧光成像性能。
对于荧光纳米探针的应用，已经在炎症的研究中发挥了作用。科研团队研发了一种可以对炎症标志分子特异性识别的近红外比率型荧光纳米探针。当活体小鼠有炎症发生时，细胞内羟基自由基浓度会增加，而研发的荧光探针对羟基自由基具有较好的响应性能，且荧光强度与羟基自由基浓度呈现良好的线性关系，由此通过荧光探针可以在细胞和活体层面对炎症发生过程进行荧光成像，也就实现了对炎症发生全过程的可视化跟踪。这对炎症的诊断与治疗提供了一种微观层面的监测方法。但荧光成像技术主要解决的是细胞成分的动态可视化追踪问题，较难解决细胞内成分含量的精确测定问题。单个细胞的体积非常小，却含有许多与生命有关的生物分子，如果能准确定量单个细胞中的生物分子，将具有重要的生理和病理价值。不过，这不仅需开发出更高灵敏度的分析法，同时也需要构建一个高灵敏度的研究平台。为解决单个细胞生物分子精准测量的难题，科研团队在已有的成果基础上攻坚克难，研制出国际上第一台多功能微流控芯片单细胞分析仪，为发展单细胞内疾病标志物准确定量提供了研究平台。
微流控芯片是单细胞分析仪的核心部件，它是上个世纪90年代发展起来的一种微全分析技术，具有集成度高、分离效率高、检测迅速、易于便携、样品和试剂消耗量少等优点。目前，微流控芯片分析技术已被应用于蛋白质、核酸、生物小分子等多种物质的检测，并在生命医学研究、临床诊断、环境和食品安全检测等领域显示出广阔的应用前景。
微流控芯片是利用光刻技术，把常规化学实验室里的样品制备、合成、反应、分离、检测等实验操作，通过刻微通道集成在一片面积很小的玻璃或硅板上。团队共研制了三代单细胞分析仪，第三代是以微流控芯片为基础，利用微米级网络通道进行单细胞操纵、分离，单个细胞内物质的检测过程。特点是集成了很多网络通道，可实现高度集成化和自动化程，操作相对简单，可利用集成显微镜实现单细胞操控的可视化。
但由于在微流控芯片平台上，进样体积小、检测窗口窄，难以实现高灵敏度检测，极大限制了微流控芯片技术在痕量疾病标志物分析领域的应用。为了突破微流控芯片进一步发展和应用的技术瓶颈，为痕量疾病标志物的精准分析和疾病的早期诊断提供新的技术支持，科研团队将核酸信号放大技术与微流控芯片检测方法相结合，发展了在微流控芯片平台上的信号放大方法，攻克了这一难题。
我们在自己构筑的微流控芯片电泳研究平台上，结合一些核酸信号转换与放大的方法，将分析检测的灵敏度至少提高了1000倍，并成功用于单细胞内微量成分的精准测定。比如，我们最近发表在美国《分析化学杂志》上的这篇文章当中，就通过设计与分析研究，实现了单个细胞中两种肿瘤相关蛋白的同时定量，这两种蛋白的表达量在肝癌细胞中会明显高于正常的肝脏细胞。这对研究蛋白质与肝癌疾病之间的关系具有重要意义。
科研团队研制的微流控芯片具有微米级的电泳通道，能够与单个细胞的尺寸相匹配。另外，微流控芯片电泳可以将目标分析物的化学反应、分离和检测等基本操作单元集成到一块具有微米尺寸通道的玻璃片上，通过电泳驱动和特定信号输出方式，实现目标物质的快速分离与精准检测。
目前，突破了技术瓶颈的微流控芯片技术已经相对成熟，完全可以作为核心部件应用在单细胞分析仪上，并使之成为细胞分析的重要手段和平台，从而为痕量疾病标志物的精准分析和疾病的早期诊断提供新的检测方法。团队所研发的仪器和方法有望应用于肝癌、鼻咽癌、地中海贫血等广西高发疾病的基因筛查和早期诊断当中，提升广西在区域性疾病研究、预防和治疗领域的技术水平。
“微芯片电泳及光学纳米生物传感与成像新方法”斩获2021年度广西科学技术奖自然科学奖一等奖。
目前，广西师范大学科研团队培养了3名广西自然科学杰出青年基金获得者，2人获广西青年科技奖，研究成果在顶级学术期刊《分析化学》等学术刊物上发表。团队成员还曾应邀在国际重量级的匹兹堡分析化学会议和全国分子光谱学学术会议等国内外知名学术会议上作报告，所取得的研究成果得到同行的高度肯定。
广西卫视
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