含浅层氮-空位色心金刚石垂直纳米针阵列的制备及其生物传感特性研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51772318
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0203.碳素材料与超硬材料
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Deciphering the neuronal code-the rule by which neuronal circuits store and process information-is a major scientific challenge. However, studies in this area are impeded by a lack of experimental tools that are scalable and sensitive enough to simultaneously analyze large number of neurons with single cell level. As proposed in this project, vertical aligned single crystal diamond nanoneedle arrays containing shallow Nitrogen-vacancy (NV) centers were prepared by reactive ion etching (RIE) and delta-doping methods. The excellent fluorescence and spin coherence properties of NV centers in diamond make it an attractive platform for sensitive and high-precision measurements of magnetic field, electric field, temperature in neurons. Moreover, vertical aligned diamond nanoneedle arrays with remarkable mechanical property and biocompatibility are perfect for intracellular delivery and sensing by pierce into the cells. In this proposal, the profile and crystal structure of the diamond nanoneedles will be tuned by RIE; binding form and concentration of the nitrogen defect in the delta-doping layer, the formation conditions and distribution of NV centers will be investigated systematically; finally effectively control the density and distribution of NV center in the diamond nanoneedles will be realized. The diamond nanoneedle arrays with excellent fluorescence and electric field sensing properties will be utilized to probing and analyzing the in situ response of neurons to external stimulations. The implementation of the proposed project is of great significance in the study of neuronal heterogeneity, and will promote the pathogenesis and mechanism studies of neurodegenerative diseases.
如何破解神经元密码,即神经元回路存储和处理信息的规则是科学上的重要难题。然而,这一领域的研究受限于缺乏能够在单细胞层面上同时分析大量神经细胞的不同反应,并进行精确量化测量的实验工具。在本项目的研究中,我们利用反应离子刻蚀和delta-掺杂技术制备含有浅层氮-空位(NV)色心的单晶金刚石纳米针阵列薄膜。NV色心具有优异的荧光特性和自旋相干性,可以实现对外界磁场、电场等物理量的高精度敏感测量。同时,金刚石纳米针具有优异的生物相容性和稳定性,能够直接深入到细胞内部确定位置进行原位检测。实验中我们调控金刚石纳米针的结构,系统研究delta-掺杂层中氮缺陷的结合形式和结合量,NV色心的产生条件和分布规律,实现有效控制NV色心的密度和分布。基于金刚石纳米针的荧光和电场传感性质,检测神经细胞对外界刺激的应激反应。本项目的实施对研究神经细胞异质性有重要的意义,并促进对神经退行性疾病的发病原因和机理的研究。

结项摘要

基于金刚石薄膜的垂直纳米结构阵列材料和缺陷-空位色心在细胞内分子检测和生理变化检测方面具有巨大的发展潜力和实用价值。在本项目的支持下,我们采用ECR-MPECVD反应离子刻蚀技术刻蚀择优取向金刚石薄膜,通过优化实验条件得到了单晶金刚石纳米针阵列,结合纳米针表面生长delta-掺杂金刚石层制备了浅层缺陷-空位色心,确立了CVD生长和掺杂,及热处理工艺对掺杂层中缺陷色心发光性能的影响规律,得到了分布和数量可控的缺陷-空位色心。本项目首创了基于金刚石纳米针阵列薄膜的细胞内活检技术,实现了对细胞内小分子核酸进行快速的、高灵敏度、高通量的检测。通过对小鼠胚胎干细胞分化成运动神经元的过程的研究,证明了该技术可用于捕捉同一批细胞内miRNA表达于时序上的动态变化,揭示了混合细胞群中细胞异质性的演变。利用结合了“鱼钩”的金刚石纳米针“鱼竿”直接从大鼠急性脑切片的大量细胞中对多种特定的miRNA标识物进行提取和检测,对诱导的精神分裂症中星形胶质细胞的失调进行了研究,证明了该技术可实现捕捉空间动力学信息的准单细胞miRNA原位分析。通过金刚石纳米针向细胞内递送传统的重编程基因,制造诱导干细胞(iPSCs)的效率比常规方法提高了两个数量级以上。本项目基本上达到了预期的研究目标,所开展的研究工作有助于推动高深宽比金刚石纳米针阵列在细胞内尺度的药物传输、生物传感、生物成像等生物医学领域更广泛的应用。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(6)
High-Efficiency Cellular Reprogramming by Nanoscale Puncturing
通过纳米级穿刺进行高效细胞重编程
  • DOI:
    10.1021/acs.nanolett.0c01979
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Nano Letters
  • 影响因子:
    10.8
  • 作者:
    Wang Yuan;Wang Zixun;Xie Kai;Zhao Xi;Jiang Xuezhen;Chen Bing;Han Ying;Lu Yang;Huang Linfeng;Zhang Wenjun;Yang Yang;Shi Peng
  • 通讯作者:
    Shi Peng
一维纳米金刚石的制备、性质及应用
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    科学通报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨扬;张文军
  • 通讯作者:
    张文军
Hierarchical Micro/Nanostructured Diamond Gradient Surface for Controlled Water Transport and Fog Collection
用于受控水传输和雾收集的分层微/纳米结构金刚石梯度表面
  • DOI:
    10.1002/admi.202100196
  • 发表时间:
    2021-05
  • 期刊:
    Advanced Materials Interfaces
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Xingyong Wang;Stephan H;schuh‐Wang;Yang Xu;Li Xiang;Zhiye Zhou;Tao Wang;Yongbing Tang
  • 通讯作者:
    Yongbing Tang
Nitrogen-doped braided-looking mesoporous carbonaceous nanotubes as an advanced oxygen reduction electrocatalyst
氮掺杂编织状介孔碳纳米管作为先进的氧还原电催化剂
  • DOI:
    10.1016/j.mtener.2018.12.012
  • 发表时间:
    2019-06
  • 期刊:
    Materials Today Energy
  • 影响因子:
    9.3
  • 作者:
    Ao Xiang;Xue Xinying;Yang Zhaoxi;Yang Yang;Wang Chundong
  • 通讯作者:
    Wang Chundong
High-throughput intracellular biopsy of microRNAs for dissecting the temporal dynamics of cellular heterogeneity
microRNA 的高通量细胞内活检,用于剖析细胞异质性的时间动态
  • DOI:
    10.1126/sciadv.aba4971
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Science Advances
  • 影响因子:
    13.6
  • 作者:
    Wang Zixun;Qi Lin;Yang Yang;Lu Mingxing;Xie Kai;Zhao Xi;Cheung Elvis Hung Chi;Wang Yuan;Jiang Xuezhen;Zhang Wenjun;Huang Linfeng;Wang Xin;Shi Peng
  • 通讯作者:
    Shi Peng

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其他文献

基于双特征的丘陵山区耕地低空遥感图像配准算法
  • DOI:
    10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0674
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    宋飞;杨扬;杨昆;张愫;毕东升
  • 通讯作者:
    毕东升
"双碳"战略背景下农业与农村减排技术路径分析
  • DOI:
    10.12357/cjea.20210599
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    中国生态农业学报(中英版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    谢立勇;杨育蓉;赵洪亮;郭李萍;靳泽群;杨扬;何雨桐
  • 通讯作者:
    何雨桐
Deploying public charging stations for battery electric vehicles on the expressway network based on dynamic charging demand
基于动态充电需求在高速公路网部署纯电动汽车公共充电站
  • DOI:
    10.1109/tte.2022.3141208
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Transportation Electrification
  • 影响因子:
    7
  • 作者:
    张天雨;杨扬;朱宇婷;姚恩建;吴珂琪
  • 通讯作者:
    吴珂琪
LncRNA RP11-307C12.11 promotes the growth of hepatocellular carcinoma by acting as a molecular sponge of miR-138
LncRNA RP11-307C12.11通过充当miR-138的分子海绵促进肝细胞癌的生长
  • DOI:
    10.1016/j.livres.2019.11.003
  • 发表时间:
    2019-12
  • 期刊:
    Liver Research
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    邓宜南;程预胜;曾凯宁;李海波;黄一鸣;江艺泉;夏婷婷;张彤;杨扬
  • 通讯作者:
    杨扬
On the Contrasting Decadal Changes of Diurnal SurfaceTemperature Range between the Tibetan Plateau and Southeastern China during1980s–2000s
20世纪80年代—2000年代青藏高原与中国东南部地表气温年代际变化对比
  • DOI:
    10.1007/s00376-016-6077-z
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Advances in Atmospheric Sciences
  • 影响因子:
    5.8
  • 作者:
    杨扬;任荣彩
  • 通讯作者:
    任荣彩

其他文献

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杨扬的其他基金

面向眼部疾病诊疗的透明柔性金刚石纳米结构阵列的构筑及机理研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    58 万元
  • 项目类别:
    面上项目
面向眼部疾病诊疗的透明柔性金刚石纳米结构阵列的构筑及机理研究
  • 批准号:
    52173242
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    58.00 万元
  • 项目类别:
    面上项目
碳化硅增强硅/三维石墨烯复合材料的制备方法及储锂性能研究
  • 批准号:
    51402344
  • 批准年份:
    2014
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  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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  • 批准号:
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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