纳米技术单细胞纳米材料及亚细胞结构的无标记原位成像软X射线纳米断层扫描法标准立项报告
Nanotechnology—Label-FreeInSituImagingofSingle-CellNanomaterialsandSubcellularStructures—SoftX-rayNano-TomographyStandardProposal
摘要（Abstract）
随着纳米生物医学、细胞生物学和材料科学的快速发展，单细胞及亚细胞结构的精确成像技术成为研究细胞功能、纳米材料生物效应及药物递送机制的关键手段。传统光学显微镜受限于衍射极限，而电子显微镜则因穿透深度不足难以实现完整细胞的三维成像。软X射线纳米断层扫描（SoftX-raynano-CT）技术基于同步辐射光源，结合X射线的高穿透性和元素特异性吸收特性，可在无需荧光标记或复杂样品制备的情况下，实现纳米级分辨率的无标记、原位三维成像。
本报告详细阐述了软X射线纳米断层扫描法的立项目的、技术优势、适用范围及主要技术内容。该技术可广泛应用于纳米材料-细胞互作机制研究、细胞成分动态监测、金属基药物毒理学评估等领域，填补了现有成像技术的空白，为生物医学和材料科学研究提供了新的标准化分析方法。
关键词（Keywords）：
-软X射线纳米断层扫描（SoftX-raynano-CT）
-无标记成像（Label-freeimaging）
-单细胞分析（Single-cellanalysis）
-亚细胞结构（Subcellularstructures）
-同步辐射（Synchrotronradiation）
-纳米生物医学（Nanobiomedicine）
-三维成像（3Dimaging）
-原位分析（Insituanalysis）
正文
1.立项目的与意义
细胞是生命活动的基本单元，其形态、亚细胞结构及生物分子分布直接影响生理功能和疾病发展。例如，癌细胞形态变化可预测肿瘤恶性程度，而纳米药物在细胞内的分布直接影响其药效和毒性评估。因此，高分辨率、无标记的原位成像技术对生物学和医学研究至关重要。
目前，单细胞成像主要依赖光学显微镜和电子显微镜：
-光学显微镜（如荧光显微镜）受衍射极限限制，分辨率难以突破200nm，且依赖荧光标记，可能干扰细胞自然状态。
-电子显微镜（如TEM）虽可达亚纳米分辨率，但穿透深度仅几百纳米，需切片处理，破坏细胞完整性。
相比之下，软X射线纳米断层扫描（SoftX-raynano-CT）结合同步辐射光源，具有以下优势：
1.高分辨率（~30nm），突破光学衍射极限；
2.无标记成像，利用生物分子（C、N、O）对“水窗波段”（284–534eV）X射线的天然吸收差异，避免染色或标记干扰；
3.三维成像能力，X射线穿透深度达数十微米，可对完整细胞进行断层扫描；
4.元素特异性，通过X射线吸收谱（XAS）区分不同元素分布，适用于金属纳米颗粒代谢研究。
该技术的标准化将推动纳米医学、细胞生物学和材料科学的交叉研究，为药物开发、疾病机制探究及纳米材料安全性评估提供统一方法。
2.范围与主要技术内容
本标准规定了软X射线纳米断层扫描法在单细胞及亚细胞结构无标记成像中的应用，涵盖以下关键步骤：
2.1样品制备
-细胞固定：采用快速冷冻技术（如高压冷冻）保持细胞近生理状态；
-样品装载：使用低X射线吸收载体（如氮化硅膜）以减少背景噪声。
2.2数据采集
-光源选择：同步辐射光源（如上海光源BL08U线站）提供高亮度、单色X射线；
-成像参数：能量调谐至水窗波段（如500eV），步进扫描角度≤1°，确保三维重建精度。
2.3数据分析
-图像重建：基于滤波反投影（FBP）或迭代算法（如SIRT）生成三维体数据；
-定量分析：通过吸收衬度计算纳米材料浓度或亚细胞结构体积占比。
2.4应用领域
-纳米生物医学：研究纳米药物在细胞内的分布与代谢；
-毒理学评估：分析金属纳米颗粒（如金、银）的细胞摄取与毒性机制；
-细胞生物学：观察线粒体、内质网等细胞器的动态变化。
3.主要参与单位介绍
上海同步辐射光源（SSRF）是中国首台第三代同步辐射装置，其BL08U线站专用于软X射线显微成像，具备以下技术优势：
-空间分辨率：可达25nm，满足亚细胞结构成像需求；
-高通量：每秒可采集数百张投影图像，支持快速三维重建；
-多模态联用：结合X射线荧光（XRF）和吸收谱（XAS），实现元素分布与化学态分析。
SSRF团队已发表多篇《NatureMethods》《ACSNano》高水平论文，为本标准的制定提供了坚实的技术支撑。
结论与展望
软X射线纳米断层扫