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卡迪夫大学的研究人员已经成功地在木虱体内识别和追踪摄入的金纳米颗粒。通过利用四波混频（FWM）显微镜，研究人员可以在具有亚细胞分辨率的体积中定位金纳米颗粒。该方法可提供关于纳米颗粒在复杂生物系统中运动的重要信息，为研究其他污染物纳米颗粒在生物体中的行为提供了新途径。
近年来，随着纳米颗粒在各种应用中的广泛使用，研究人员越来越关注这些人造纳米颗粒在自然环境中的迁移和影响。然而，在生物系统中追踪和监测这些纳米颗粒一直具有挑战性。为了解决这个问题，卡迪夫大学的一个研究项目现在展示了如何在木虱体内识别和追踪摄入的金纳米颗粒，这可能为监测其他纳米颗粒和类似污染物提供了新方法。相关研究成果已发表于《Applied Physics Letters》。
木虱肠道中纳米颗粒参与消化反应。
研究人员使用金纳米颗粒作为示踪剂，因为金纳米颗粒具有生物相容性和光稳定性。此外，它们有多种形状和尺寸可供选择。研究人员通过给木虱喂食含有金纳米颗粒的食物，观察这些纳米颗粒在木虱体内的行为。
传统的 X 射线荧光方法虽然可以用于检测纳米颗粒，但这种方法耗时、昂贵且不适用于生物系统。此外，它无法提供粒子分布的三维图像。因此，卡迪夫大学的研究团队开始研究四波混频（FWM）显微镜是否可能成为一种有效的替代方案。FWM效应已被用于设计新型激光发射器和光子源和其他新颖的光子设备。
在卡迪夫大学的实验平台中，被金纳米颗粒吸收的泵浦激光脉冲会产生加热效应，从而改变金的介电性能，产生表面等离子体效应，并改变光散射行为。通过单独的探测激光脉冲监测的这种散射变化允许在三维细胞环境中准确定位单个金纳米颗粒。
为了验证这一理论，研究人员将半径为10纳米的金纳米颗粒喂给常见的木虱。木虱能够栖息在受金属污染的区域，并从环境中摄取颗粒，使它们成为研究金属物种在自然系统中行为的理想模式生物。研究人员收集了木虱的消化腺，并利用FWM显微镜对其中的金纳米颗粒进行了成像。尽管这些多细胞器官具有明显的光散射，但金纳米颗粒“以高对比度被检测到，在体积中以亚细胞分辨率定位”。
Wolfgang Langbein表示：“通过精确定位木虱肠道中单个金纳米颗粒的命运，我们可以更好地了解这些生物如何隔离和响应从环境中摄取的金属。”这为进一步研究如何确定金属在特定细胞内的聚集，以及高剂量金属是否会干扰新陈代谢等问题奠定了基础。
由于非线性光学效应的特征动力学，FWM还允许研究人员将金纳米颗粒与木虱摄入并积聚在消化腺中的其他金属颗粒区分开来。现在，可以使用相同的原理来研究鱼幼虫和人类细胞培养物等生物体中的其他污染物纳米颗粒。
总之，FWM显微镜在研究生物系统内的金属纳米颗粒方面具有巨大潜力，它具有简单可行性和三维成像能力，可以作为基于同步加速器的X射线方法的有力补充。
