单个生物分子的无标记表征旨在弥补荧光标记对数据解释的偏倚、以及在技术上具有挑战性甚至不可能标记的情况。然而，现有方法要求所研究的物质与表面结合才能可见，从而使大部分分析物未被检测到。近日，Nature Methods发表一篇文章，提出纳米流体散射显微镜(NSM)通过对在纳米流体通道内扩散的单个生物分子进行无标记实时成像来克服这些限制。NSM有助于根据测量的光学对比度准确确定分子量和根据测量的扩散率准确确定流体动力学半径，从中可以推断出有关构象状态的信息。此外，以含有细胞外囊泡的条件细胞培养基为例，证明了它对分析复杂生物流体的适用性。作者预计NSM将应用于监测单个生物分子的构象变化、聚集和相互作用，并分析单细胞分泌组。
荧光显微镜一直是生物化学和生物物理学的长期主力。然而，一个关键的限制是需要使用荧光标签进行标记。因此，当前的一个研究前沿是开发能够对单个生物纳米颗粒(BNP)和生物分子进行无标记研究的方法，以补充基于荧光的技术。无标记方法绕过了荧光显微镜的以下限制：(1)将荧光标记附加到目标上可能会改变其特性；(2)可以同时使用的标签颜色数量有限；(3)长期测量因光漂白而变得复杂。此外，在细胞分泌相关研究中，很难专门标记感兴趣的生物分子，最重要的是，只能检测预定义的标记分泌实体，这意味着可能会忽略未标记但可能重要的实体。
最近，通过介电微谐振器、基于金属连续薄膜和纳米结构的等离子体方法以及干涉散射显微镜(iSCAT)，实现了无标记单生物分子检测。iSCAT已被用于研究，例如，单细胞分泌动力学和介电基板、支持的脂质双层或肌动蛋白丝上的蛋白质运动。此外，与替代方法相比，iSCAT能够对生物分子进行定量分子量(MW)测量，因为信号强度与成像对象的重量成正比。然而，作为一个关键点，这三种无标记光学单分子检测方法要求所研究的目标与表面结合才能“可见”。当应用于生物分子相互作用研究时，这一要求可能会导致误解，因为与表面的结合可能会影响分子结合位点的性质和可及性。此外，结合是一个选择性过程，这意味着只检测到实际结合的分子，而大部分分子仍然看不见。因此，直接在溶液中进行无标记图像和跟踪扩散单个生物分子的能力将构成该领域的重要一步。然而，当前最先进的显微镜技术的分辨率仅允许对更大的扩散物体进行成像，例如病毒、细胞外囊泡(EV)或介电颗粒。这主要是因为单个生物分子的散射横截面非常小，无法直接检测到它们，并且因为它们的快速布朗运动允许它们散射的光仅在它们在衍射受限点中和/或在它们扩散出焦平面之前花费的极短时间积累。
纳米流体散射显微镜(NSM)的原理
为了克服这些限制，该研究提出了纳米流体散射显微镜(NSM)，它可以对溶液中的单个生物纳米颗粒(BNP)和生物分子进行实时无标记成像，直至纳米流体通道内的几十千道尔顿状态，而无需表面固定。此外，它允许从成像的纳米物体的光学对比度中同时确定MW，并从测量的扩散率中同时确定其流体动力学半径(Rs)和/或构象状态。
对含有血清的条件细胞培养基中的生物纳米颗粒(BNP)进行分析
参考文献：
Špačková B, Klein Moberg H, Fritzsche J, Tenghamn J, Sjösten G, Šípová-Jungová H, Albinsson D, Lubart Q, van Leeuwen D, Westerlund F, Midtvedt D, Esbjörner EK, Käll M, Volpe G, Langhammer C. Label-free nanofluidic scattering microscopy of size and mass of single diffusing molecules and nanoparticles. Nat Methods. 2022 Jun;19(6):751-758. doi: 10.1038/s41592-022-01491-6. Epub 2022 May 30. PMID: 35637303; PMCID: PMC9184284.
