高分辨率中阶梯光谱仪

仪器信息网讯 2013年10月25日，德国耶拿公司在北京展览馆举行了&ldquo 高分辨ICP-OES新品发布会&rdquo ，推出目前市场同类产品中最高分辨率的ICP-OES新品&mdash &mdash PQ9000。发布会现场德国耶拿公司在BCEIA 2013上展示的ICP-OES新品&mdash &mdash PQ9000(左一：德国耶拿公司CEO Berka，左二：德国耶拿中国区总经理赵泰)　　在新品发布会上，仪器信息网(以下简称：instrument)编辑也就相关问题采访了德国耶拿中国区总经理赵泰。　　Instrument：多年来，耶拿公司一直以原子吸收的著名厂家而知名，尤其是2004年推出的划时代的连续光源原子吸收，目前中国的ICP市场已被许多品牌领先占据，德国耶拿公司为什么选择当前推出ICP-OES?　　赵泰：大家都知道ICP-OES产品经过多年的发展，在化学分析领域有着非常重要的地位，但是ICP的应用技术还是存在很多难以克服的问题，给我们的分析工作带来很大的障碍。　　比如，发射光谱的主要缺陷是发射谱线多、光谱干扰严重，很多分析问题都是源于此，所以对ICP-OES分辨率的要求就非常高，理想目标是分辨率达到发射谱线的自然宽度(1-3pm)，而目前市场上ICP-OES都未达到这一目标。　　还有ICP-OES很难直接测量高盐，痕量类样品，所以也限制了ICP的分析范围。另外，随着技术的进步大家对仪器研发要求越来越高，大家心目中理想的仪器，不仅性能要好，使用成本也要低。　　为了能克服不足，满足当前分析的需求，德国耶拿公司就一直在研发这样的ICP-OES。德国耶拿公司在光学仪器制造行业有非常丰富的经验，已经有160多年的发展历史和经验，具有得天独厚的优势，所以在光谱领域一直以来都能推出品质非凡的产品。耶拿新品ICP-OES PQ9000也是在传承历史，经过多年的研发，针对目前的ICP-OES产品的不足之处，为了满足当前分析需求，为分析者&ldquo 量身定做&rdquo 的，所以选择当前隆重推出。　　Instrument：耶拿推出的ICP-OES新品与市场上同类产品相比的在技术方面有哪些新的突破，仪器性能有何显著提高?给分析工作带来哪些优越?　　赵泰：首先，借助耶拿特有的光学技术优势，加上设计独特的分光系统，PQ9000的光谱分辨率能达到3pm，达到了相当于发射谱线自然宽度的理想目标，在目前市场上同类产品中是最高分辨率的ICP-OES。用户可以轻松应对很多难分析的、光谱干扰严重的样品。光学性能上也有很大的突破，保证了分析的稳定性和准确性。　　第二，PQ9000采用了先进的垂直矩管、双向观测设计方式，消除了高盐和基体的影响，不仅能满足各类样品(有机，高盐)的分析，也能满足不同浓度(µ g/L～%)的同时测量，保证了灵敏度和检测限。另外PQ9000采用冷锥加氩气反吹消除尾焰，无自吸，无空气，降低背景 持续氩气对光室和检测器的吹扫，消除空气和水分等对紫外光的吸收，从而使得PQ9000的检出限比常规降低2～10倍，灵敏度达到µ g/L级。从短波到长波，常用元素的检测限都大幅提高。从而解决了&ldquo 复杂基质&rdquo ，&ldquo 痕量分析&rdquo 的难题。　　第三，采用高性能的新一代CCD检测器，产生高量子效率和紫外超高灵敏度，可以自动选择最佳积分时间，同时记录元素线与其直接光谱环境，自动扣除背景，检测器只需致冷到零下6到10度即可稳定工作，大大缩短了预热时间(5分钟)，能做到真正的即开即用。　　第四，耶拿本着创新的理念，PQ9000在其他部分的设计上也充分体现。比如新颖独特的尾焰消除技术，采用最先进的气路设计，即吹扫和冷却用氩气又巡回到等离子体使用，没有额外消耗，大大地降低了氩气的消耗 　　另外，组合式炬管，体积小，氩气消耗少，从而最大程度降低氩气的消耗。整个外观设计也很精巧，是世界上体积最小的高分辨率ICP-OES。　　Instrument：耶拿新品ICP-OES主要在哪些应用领域推出?如何能获得用户的认可?　　赵泰：PQ9000在技术上的创新突破，打破了目前ICP-OES的分析局限，带来分析工作带来更多的自由空间。各种样品中低含量、微量和痕量的金属元素以及部分非金属元素的定性和定量分析 尤其适合分析样品量大，检测结果要求高的用户 可广泛应用于石油化工、农业，质检、环保、钢铁、科研、卫生等行业。凡是追求更好分析性能的用户都能认可该技术。　　Instrument：您是如何看待原子吸收与ICP-OES未来发展的关系?ICP-OES的推出对原子吸收业务发展有何影响?耶拿如何制定发展规划?战略目标是?　　赵泰：原子吸收和ICP-OES技术都是目前无机分析的主力军，两者一直是即有交叉又有互补的关系，应用上各有所长。　　ICP-OES的推出对原子吸收业务发展不会有太大影响，只是一些以往必须用石墨炉原子吸收分析的痕量元素现在有更多可能在高分辨率ICP-OES上完成，有更多分析任务可以全部依靠高分辨率ICP-OES完成，而不必分到两种仪器上才能全部满足分析任务的要求。但很多以往特别适合用原子吸收分析项目，如分析元素种类少，或仅靠火焰原子吸收就能完成的分析仍应采用原子吸收更为合适或更加经济。　　PQ9000高分辨率ICP-OES的推出，使耶拿公司的原子光谱仪器家族又增加了新的成员，能满足更多的分析需求，可以为更多的用户提供更多的服务，也为信赖耶拿品质的用户提供更大的合作空间。这也加进一步强了耶拿公司在无机分析领域的技术领先地位和市场影响力。耶拿公司将继续不遗余力的做好售后服务和技术支持，借助此超高分辨率ICP-OES的先进性能为用户解决更多的分析难题，增强实验室分析能力，更加简便、有效的完成高质量的分析任务。　　耶拿公司的战略目标是不断创新，用更多先进技术巩固和加强光谱技术领先者的市场地位。　　Instrument：谈谈新品ICP-OES PQ9000的市场定位和预期?　　赵泰：PQ9000高分辨率ICP-OES的市场定位与其它众多耶拿产品一样，仍然是瞄准高端市场，以技术优势和非凡品质赢得广泛用户的信赖。可以预期，期盼有更好、更强分析性能力装备的用户一定会欢迎这一新品，而耶拿公司的PQ9000绝不会让这样懂行的专业用户失望，将再次为德国耶拿赢得光彩夺目的品牌声誉!　　Instrument：2013年，在全球经济依然不景气的情况下，耶拿面对市场变化，取得了怎样的销售业绩?在耶拿中国的业绩情况?　　赵泰：2013年，德国耶拿一如继往的取得了骄人的业绩，除日本市场外，全球市场继续有较快增长，尤其生命科学业务，有近2位数的增长。　　耶拿中国的业绩继续领先全球，业务总量仍然保持2位数的增长速度，对总增长约推高2个百分点的生命科学业务更是增长了近80%!撰稿人：刘丰秋

高分辨率光谱仪本体，设有主动温控系统，以适应高精度视向速度观测的需要。 1月6日，由中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所为山东大学威海分校研制的中国第一台天文观测高分辨率光纤光谱仪通过验收。验收专家组由国家自然科学基金委、国家天文台、山东大学和北京大学的专家组成。 该仪器配置在山东大学威海天文台的1米望远镜上。光谱仪光学系统采用白瞳设计，光束口径92.5mm。仪器设有良好的恒温、隔震系统，由光纤引导连接到望远镜的卡焦接口，并配备有平场定标，波长定标及碘蒸汽盒定标装置和独立的导星系统。光谱仪一次曝光可覆盖波长范围为375nm～1000nm,光谱分辨率为40000～60000。 该仪器的科学目标是进行恒星视向速度测量，高分辨率、高信噪比的星际参数测量和化学元素丰度测量等。从2010年8月仪器交付使用以来，山东大学威海天文台进行了大量的试观测。试观测期间，光谱仪性能优良，工作状态良好。高稳定度的恒温系统和高精度的碘蒸汽吸收装置为高精度视向速度测量提供了有力的保障。试观测中对于视星等8等的恒星，一小时曝光观测的信噪比好于100。

在半导体行业，晶圆是用光刻技术制造和操作的。蚀刻是这一过程的主要部分，在这一过程中，材料可以被分层到一个非常具体的厚度。当这些层在晶圆表面被蚀刻时，等离子体监测被用来跟踪晶圆层的蚀刻，并确定等离子体何时完全蚀刻了一个特定的层并到达下一个层。通过监测等离子体在蚀刻过程中产生的发射线，可以精确跟踪蚀刻过程。这种终点检测对于使用基于等离子体的蚀刻工艺的半导体材料生产至关重要。等离子体是一种被激发的、类似气体的状态，其中一部分原子已经被激发或电离，形成自由电子和离子。当被激发的中性原子的电子返回到基态时，等离子体中存在的原子就会发射特有波长的辐射光，其光谱图可用来确定等离子体的组成。等离子体是用一系列高能方法使原子电离而形成的，包括热、高能激光、微波、电和无线电频率。实时等离子体监测以改进工艺等离子体有一系列的应用，包括元素分析、薄膜沉积、等离子体蚀刻和表面清洁。通过对等离子体样品的发射光谱进行监测，可以为样品提供详细的元素分析，并能够确定控制基于等离子体的过程所需的关键等离子体参数。发射线的波长被用来识别等离子体中存在的元素，发射线的强度被用来实时量化粒子和电子密度，以便进行工艺控制。像气体混合物、等离子体温度和粒子密度等参数都是控制等离子体过程的关键。通过在等离子体室中引入各种气体或粒子来改变这些参数，会改变等离子体的特性，从而影响等离子体与衬底的相互作用。实时监测和控制等离子体的能力可以改进工艺和产品。一个基于Ocean Insight HR系列高分辨率光谱仪的模块化光谱装置用于监测等离子体室引入不同气体后，氩气等离子体发射的变化。测量是在一个封闭的反应室中进行的，光谱仪连接光纤和余弦校正器，通过室中的一个小窗口观察。这些测量证明了模块化光谱仪从等离子体室中实时获取等离子体发射光谱的可行性。从这些发射光谱中确定的等离子体特征可用于监测和控制基于等离子体的过程。等离子体监测可以通过灵活的模块化设置完成，使用高分辨率光谱仪，如Ocean Insight的HR或Maya2000 Pro系列（后者是检测UV气体的一个很好的选择）。对于模块化设置，HR光谱仪可以与抗曝光纤相结合，以获得在等离子体中形成的定性发射数据。从等离子体室中形成的等离子体中获取定性发射数据。如果需要定量测量，用户可以增加一个光谱库来比较数据，并快速识别未知的发射线、峰和波段。监测真空室中形成的等离子体时，一个重要的考虑因素是与采样室的接口。仪器部件可以被引入到真空室中，或者被设置成通过视窗来观察等离子体。真空通管为承受真空室中的恶劣条件而设计的定制光纤将部件耦合到等离子体室中。对于通过视口监测等离子体，可能需要一个采样附件，如余弦校正器或准直透镜，这取决于要测量的等离子体场的大小。在没有取样附件的情况下，从光纤到等离子体的距离将决定成像的区域。使用准直透镜可以获得更局部的收集区域，或者使用余弦校正器可以在180度的视野内收集光线。测量条件HR系列高分辨率光谱仪被用来测量当其他气体被引入等离子体室时氩等离子体的发射变化。光谱仪、光纤和余弦校正器通过室外的一个小窗口收集发射光谱，对封闭反应室中的等离子体进行光谱数据采集（图1）。图1：一个模块化的光谱仪设置可以被配置为真空室中的等离子体测量。一个HR2000+高分辨率光谱仪（~1.1nm FWHM光学分辨率）被配置为测量200-1100nm的发射（光栅HC-1，SLIT-25），使用抗曝光纤（QP400-1-SR-BX光纤）与一个余弦校正器（CC-3-UV）耦合。选择CC-3-UV余弦校正器采样附件来获取等离子体室的数据，以解决等离子体强度的差异和测量窗口的不均匀问题。其他采样选项包括准直透镜和真空透镜。结果图2显示了通过等离子体室窗口测量的氩等离子体的光谱。690-900纳米的强光谱线是中性氩（Ar I）的发射线，400-650纳米的低强度线是由单电离的氩原子（Ar II）产生的。图2所示的发射光谱是测量等离子体发射的丰富光谱数据的一个例子。这种光谱信息可用于确定一系列关键参数，以监测和控制半导体制造过程中基于等离子体的工艺。图2：通过真空室窗口测量氩气等离子体的发射。氢气是一种辅助气体，可以添加到氩气等离子体中以改变等离子体的特性。在图3中，随着氢气浓度的增加添加到氩气等离子体中的效果。氢气改变氩气等离子体特性的能力清楚地显示在700-900纳米之间的氩气线的强度下降，而氢气浓度的增加反映在350-450纳米之间的氢气线出现。这些光谱显示了实时测量等离子体发射的强度，以监测二次气体对等离子体特性的影响。观察到的光谱变化可用于确保向试验室添加最佳数量的二次气体，以达到预期的等离子体特性。图3：将氢气添加到氩等离子体中会改变其光谱特性。在图 4 和 5 中，显示了在将保护气添加到腔室之前和之后测量的等离子体的发射光谱。 保护气用于减少进样器和样品之间的接触，以减少由于样品沉积和残留引起的问题。 在图 4中，氩等离子体发射光谱显示在加入保护气之前，加入保护气后测得的发射光谱如图5所示。保护气的加入导致了氩气发射光谱的变化，从400纳米以下和~520纳米处的宽光谱线的消失可以看出。图4：加入保护气之前，在真空室中测量氩等离子体的发射。图5：加入保护气后，氩气发射特性在400纳米以下和~520纳米处有明显不同。结论紫外-可见-近红外光谱是测量等离子体发射的有力方法，以实现元素分析和基于等离子体过程的精确控制。这些数据说明了模块化光谱法对等离子体监测的能力。HR2000+高分辨率光谱仪和模块化光谱学方法在测量等离子体室条件改变时，通过等离子体室的窗口测量等离子体发射光谱，效果良好。还有其他的等离子体监测选项，包括Maya2000 Pro，它在紫外光下有很好的响应。另外，光谱仪和子系统可以被集成到其他设备中，并与机器学习工具相结合，以实现对等离子体室条件更复杂的控制。以上文章作者是海洋光学Yvette Mattley博士，爱蛙科技翻译整理。世界上第一台微型光谱仪的发明者海洋光学OceanInsight，30年来专注于光谱技术和设备的持续创新，在光谱仪这个细分市场精耕细作，打造了丰富而差异化的产品线，展现了光的多样性应用，坚持将紧凑、便携、高集成度以及高灵敏度、高分辨率、高速的不同设备带给客户。2019年，从Ocean Optics更名为Ocean Insight，也是海洋光学从光谱产品生产商转型为光谱解决方案提供商战略调整的开始。此后，海洋光学不仅继续丰富扩充光传感产品线，且增强支持和服务能力，为需要定制方案的客户提供量身定制的系统化解决方案和应用指导。作为海洋光学官方授权合作伙伴，爱蛙科技（iFrogTech）致力于与海洋光学携手共同帮助客户面对问题、探索未来课题，为打造量身定制的光谱解决方案而努力。如需了解更多详情或探讨创新应用，可拨打400-102-1226客服电话。关于海洋光学海洋光学作为世界领先的光学解决方案提供商，应用于半导体、照明及显示、工业控制、环境监测、生命科学生物、医药研究、教育等领域。其产品包括光谱仪、化学传感器、计量检测设备、光纤、透镜等。作为光纤光谱仪的发明者，如今海洋光学在全球已售出超过40万套的光纤光谱仪。关于爱蛙科技爱蛙科技（iFrogTech）是海洋光学官方授权合作伙伴，提供光谱分析仪器销售、租赁、维护，以及解决方案定制、软件开发在内的全链条一站式精准服务。

近期，中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所副研究员许振宇团队在激光外差光谱技术研究中获进展。相关研究成果发表在《光学通信》（Optics Letters）上。激光外差光谱仪因具有高光谱分辨率、体积小、易集成等优点，已经逐渐发展成为与地基傅里叶变换光谱仪互补的温室气体柱浓度与廓线测量工具。激光外差光谱技术因受限于光学天线理论，无法通过增加光学接收口径的方法提高外差信号信噪比，这导致高分辨率激光外差探测中气体廓线测量精度受限。对此，研究人员提出基于半导体光放大技术的微弱太阳光放大方法，解决了高分辨率激光外差探测中光学天线理论限制的外差信号信噪比提高问题。研究结果表明，相比于传统的高分辨率激光外差光谱仪，所研发的基于半导体光放大的高分辨率激光外差光谱仪的弱光信号探测和气体浓度测量精度得到大幅提升。该研究有助于提高高分辨率激光外差光谱仪的性能，在大气温室气体传感等方面具有巨大应用潜力。相关研究工作获得国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。基于半导体光放大技术的激光外差光谱仪实验装置示意图信号对比测量结果

一、项目基本情况项目编号：310000000231018136459-00044392项目名称：上海科技大学磁-惯性约束聚变能源系统关键物理技术项目购高分辨率光谱仪1预算编号： 0023-J00046862 预算金额（元）： 8600000元（国库资金：8600000元；自筹资金：0元）最高限价（元）： 无 采购需求： 包名称：磁-惯性约束聚变能源系统关键物理技术项目购高分辨率光谱仪1 数量：4 预算金额（元）：8600000.00 简要规格描述或项目基本概况介绍、用途：上海科技大学磁-惯性约束聚变能源系统关键物理技术项目购高分辨率光谱仪4套及相关售后服务，交货期：合同签订后6个月内交付；质保期：不少于一年 合同履约期限： 合同签订后至合同规定内容全部完成 本项目（ 否 ）接受联合体投标。二、获取招标文件时间：2023年11月23日至2023年11月30日，每天上午00:00:00-12:00:00，下午12:00:00-23:59:59（北京时间，法定节假日除外）地点：上海市政府采购网方式： 网上获取 售价（元）： 0 三、对本次采购提出询问，请按以下方式联系1.采购人信息名 称：上海科技大学地 址：华夏中路393号联系方式：021-206851792.采购代理机构信息名 称：上海健生教育配置招标有限公司地 址：上海市瞿溪路350号1楼联系方式：53087656-1053.项目联系方式项目联系人：余大为电 话：53087656-105

目前，基于超快激光的非线性拉曼光谱技术已经越来越成熟了；而且，随着纳米科技的迅猛发展，使得基于纳米结构的表面增强拉曼光谱(SERS)和针尖增强拉曼光谱(TERS)在超高灵敏度检测方面取得了长足的进步，推动拉曼光谱成为迄今很少的、可达到单分子检测水平的技术。　　“港东科技”自二十世纪九十年代初就开始研发“拉曼光谱”系列产品。自主研发、生产、制造的LRS-2型和LRS-3型激光拉曼光谱仪以结构简单、便于调整和测量、灵敏度高、稳定性好等特点分别在1998年和2000年世界银行贷款发展项目中二度中标。该仪器现已大量应用于科研院所、高等院校的物理实验室和化学实验室，作为测量和教学拉曼光谱和荧光光谱的实验仪器。LRS-2/3激光拉曼光谱仪　　仪器特点：　　自动记录拉曼、荧光光谱 　　高分辨率，低杂散光单色系统 　　高灵敏度、低噪音单光子计数器做接收系统 　　大功率半导体激光器作为激发光源 　　配有稳定性好、精度高的外光路系统 　　多种附件可选，适用于液体、固体样品的分析 　　配有用于减小瑞利散射的陷波滤波器。　　2008年，港东科技自主研发的，同时也是国内首款LRS-5型微区激光拉曼光谱仪(将具有自主知识产权的高分辨激光共焦显微镜作为收集拉曼散射光系统，长焦长高分辨平场成像输出的单色器，结合自行研制的计算机软件编程等相关实验技术相整合，构建具有自主知识产权的新型高分辨的激光共聚焦显微光谱探测联用设备-激光共焦拉曼光谱仪)研制成功。　　这是一项将拉曼光谱分析技术与显微分析技术结合起来的应用技术。微区激光拉曼可将激发光的光斑聚焦到微米量级，从而可以在不受周围环境干扰的情况下，精确获得所检测样品的有关化学成分、晶体结构、分子相互作用以及分子取向等各种拉曼光谱信息。　　我们对激光共焦拉曼显微镜的装置设计与技术参数，几何尺寸与配置，显微镜的白光成像照明系统和偏振调光图像处理技术进行了细致的研讨与实际效果的理论计算，为该显微镜的结构定型、技术指标奠定了基础。最终研制成功具有自主知识产权的高性能激光共聚焦拉曼显微镜系统。LRS-5 微区激光拉曼光谱仪　　仪器特点：　　操作简单，友好的人机对话界面 　　高分辨率、高稳定性和低杂散光的非对称800mm焦距平场光谱仪系统 　　接受系统采用具有高灵敏度、低噪音的面阵CCD接收器 　　外光路系统采用显微镜作为激光会聚和拉曼光收集系统，具有很高的效率和稳定性 　　配有用于减小瑞利散射的陷波滤波器。　　2012年至2016年，“港东科技”作为国内唯一一家研发、生产高分辨率长焦拉曼的企业受邀参加了由北京理工大学牵头，协同中国科学院物理研究所共同研发的“激光差动共焦成像与检测仪器研发及其应用研究”项目，该项目属于“国家重大科学仪器开发和应用专项”。在该项目中我司主要承担“拉曼光谱成像探测系统”的研发任务。普通激光束的直径通常为1.7mm左右，而显微激光拉曼光谱可以对被分析对象表面及其以下部分(透明或半透明材料)进行分层扫描，以获得较大范围内的信息，能够进行微区(小于0.2µm)分析，很好地满足了对复合材料中不同组元结构分析的要求。　　对于“拉曼光谱”在未来的发展，那就必须先从“拉曼光谱”与它的姊妹谱——红外光谱的比较说起。　　相似之处：“拉曼光谱”与“红外光谱”一样，都能提供分子振动频率的信息，对于一个给定的化学键，其红外吸收频率与拉曼位移相等，均代表第一振动能级的能量。　　不同之处：　　1.红外光谱的入射光及检测光都是红外光，而拉曼光谱的入射光和散射光大多是可见光。拉曼效应为散射过程，拉曼光谱为散射光谱，红外光谱对应的是与某一吸收频率能量相等的(红外)光子被分子吸收，因而红外光谱是吸收光谱。　　2.从分子结构性质变化的角度看，拉曼散射过程来源于分子的诱导偶极矩，与分子极化率的变化相关。通常非极性分子及基团的振动导致分子变形，引起极化率的变化，是拉曼活性的。红外吸收过程与分子永久偶极矩的变化相关，一般极性分子及基团的振动引起偶极矩的变化，故通常是红外活性的。　　3.红外光谱制样复杂，拉曼光谱勿需制样，可直接测试水溶液。　　姊妹谱的联系：　　1、凡有对称中心的分子，若有拉曼活性，则红外是非活性的 若红外活性，则拉曼是非活性的。　　2、凡无对称中心的分子，大多数的分子，红外和拉曼都活性。　　3、少数分子的振动，既非拉曼活性，又非红外活性。(如：乙烯分子的扭曲振动，在红外和拉曼光谱中均观察不到该振动的谱带。　　综上所述，拉曼光谱相对于红外光谱，其优势之一体现在用拉曼研究水溶液中比较方便，而生命科学的许多研究往往需要的水溶液环境。共振拉曼、表面增强拉曼和非线性拉曼光谱以及它们的联用将成为生命科学前沿领域具有重要价值的研究方法，因为21世纪是生命科学的世纪(如：临床医疗、癌症的检测与诊断等)，我们以为也是纳米技术和激光技术的世纪，因此我们觉得拉曼光谱的发展和应用是大有可为的。　　但就目前来讲，“拉曼光谱”还存在一定的不足，例如：　　1、拉曼散射面积 　　2、不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响 　　3、荧光散射的干扰 　　4、在进行分析时，常出现曲线的非线性的问题 　　5、任何一个物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染，这等于引入了一些误差的可能性，会对分析的结果产生一定的影响。　　当然我们也相信，随着相关技术领域的不断进步和提高，这些问题在不远的将来都能得到完善的解决。届时“拉曼光谱”的应用领域也将更为广泛。　　“拉曼光谱”揭示了丰富的化学键信息，检测对象从单质到化合物，从纯净物到混合物，从无机物到有机物，从固体到液体甚至到气体。随着技术的进一步发展，便携式拉曼光谱仪的发展趋势将呈现多样化。更加小型化、智能化、应用更加细分(分析化学、安全检查、生物医药、机场安检、爆炸物分析等)，将成为发展的主流，而性能却不会随着小型化而缩水。同时，随着应用领域的扩大，适应恶劣的工作环境(高温、高压)也将是发展方向之一。而价格合理化将是便携式拉曼光谱仪发展的终极目标。（内容来源：港东科技）

海洋光学(Ocean Optics)于近期推出高性能，900-2200nm 光谱响应的近红外光谱仪：NIRQuest 512-2.2。该产品是用于水分检测、化学分析、高分辨率激光检测和光纤特征研究等的理想设备。海洋光学NIRQuest 512-2.2 近红外光纤光谱仪尺寸小，且测量范围可达900-2200nm　　NIRQuest 512-2.2采用高稳定性、512像元的滨松 (Hamamatsu) 铟镓化砷 (InGaAs) 阵列探测器，集成二阶热电制冷和低电子噪声的小型光学平台。根据配置 -- 有六种光栅选项和五种尺寸入射狭缝可供选择--光学分辨率可达~0.5 nm-5.0 nm ( FWHM 全宽半高值)，高的分辨率要求对激光特征分析是相当有用。　　独特的外部硬件触发功能允许用户通过外部触发来捕捉光谱，或者在数据获得之后来控制触发其它器件。该功能有利于自动过程控制的集成开发或从同步闪光的太阳能模拟器中捕捉光谱。　　光谱仪采用的SpectraSuite操作软件是一个模块化、以 Java 开发的操作平台，可在Windows，Mac OS 和Linux 操作系统下运行工作。 此外，NIRQuest 512-2.2能与海洋光学的Remora网络适配器一起使用，可将系统变为通过以太网或已有无线连接控制使用的多用户光谱数据服务器。　　推出NIRQuest 512-2.2之后，海洋光学现提供的NIRQuest近红外光谱仪光谱测量范围选项如下：900-1700 nm、900-2050 nm、900-2200nm 和900-2500nm 。多种光栅、光学平台和光学附件使得 NIRQuest 系列能适应各种各样的应用，如医学诊断、食物饮料监测、药物分析、环境监控和过程控制等等。　　关于海洋光学 (Ocean Optics) 和豪迈 (HALMA) :　　总部位于达尼丁，佛罗里达的海洋光学是世界领先的光传感和光谱技术解决方案提供商，为您提供测量和研究光与物质相互作用的先进技术。海洋光学在亚洲与欧洲设有分部，自1992年以来，在全球范围内共售出了超过120，000套光谱仪。海洋光学拥有庞大的产品线，包括光谱仪、化学传感器、计量仪器、光纤、薄膜和光学元件等等。海洋光学是致力于安全检测领域的英国豪迈集团的子公司。海洋光学的产品在医学和生物研究、环境监测、科学教育、娱乐照明及显示等领域应用广泛，公司隶属英国豪迈集团。创立于1894年的豪迈是国际安全、健康及传感器技术方面的领军企业，伦敦证券交易所的上市公司，在全球拥有 4000 多名员工，近40 家子公司。豪迈目前在上海、北京、广州和成都设有代表处，并且已在中国开设多个工厂和生产基地。

2015年6月2日，聚光科技正式对外发布直读光谱仪家族的最新成员：E5000A型高分辨率电弧直读光谱仪。 E5000A型高分辨直读光谱仪是原E5000型产品的衍生品，与E5000共用同一技术平台，把原有2400L/mm的光栅更换为3600L/mm，增大光谱仪色散，分辨率提高了30%，光谱半高全宽达到18pm。在样品分析过程中，能有效的避免元素间干扰，使其性能进一步提升，特别适合对Ag、B、Sn检测有较高要求的用户。以Ag作为代表元素，谱图如下所示：3600L/mm光栅 2400L/mm光栅 2400刻线光室有谱线干扰的元素主要是Ag和Sn，采用3600刻线光栅后，分辨率大约提高了30%，对于一些Fe含量较高的样品，能准确分析。比如GSS4样品中Ag元素铁峰的干扰问题。样品GSS4中3600刻线光室Ag的谱线 样品GSS4中2400刻线光室Ag的谱线 如上图GSS4样品的Ag光谱所示，E5000A型电弧直读发射光谱仪采用了3600刻线光学系统之后，Ag 328.07nm谱线明显分开，消除了铁峰的干扰，使得测量准确性大为提高，达到了1：20万化探标准的要求。测试结果如下：GSS4 Ag E5000A 测量值(μg/g)0.087真实值(μg/g)0.07 ΔLog(C) 0.094 在检出限方面，E5000A型仪器也有了进一步提升，具体数据如下表所示：元素3600光栅(μg/g)1:20万要求(μg/g)Ag 0.0044850.02B0.1812155Sn0.2248261 E5000型电弧直读发射光谱仪自从2014年10月上市以来，便在全国范围内巡展，依次到过河南、天津、山东、长春、新疆、成都、江西等地。且得到用户的高度认可，甚至有些用户在交流会现场确定采购。目前已有几十家用户在使用这台仪器，用户体验非常好。在回访活动中，安庆326地址调查院用户说：“我们分析了11种元素，效果非常好”。西藏用户说：“每天分析300多个样品，自从使用聚光科技的仪器后，极大地提升了生产效率，使工作变得轻松愉快且有品位”。看到用户脸上洋溢的笑容和发自内心对仪器的认可，我们收获了满满的幸福。有些用户反馈说：“在地矿行业，样品量大、情况复杂、干扰多、领域宽广，对分析检测的质量要求高，特别是Ag、B、Sn的检测，一直是困扰地矿行业的难题，迫切需要高分辨率的仪器面世”。为更好地满足用户需求，聚光科技正式推出高分辨率电弧直读光谱仪。在未来，我们会带着这两款仪器走访更多的用户，把最新的技术和应用带到每一个用户的身边。同时也希望用户能为仪器提出宝贵的意见，说出用后的心得体会，以便升级的仪器更贴近用户的需求。 聚光科技实验室业务发展事业部总经理马放均表示：“E5000A型 电弧直读发射光谱仪的上市，体现了我们不断改进仪器性能和功能的承诺，同时彰显了我们在现有仪器的基础上不断衍生出更适合行业应用和用户需求的仪器。同时，体现了聚光科技自主创新以及不断超越自己的能力。目前电弧直读光谱仪在地矿行业已有非常成功的应用，聚光科技同时开展了在环保固废分析、土壤分析、冶金有色分析等行业的应用研究。在未来，我们依然坚持以用户的需求为出发点，在多个领域研制出用户需要的仪器”。 “绿色分析”和减少分析检测对环境和人类的危害是浙江地质矿产研究所郑存江教授一直倡导的理念，郑教授在接受媒体采访时说：“E5000能够对地质分析中难以分解的Ag、B、Sn三种元素进行分析。如果加入惰性气体，原来不能测定的氰带干扰元素，现在也可以通过E5000检测了。进一步实现仪器自动化，以应对庞大的样品量。同时，金属、非金属的粉末样品都能通过E5000检测。”更多关于郑教授的采访内容，请查看以下链接：http://www.instrument.com.cn/news/20140721/136984.shtml 活动现场剪影E5000A型电弧直读发射光谱仪的优点如下： 小身材大能量：体积小，波长范围宽，近万条谱线，操作简单 绿色分析：固体粉末直接进样，全面解决Ag、B、Sn检测难的问题 全谱直读：光谱范围广，谱线库丰富，先进的背景校正技术，谱线精细分析 稳定可靠：全固定精密恒温光学系统，智能漂移校正技术，安全连锁水冷系统 想你所想：旋钮式电极夹持，电极激光自动对准，一键激发直读光谱仪家族成员

1GHZ——超高分辨率光谱仪的新突破 --- 基于ZOOM超高分辨率光谱仪 摘要：近日，Resolution Spectra System 公司推出一款超高分辨率光谱仪：1GHZ-ZOOM Spectrometer. 这款光谱仪可以说是目前市场上绝无仅有的一款超高分辨率光谱仪（1GHZ），它具有其他光谱仪无法匹配的优良特性：高分辨率（1GHZ）、 SWIFTS Technology 、30KHZ测量速率、体积小、终生仅需一次校准。 ZOOM Spectrometer 不同于现在市场上的光谱仪，它是第一个也将是仅有的一个采用SWIFTS Technology技术的高性能光谱仪供应商（上海昊量光电设备有限公司-中国代理商），它的核心技术是SWIFTS Technology,即采用目前世界上先进的光波导技术（如图1）来替代传统的光栅元件。这样，光谱仪内部不再包含可移动的元器，也确保了波长的绝对精确性（终生仅需校准一次，可充当波长计来使用）。 图1 SWIFTS 芯片（光波导技术） 此前Resolution Spectra System公司已经相继推出多款高分辨率光谱仪： （1） WIDE Spectrometer（6GHZ） 宽带高分辨率光谱仪 （7-20pm）（2） MICRO Spectrometer（6GHZ） 高性价比超高分辨率光谱仪 （7-20pm)（3） ZOOM Spectrometer (6GHZ、3GHZ) 高速率、高分辨率光谱仪 （5-15pm） 近年来，我们的高分辨率光谱仪得到了众多科研工程师们的青睐，为了满足诸多工程师们对激光器超窄线宽的测量、单纵模激光器的检测、VCSEL激光器测量（图２）、高深度相干断层扫描（图３）等需求. Resolution Spectra System 研制了分辨率高达1GHZ的超高分辨率光谱仪——ZOOM Spectrometer。 图２　ＶＣＳＥＬ激光器测量 图３　　　高深度相干断层扫描图 对于ZOOM Spectrometer –超高分辨率光谱仪，如果您想要更深入的进行了解，可直接联系我们。 您可以通过我们的官方网站了解更多的超高分辨率光谱仪产品信息，或直接来电咨询021-34241962。 激光器 大功率连续半导体/固体激光器（CW）碱蒸汽激光泵浦源（SEOP） 光学部件 体布拉格光栅(VBG，VHG)空间滤波器(spatial filters)频谱合束光栅用于角度选择与放大的透射体布拉格光栅啁啾布拉格光栅多波长激光合束器激光选模/波长锁定用体布拉格光栅光学滤波片/陷波滤波片BPF低波数带通滤光片BNF低波数陷波滤波片 光学/激光测量设备 频谱分析仪630~1100nm频谱分析仪 光谱仪 光纤光谱仪宽带超高分辨率光谱测量仪高性价比超高分辨率光谱仪(7~20pm)高速、超高分辨率光谱仪（0.005nm）

近日，中科院合肥研究院安光所许振宇副研究员课题组科研人员在激光外差光谱技术研究中取得新的突破，相关研究成果发表在《光学通信》（Optics Letters）上，且该论文被编入编辑精选(Editor’s Pick)。激光外差光谱仪因具有高光谱分辨率、体积小、易集成等优点，已经逐渐发展成为与地基傅里叶变换光谱仪互补的温室气体柱浓度与廓线测量工具。激光外差光谱技术因受限于光学天线理论，无法通过增加光学接收口径的方法提高外差信号信噪比，这导致高分辨率激光外差探测中气体廓线测量精度受限。对此，安光所科研团队邓昊博士后首次提出基于半导体光放大技术的微弱太阳光放大方法，解决了高分辨率激光外差探测中光学天线理论限制的外差信号信噪比提高问题。研究结果表明所研发的基于半导体光放大的高分辨率激光外差光谱仪相比于传统的高分辨率激光外差光谱仪在弱光信号探测以及气体浓度测量精度方面得到大幅提升。该研究提高了高分辨率激光外差光谱仪的性能，在大气温室气体传感等方面具有巨大的应用潜力。基于半导体光放大技术的激光外差光谱仪实验装置示意图信号对比测量结果文章链接：https://opg.optica.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-47-17-4335&id=493999

近期，中科院合肥研究院安光所许振宇副研究员课题组科研人员在激光外差光谱技术研究中取得新的突破，相关研究成果发表在《光学通信》(Optics Letters)上，且该论文被编入编辑精选(Editor’s Pick)。 　　激光外差光谱仪因具有高光谱分辨率、体积小、易集成等优点，已经逐渐发展成为与地基傅里叶变换光谱仪互补的温室气体柱浓度与廓线测量工具。激光外差光谱技术因受限于光学天线理论，无法通过增加光学接收口径的方法提高外差信号信噪比，这导致高分辨率激光外差探测中气体廓线测量精度受限。对此，安光所科研团队邓昊博士后首次提出基于半导体光放大技术微弱太阳光放大方法，解决了高分辨率激光外差探测中光学天线理论限制的外差信号信噪比提高问题。研究结果表明所研发的基于半导体光放大的高分辨率激光外差光谱仪相比于传统的高分辨率激光外差光谱仪在弱光信号探测以及气体浓度测量精度方面得到大幅提升。 　　该研究提高了高分辨率激光外差光谱仪的性能，在大气温室气体传感等方面具有巨大的应用潜力。 　　邓昊博士后是论文第一作者，许振宇副研究员与阚瑞峰研究员是论文通信作者。该研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。基于半导体光放大技术的激光外差光谱仪实验装置示意图信号对比测量结果

近期，中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所副研究员许振宇团队在激光外差光谱技术研究中获进展。相关研究成果发表在《光学通信》（Optics Letters）上。　　激光外差光谱仪因具有高光谱分辨率、体积小、易集成等优点，已经逐渐发展成为与地基傅里叶变换光谱仪互补的温室气体柱浓度与廓线测量工具。激光外差光谱技术因受限于光学天线理论，无法通过增加光学接收口径的方法提高外差信号信噪比，这导致高分辨率激光外差探测中气体廓线测量精度受限。对此，研究人员提出基于半导体光放大技术的微弱太阳光放大方法，解决了高分辨率激光外差探测中光学天线理论限制的外差信号信噪比提高问题。研究结果表明，相比于传统的高分辨率激光外差光谱仪，所研发的基于半导体光放大的高分辨率激光外差光谱仪的弱光信号探测和气体浓度测量精度得到大幅提升。　　该研究有助于提高高分辨率激光外差光谱仪的性能，在大气温室气体传感等方面具有巨大应用潜力。　　相关研究工作获得国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。　　论文链接基于半导体光放大技术的激光外差光谱仪实验装置示意图信号对比测量结果

HR2是一款高分辨率科研级光谱仪全新的探测器超高的采集速度良好的热稳定性一如既往的便携小尺寸提供更高的分辨率和信噪比重点特色KEY FEATURES&bull 高分辨率2098个有效像素点16-位 A/D分辨率 (65535 counts)能探测到更弱、变化更快的光信号提升杂散光控制&bull 高信噪比单次采集信噪比 380:1高速平均模式信噪比 25833:1&bull 超高的采集速度微秒级积分时间 1µ s-1.5s&bull 优良的热稳定性温漂 0.06 Pixels/°C环境条件变化时有可靠光谱响应&bull 更广的动态范围单次采集动态范围 3000:1系统动态范围 2.46*108HR2系列在各大基础应用中表现良好特别针对吸光度测量表现十分优异搭配使用OceanDirect跨平台软件开发工具包快速实现多次板载平均并大幅加强信噪比！多种选择DIVERSE OPTIONS18款预配置多种可能性可供选择并支持定制版本应用广泛APPLICATIONSHR2适用于日常实验室使用，也可以嵌入OEM仪器并集成到工艺流水线中&bull LED/激光表征 采集时间短，可直接测量 无需附件仪器也不会饱和&bull 紫外/可见光吸光度 吸光度极限值可到 2.5 AU&bull 还可应用于... 半导体行业：等离子体监控 生物制药、药品分析 (吸光度) 分子诊断设备: RNA/DNA 生物流体诊断设备

近日，记者从中科院化学所获悉，该所胶体、界面与化学热力学重点实验室李峻柏课题组利用其开发的“超高分辨率荧光显微镜”，观测到生物矿化过程中参与结晶的蛋白质分布信息。论文在《德国应用化学》上刊发。　　“超高分辨率荧光显微镜”可以超越远场光学显微镜的分辨率极限，直接检测到几十纳米的精细结构。而与能达到相同或更高分辨率的X光显微镜、各类电子显微镜及原子力显微镜相比，超高分辨荧光成像能在常温常压和基本不损伤生物样本活性的条件下，获得其纳米尺度的图像信息。　　研究人员介绍，“超高分辨率荧光显微镜”又称为随机光学重建显微镜(STORM)，可达到或好于50纳米分辨率。在前期研究中，李峻柏课题组在超高分辨图像采集和数据分析方面发展了实时单分子定位的程序包SNSMIL，该程序包可广泛应用于高背景成像的数据分析。　　他们利用STORM观测到方解石中生物矿化过程中参与结晶的蛋白质分布信息，为研究蛋白质诱导生物矿化的机理提供了数据。

美国劳伦斯伯克力国家实验室的科学家们开发了首个真彩(true-color)超高分辨率显微成像技术，为研究细胞结构和相关疾病提供了一个强大的工具。该技术将光谱与超高分辨率显微技术结合起来，在单分子成像时可以达到空前的光谱和空间分辨率。这一突破性成果发表在八月十七日的Nature Methods杂志上。　　“我们用这一技术检测每个分子在空间和光谱中的定位，根据其光谱判断分子的颜色，可以说这是首个真彩超高分辨率显微镜，”助理教授Ke Xu说，他将这一技术命名为SR-STORM(spectrally resolved stochastic optical reconstruction microscopy)。　　SR-STORM能够给出每个分子的光谱和空间信息，为人们打开了一扇新的大门。该技术不仅能够在细胞中成像多个组分，还能检测局部的化学环境(比如pH变化)。更重要的是，SR-STORM是一种高通量技术，能在大约五分钟内获得大量单分子的空间和光谱信息。　　SR-STORM是Xu博士基于自己之前的工作开发出来的，当时他在著名学者庄小威(Xiaowei Zhuang)实验室从事博士后研究。庄小威教授研发的超高分辨率成像技术STORM与诺奖得主Eric Betzig的成果不相伯仲，却和2014年的诺贝尔化学擦肩而过。　　现有的超高分辨率显微技术不能给出光谱信息，这样的信息对于理解分子行为是很有帮助的，而且能够对多个靶标实现高质量的多色成像。Xu博士和同事们经过深入探索，终于解决了这一难题。他们用发射波长相近的14种染料对样本进行染色。尽管这些染料的光谱彼此重叠，但SR-STORM能够很好的将其区分开。研究人员还用四种染料对线粒体、微管等四个不同的亚细胞结构进行标记。研究显示，SR-STORM能够根据分子的光谱轻松分辨不同的颜色，每个亚细胞结构都能鲜明的呈现出来。　　“我们以大约10nm的高分辨率，成像了细胞内四个生物学组分的空间互作，”Xu说。“目前这一技术主要用于基础研究和细胞生物学领域，我们希望日后也能将其用于医疗。研究者们可以在SR-STORM的帮助下观察细胞结构的建立，以及它们在疾病中发生的变化。”　　“细胞骨架包括一系列相互作用的亚细胞结构和蛋白，这一技术可以通过空前的颜色通道和空间分辨率，揭示不同靶标之间的互作。”　　Xu博士正在尝试进一步改良这一技术，使它能够用于常规显微系统。他也在开发合适的染料和探针，在纳米尺度上监控细胞内局部环境的变化，比如pH值。　　原文链接：Ultrahigh-throughput single-molecule spectroscopy and spectrally resolved super-resolution microscopy

为了更好地了解全球气候变化，特别是温室气体（CO2、CH4、N2O、HF、CO、H2O和HDO）在大气和生物圈之间的交换，总碳柱观测网（TCCON）、大气成分变化观测网（NDACC）等研究机构相继成立。这些都是由地基傅立叶变换红外光谱仪（以及其他仪器）组成的网络，它们将太阳作为光源，来记录近红外或中红外光谱范围大气谱。所接收到的高精度数据可以作为重要的地面真实数据，作为对像美国宇航局（NASA）等的卫星测量数据的补充。对于大气污染物的分析，太阳作为红外光源，太阳光经过整个大气层一直到光谱仪的整个光路上不同组分的浓度进行了测量。对于这类场发射测量，需要用到超高分辨率傅立叶变换红外光谱仪。布鲁克IFS 125HR傅立叶变换红外光谱仪凭借准确的仪器谱线函数、出色的波长精度和世界上最高的光谱分辨率，成为该应用和相关研究机构的黄金标准。布鲁克IFS 125HR超高分辨光谱仪采用了令人瞩目的干涉仪设计，可确保光束在长达11米的极长光程差中的完整性。于是，IFS125HR光谱仪全球网络被用于监测全球范围内的大气变化，其中，部分安装在山峰上的观测中心，例如，著名的瑞士少女峰（NDACC）；或安装在坐落于美国俄克拉荷马州Lamont的SGP ARM站点设备服务中心（TCCON）。下方图片提供了安装有IFS 125HR光谱仪的全球TCCON观测站点位置，这也凸显了布鲁克在大气污染监测方面做出的重要贡献。注：TCCON: total carbon column observing networkNDACC: network for the detection of atmospheric composition changeSGP: Southern Great PlainsARM: Atmospheric Radiation MeasurementThe Southern Great Plains (SGP) atmospheric observatory was the first field measurement site established by the Atmospheric Radiation Measurement (ARM) user facility. This observatory is the world’s largest and most extensive climate research facility.

2017年9月17日，**四届高分辨率对地观测学术年会在武汉大学隆重开幕。来自国内外高校、科研院所、企业单位的7位院士以及1200余名代表、学生参加了会议。北京欧普特科技有限公司一如既往的积极参与了此次行业年度盛会。本届年会由高分辨率对地观测系统重大专项管理办公室、中国科学院重大科技任务局、中国航天科技集团公司宇航部、中国航天科工集团公司空间工程部、中国测绘学会摄影测量与遥感专业委员会联合主办，由武汉大学、国防科技大学、中国航天科工集团**四研究院共同承办；以“精致为用”为主题，集中体现了高分专项“**探测、精细处理、精准应用、精益求精”的宗旨与追求，充分代表了我国高分辨率对地观测的发展方向及战略需求。高分学术年会作为国内高分辨率对地观测领域的年度盛会，汇集了本领域的顶尖专家和行业用户，持续聚焦军民融合、一带一路、成果转化等政策和技术热点，充分研讨高分新思想、新技术、新方法、新发展，有力推动了高分体制机制和技术创新以及产业升级，显著提升了高分专项的品牌效益。北京欧普特科技有限公司作为二十年光谱仪器行业的开拓者与引领者，始终坚持我们的创业初衷，不断为国内广大客户引进推广国外**先进的光谱类光学仪器与技术，并凭借我司从业多年来所累积的丰富经验以及与各大科研院所多年来真诚合作所建立的良好合作关系，同时设身处地的与我国用户的实际科研与生产需求相结合，自主研发了一系列与我司销售的光谱类仪器配套的软件、系统与解决方案，从而做到更专业系统的满足客户的使用要求、更周到细致的为广大新老提供售前与售后服务。北京欧普特科技有限公司，竭诚期待与您的合作。

div class="content"!--enpcontent--p近期，中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所天文光子学团队在超高分辨超高定标精度光谱技术研究中取得进展。研究团队将虚拟成像相位阵列（VirtuallyImaged PhasedArray，VIPA）作为主色散元件，以激光频率梳作为波长定标源，在实验上获得的光谱分辨率为106万（~0.6皮米），短时标波长定标精度优于10厘米/秒；目前，由于仪器未做任何温度和压力控制，6小时双通道同步定标精度~13米/秒，奇偶次定标精度~40厘米/秒。相关研究成果发表在TheAstronomical Journal上。/pp该研究第一完成人、博士朱小明和团队负责人、研究员何晋平介绍，后续通过优化系统，做好装置的温控和压控，该类光谱技术可兼顾超高分辨率（50万~1000万）及超高定标精度（10厘米/秒量级），且装置紧凑，造价低，可为未来天文超高分辨率光谱观测提供技术支撑，有望在恒星化学元素探测及大气同位素比、系外行星探测及大气成分表征、星际物质分子丰度、太阳物理动力学过程、精细结构和磁横流研究等方面获得实用。除天文方面的应用，该类技术在高精度测距、测力、测温及测速方面均有较明确的应用前景，后续有望应用在生物力学特性研究、基于精密温度测量的海底非合作目标探测、空间激光精密测距等研究领域或场景中。/pp当前，该研究团队正在调试及优化样机，为后续实际观测及应用做准备。研究工作得到国家自然科学基金面上项目及重点项目的资助。/pp论文链接/ppimg src="https://pic.cyol.com/img/20200929/img_96b326fbc54a2f995b8241ef054906cf33_c.jpg" data-bd-imgshare-binded="1"//pp图1.实测二维光谱数据。重复频率808MHz的激光频率梳梳齿阵列可被完全分开 /ppimg src="https://pic.cyol.com/img/20200929/img_968949af075f01c499503ed9560950a5a1_c.jpg" data-bd-imgshare-binded="1"//pp图2.六小时双通道同步定标波长精度 /p/div

p　　北京大学陈良怡团队联合华中科技大学谭山团队发明了一种超灵敏结构光超高分辨率显微镜 -- 海森结构光显微镜 （Hessian SIM）。此项成果近日以全文形式在线发表于Nature Biotechnology （影响因子41.67），论文题目为“Fast， long-term， super-resolution imaging with Hessian structured illumination microscopy”。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201804/insimg/9733f7f5-ffa5-4262-9ca6-a6f439e01233.jpg" title="1.png"//pp style="text-align: center "图1：海森结构光显微镜解析囊泡融合孔道形成全过程。上图：实际的动态过程解析；下图：由实验结果得到的囊泡融合的四个中间态。/pp　　在每秒钟得到188张超高分辨率图像时，海森结构光显微镜的空间分辨率可以达到85纳米，能够分辨单根头发的1/600到1/800大小结构，而所需要的光照度小于常用的共聚焦显微镜光照度三个数量级。由于极低的光漂白以及光毒性，实现了100 Hz超高分辨率成像下连续采样10分钟得到18万张超高分辨率图像，或者是在1 Hz超高分辨率成像下连续1小时超高分辨率成像基本无光漂白。/pp　　与获得2014年Nobel化学奖的受激辐射损耗超高分辨率显微镜（STED）相比，海森结构光显微成像以极高的时间分辨率、极低的光毒性在活细胞超高分辨率成像方面占显著优势。例如，在观察细胞内囊泡与细胞质膜融合释放神经递质和激素过程中，海森结构光显微镜与STED显微镜（分辨率60纳米，每秒5幅左右； 巫凌钢实验室2018年3月Cell上线的文章）都可以观察到囊泡融合形成的孔道；但是，海森结构光显微镜还解析出囊泡融合时四个不同中间态，包括囊泡打开3纳米小孔、囊泡塌陷、融合孔道维持和最后的囊泡与细胞质膜完全融合的过程，真正可视化膜孔道形成的全过程（图1）。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201804/insimg/a8d935d2-2f07-4d3a-bfc4-18cf43e9c1ae.jpg" title="2.png"//pp style="text-align: center "图2、海森结构光显微镜显微镜下观察到COS-7细胞中的内质网和线粒体相互作用的动态过程，蓝色的线粒体用MitoTracker Green标记，可以清楚辨识内嵴结构；品红色的是用SEC61-mCherry标记内质网结构。/pp　　此项突破一方面是基于硬件自主设计的新偏振旋转玻片阵列、高精度的时序控制程序以及高数值孔径物镜的应用；另一方面是创新的重构算法，借鉴了人眼区分信号和噪声的机制，首次提出将生物样本在多维时空上连续、而噪声是完全随机分布的先验知识用于构建海森矩阵，指导超高分辨率荧光图像的重建。/pp　　超灵敏海森结构光显微镜是目前活细胞成像时间最长、时间分辨率最高的超高分辨率显微镜，适用于各种细胞、不同探针的荧光成像 – 可以说，所有应用扫描共聚焦显微镜的场景都可以使用海森结构光显微镜，因而具有广泛的应用前景。/pp　　该论文的第一作者为北京大学黄小帅、华中科技大学范骏超和北京大学李柳菊，通讯作者为北京大学陈良怡、华中科技大学谭山。工作得到了国家自然科学基金委重大仪器研制基金、重大研究计划专项、科技部国家重点研发计划基金、重点基础研究发展计划和北京市自然科学基金委重点项目的资助。陈良怡、黄小帅等主创成员参与了早先发表于Nature Methods的高分辨率微型化双光子显微镜的研制，荣获2017年中国十大科学进展等荣誉。未来，他们将进一步实现微型化海森结构光的显微在体成像。/p

氟在化学世界中具有重要地位。氟在所有原子中电负性最高、极化率最低。同时，氟是所有非惰性气体和非氢元素中半径最小的元素。通常，氟的引入使得有机化合物和无机化合物产生独特的物理性能、化学性能和生物性能。地壳中氟元素的丰度排在第13位，是自然界中含量最丰富的卤素。当前，氟已应用于制药、催化、生物、农业和材料等领域。在无机氧化物体系中，氟和氧的离子半径相似，具有较好的可替代性。因此，利用氟替代氧/羟基成为增强氧化物/羟基氧化物物化性质的有效途径之一。尽管氟化策略已在无机氧化物/羟基氧化物结构和性能改性中受到重视，但反应产物的结构分析仍是化学表征的难题。由于氟和氧对X射线和电子束的散射能力相近，致使准确区分和鉴别这两类元素变得困难。更复杂的是，X射线和电子束几乎不和氢原子相互作用，故X射线和电子束方法难以区分氟和羟基。因此，氟化产物中氟和氧/羟基的准确区分是确定取代位点、研究氟化反应规律以及明晰反应路径等课题的研究基础。近日，中国科学院新疆理化技术研究所潘世烈团队与内蒙古医科大学教授额尔敦、台湾大学教授Hayashi Michitoshi、日本静冈大学教授Tetsuo Sasaki、日本神户大学教授Keisuke Tominaga，以水溶液中硼酸的氟化反应为研究对象，发展了基于高分辨率太赫兹光谱的结构解析方法。在本研究中，我们展示了太赫兹（THz）光谱为应对这一挑战提供的强大工具。该团队利用这一方法测定了反应产物中功能基元上氟和羟基的位点。结果表明，该反应体系中氟原子只出现在BO2F2阴离子功能基元上。在结构测定的基础上，该研究推导了水溶液中硼酸的氟化机理，提出了两步氟化历程。第一步是氟离子和硼酸分子B(OH)3形成配位共价键，促使硼的电子轨道经历从sp2到sp3的转变，形成B(OH)3F中间体。第二步是氟化剂产生的酸性环境使该中间体上的一个OH质子化，形成OH2+优势离去基团。进而，氟离子通过亲核取代路径取代OH2+基团，完成第二步氟化。基于高分辨率太赫兹光谱的结构分析方法，适应于含氟/氧、铍/硼、碳/氮等X射线难以识别元素对的结构体系以及用于研究其他羟基氧化物/氧化物氟化反应机理。水溶液中硼酸的氟化路径示意图该方法为无机氟化学晶体结构基元精确解析和反应理论研究提供了新途径，而这一过程以前由于结构不明确而受到阻碍。在太赫兹光谱学的启发下，这项工作标志着我们在深入了解氧化物/氢氧化物氟化过程中的精确结构和反应机制方面又向前迈进了一步。。相关研究成果发表在《德国应用化学》上。新疆理化所为第一完成单位。研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委员会、中国科学院和新疆维吾尔自治区等的支持。

p　　中科院膜生物学国家重点实验室联合华中科技大学发明了一种超灵敏结构光超高分辨率显微镜-----海森结构光显微镜 （Hessian SIM)，实现了活细胞超快长时程超高分辨率成像，能辨清囊泡融合孔道和线粒体内嵴动态。在每秒钟得到188张超高分辨率图像时，海森结构光显微镜的空间分辨率可以达到85纳米，能够分辨单根头发的1/600到1/800大小结构，而所需要的光照度小于常用的共聚焦显微镜光照度三个数量级。同时，该显微镜也实现了细胞“能量工厂”线粒体的超快超分辨成像，首次在活细胞中解析线粒体融合、分裂时内嵴的活动，及线粒体内嵴自身的重组装过程，并能够观察内质网与线粒体发生相互作用时的动态变化。/pp　　与获得2014年Nobel化学奖的受激辐射损耗超高分辨率显微镜（STED）相比，其具有极高的时间分辨率、极低的光毒性，在活细胞超高分辨率成像方面优势显著。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/235ade60-4b77-42b8-bfd2-21c083b4ea5d.jpg" title="640-2.jpeg"//pp　　海森结构光显微镜解析囊泡融合孔道形成全过程。上图：实际的动态过程解析；下图：由实验结果得到的囊泡融合的四个中间态。/pp　　灵敏海森结构光超高分辨率显微镜的成功验证，一方面基于新偏振旋转玻片阵列、高精度的时序控制程序以及高数值孔径物镜等硬件的自主研制；另一方面是重构算法的创新，首次提出将生物样本在多维时空上连续，而噪声是完全随机分布的先验知识用于构建海森矩阵，指导超高分辨率荧光图像的重建。/pp　　超灵敏海森结构光显微镜适用于各种细胞、不同探针的荧光成像。可以说，所有应用点扫描共聚焦显微镜的场景都可以使用海森结构光显微镜，因而具有广泛的应用前景。/pp　　此项研究成果以题为“Fast, long-term, super-resolution imaging with Hessian structured illumination microscopy” 以全文形式于近日在线发表于《Nature Biotechnology》 上。/pp　　论文链接：https://www.nature.com/articles/nbt.4115/ppbr//p

磁畴是铁磁体材料在自发磁化的过程中，为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域。它的研究可将材料的基本物理性质、宏观性质和应用联系起来。近年来，由于材料的日益完善和器件的小型化，人们对磁畴分析的兴趣与日俱增。目前市面上主要的磁畴观测设备有磁光克尔显微镜、磁力显微镜、洛伦兹电镜、以及近兴起的NV色心超分辨磁学显微镜等，其中，磁光克尔显微镜可以灵活的结合外加磁场、电流及温度环境等来对材料进行面内、面外的动态磁畴观测，成为目前常用的磁畴观测设备，可用于多种磁性材料的研究，如铁磁或亚铁磁薄膜、钕铁硼等硬磁材料、硅钢等软磁材料。 2020年11月，Quantum Design中国与致真精密仪器（青岛）有限公司签署了中国区战略合作协议，合作推出多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统。通过此次战略合作，Quantum Design中国希望能够为磁学及自旋电子学等领域的研究提供更多的可能。图1 多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统 多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统由北京航空航天大学集成电路学院张学莹老师带领团队，根据多年的磁畴动力学实验技巧积累和新的磁学及自旋电子学领域的热点课题研究需求研发。它采用先进的点阵LED光源技术，能够在不切换机械结构的情况下，同时进行向和纵向克尔成像，不仅能同时检测样品垂直方向和面内方向的磁性，成像分辨率还能够达到270 nm，逼近光学衍射限。与传统的磁光克尔显微镜相比，多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统配置了多功能磁铁探针台，能够在保证450 nm高分辨率的前提下，向被测样品同时施加面磁场、垂直磁场、电流和微波信号。 此外，多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统拥有专门的智能控制系统，用户界面友好，无需复杂设置，一键触发既能实现多维度磁场、电学信号与克尔图像的同步操控。该系统的另一亮点是配置了反应速度高达1 μs的超快磁场，为微米器件中磁畴的产生、磁畴的高速运动捕捉等提供了可能。 张学莹老师师从北航赵巍胜教授和法国巴黎萨克雷大学Nicolas Vernier教授，从2015年开始研究磁光克尔成像技术和磁畴动力学，其有关磁性材料性质的论文获得北京航空航天大学博士学位论文。经过3年潜心研究，该团队于2018年完成了台克尔显微镜样机的集成，并创立致真精密仪器（青岛）有限公司。至2020年初，在北航青岛研究院和北航集成电路学院经过两轮迭代和打磨，已经完成了产品的稳定性验证，目前，该设备已经被清华大学、中科院物理所、北京工业大学等多家单位采购。 产品磁畴成像照片案例图2 CoFeB(1.3 nm)/W(0.2)/CoFeB(0.5)薄膜中的迷宫畴图3 斯格明子磁畴观测 多重信号的叠加，能够满足客户多种前沿课题的实验需求面内磁场和垂直磁场的叠加可以进行Dzyaloshinskii-Moriya作用（DMI）的测试[1,2]图4 样品Pt(4 nm)/Co(1 nm)/MgO(t nm)/Pt(4 nm)DMI作用测量[1] 自旋轨道矩（spin-orbit torque,简称SOT）是近年来发展起来的新一代电流驱动磁化翻转技术，如何更好的表征SOT翻转，在当今自旋电子学领域具有重要的理论和应用价值。 多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统配置的面内磁场和电学测试系统，不但可以实现这个过程的电学测试，还可以利用相机与信号采集卡同步的功能，逐点解析翻转曲线对应的磁畴状态 [3,4]。图5 面内磁场和电流的叠加用于sot驱动的磁性变化过程研究 在某些材料中，无法观测到纯电流驱动的磁畴壁运动。这时，可以利用多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统微秒别的超快磁场脉冲与电流同步，观测垂直磁场与电流共同驱动的畴壁运动，从而解析多种物理效应，如重金属/ 铁磁体系的自旋化率由于自旋散射降低的效应 [5]。图6 垂直磁场和电流的叠加可用于观测单磁场或者电流无法驱动的磁性动力学过程 克尔成像下磁场和微波的叠加则能够为自旋波和磁畴壁的相互作用研究提供可能 [6]。图7 自旋波驱动的磁畴壁运动[6] 多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统还可进行多种磁性参数的微区测量局部饱和磁化强度Ms表征[7]由于偶作用，磁畴壁在靠近时会相互排斥。通过观察不同磁场下磁畴壁的距离，可以提取局部区域的饱和磁化强度Ms。此方法由巴黎- 萨克雷大学Nicolas Vernier 教授（致真技术顾问）在2014 年先提出并验证，与VSM测量结果得到良好吻合。图8 局部饱和磁化强度Ms表征及与其他测试方法Ms结果对比 海森堡交换作用刚度[8]采用系统的磁场“自定义波形”功能，将样品震荡退磁，再将得到的迷宫畴图片进行傅里叶变换，能够得知磁畴宽度，从而提取海森堡交换作用刚度Aex。图9 海森堡交换作用刚度提取 自旋电子薄膜质量的表征、自旋电子器件的损坏检测等[9]图10 磁性薄膜质量检测 除此之外，该系统还开发了性价比超高的变温系统。针对永磁材料研究的用户，开发了能够兼容克尔成像的高温强磁场模块。针对硅钢等软磁材料研究用户，开发了大视野面内克尔显微镜。 动态磁畴成像案例图11 cofeb薄膜动态磁畴图12 sot磁场+电流驱动磁畴翻转图13 钕铁硼永磁动态磁畴观测图14 磁性材料内钉扎点的观测，可与巴克豪森噪声同步匹配 产品基本参数✔ 向和纵向克尔成像分辨率可达300 nm；✔ 配置二维磁场探针台，面内磁场高达1 t，垂直磁场高达0.3 t（配置磁场增强模块后可达1.5 t）；✔ 快速磁场选件磁场反应速度可达1 μs；✔ 可根据需要选配直流/ 高频探针座及探针；✔ 可选配二次谐波、铁磁共振等输运测试；✔ 配置智能控制和图像处理系统，可同时施加面内磁场、垂直磁场和电学信号同步观测磁畴翻转；✔ 4k~800k，80k~500k 变温选件可选。 小结多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统除了拥有超高分辨的动态磁畴观测能力外，还能结合多功能磁场探针台提供的外加电流、面内/面外磁场等对多种磁学参数进行提取。 样机体验目前，致真精密仪器（青岛）有限公司可对相关领域感兴趣的科学工作者提供了测样体验，欢迎感兴趣的老师或同学拨打电话010-85120280或发送邮件至info@qd-china.com体验磁光克尔显微成像全新技术！ 参考文献[1] A. Cao et al., Nanoscale 10, 12062 (2018).[2] A. Cao et al., Nanotechnology 31, 155705 (2020).[3] X. Zhao et al., Appl. Phys. Lett. 116, 242401 (2020).[4] G. Wang et al., IEEE Trans. Circuits Syst. I Regul. Pap. 66, 215 (2019).[5] X. Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 11, 054041 (2019).[6] J. Han et al., Science (80-. ). 366, 1121 (2019).[7] N. Vernier et al., Appl. Phys. Lett. 104, 122404 (2014).[8] M. Yamanouchi et al., IEEE Magn. Lett. 2, 3000304 (2011).[9] Y. Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 9, 064027 (2018).

微球透镜（SMAL）成像技术，突破传统光学显微镜光学衍射分辨率极限（200nm），将用户带入全新的显微镜时代。　　 微球成像专利技术提高了光的功率，横向分辨率可达50nm，SMAL物镜可放大到400x。　　 通过SMAL成像技术，用户能够得到超高分辨率图像并保留光学显微镜所有优势——快速、简单、无损、完整、真实颜色。我们致力于为所有人能获得超高分辨率图像，无需昂贵的设备和严格的使用环境也无需大量的样品，只需光源、透镜和相机。　　 定制软件算法将高分辨率的微球图像拼接在一起，机械台会将样品移动到镜头下方。使用户能够快速的得到全彩色和超高分辨率的大区域样品图像。创新点：微球透镜（SMAL）成像技术，突破传统光学显微镜光学衍射分辨率极限（200nm），将用户带入全新的显微镜时代。　　微球成像专利技术提高了光的功率，横向分辨率可达50nm，SMAL物镜可放大到400x。　　通过SMAL成像技术，用户能够得到超高分辨率图像并保留光学显微镜所有优势——快速、简单、无损、完整、真实颜色。我们致力于为所有人能获得超高分辨率图像，无需昂贵的设备和严格的使用环境也无需大量的样品，只需光源、透镜和相机。　　定制软件算法将高分辨率的微球图像拼接在一起，机械台会将样品移动到镜头下方。使用户能够快速的得到全彩色和超高分辨率的大区域样品图像。

荧光显微成像技术对人们理解神经科学起了非常关键的作用。而最近一些年出现的各种超分辨显微成像技术和专门的荧光探针能够以超过以往普通光学显微镜的分辨率直接观察神经元亚细胞结构和蛋白质排列。并以直观可视方式揭示了神经细胞骨架组成、分布、运动和膜蛋白信号传导、突触下结构和功能，以及神经元−胶质细胞相互作用。同时超高分辨显微成像技术（Super Resolution,SR,下文中出现SR均指超高分辨率显微成像技术）对于许多自身免疫和神经退行性疾病模型中的分子靶点研究也提供了全新的强大工具。今年春，Werner等科学家在美国化学学会会刊（ACS)上最新发表了一篇综述，比较详实系统介绍了超高分辨率显微技术在神经科学上的最新应用进展。我们在此文基础上进行了编译整理。因文章较长，我们将分三期陆续介绍。本期介绍第一部分。1. 背景介绍成像技术是推动生命科学几乎所有学科基础研究的核心平台。在神经科学领域，近几十年来，共聚焦显微镜技术已成为分析神经组织的标准荧光成像技术。激光扫描共聚焦显微镜对固定的神经元样本进行观察，在扫描水平上提供了三维和多色图像并使单个细胞达到树突结构的分辨率。作为补充，电子显微镜（EM）用于获取神经元和亚区室超微结构的信息，并用于大脑的连通性分析。EM非常适合于神经元突触和囊泡、细胞器和膜构象的结构分析。然而，由于靶向特异性标记方法的局限性，基于EM的复杂样品中蛋白质和特定电子密度特征的识别受到限制。为了进一步理解神经元功能，包括双光子显微镜在内的几种活体视频显微镜应用的发展使神经元细胞培养的活细胞成像、器官型切片培养和动物模型的活体成像成为可能。同时，新的荧光染料、功能探针和荧光蛋白以及光遗传学方法和光驱动（如笼状化合物）不仅可以表征神经元，还可以操纵神经元及其从单分子水平到整个神经系统的相互作用。然而，荧光显微图像中可见细节的水平，即图像分辨率，仍然受到衍射极限的限制。一个多世纪以来，由λ/2NA定义的阿贝衍射极限（λ为波长，NA为显微镜物镜的数值孔径）决定了光学显微镜的分辨率极限，限制了两个位置小于200纳米的细节分辨。在过去的二十年中，超分辨显微镜（SRM）已经发展成为一种非常有效的亚细胞水平荧光成像和分辨细胞器结构的研究手段。SRM现在可以提供远低于常规光学显微镜衍射极限的空间分辨率，从而能够深入了解神经元细胞和组织中蛋白质的空间结构和相互作用。本文综述了超分辨显微镜和荧光标记方法及其在神经科学中的成功应用。我们将首先详细介绍各种SRM方法的基本原理、新的功能型荧光探针和标记技术。接着，我们将回顾SRM如何有助于我们理解神经元亚细胞结构和功能以及神经元−胶质细胞相互作用。此外，我们将概述超分辨率成像方法如何帮助研究自身免疫和神经退行性疾病的病理生理学。最后，我们将介绍这些新的成像方法是如何应用于神经精神疾病相关的人类样本的分析。由于该领域持续快速发展，我们最多只能代表一份中期报告。进一步的创新和新的显微镜方法的发展将使人们对神经系统功能有更详细的了解。 2. 神经科学中的超分辨率成像方法2.1. 光学衍射极限及其对神经科学的影响人类大脑包含超过800亿个神经元，每个神经元由数千个突触连接。因此，它构成了复杂神经元网络。这些网络的主要组成部分，例如突触神经末梢，显示的空间维度接近于光学衍射极限分辨率∼200 nm。释放递质的突触活性区（突触前细胞基质的特化区）的直径通常约为300±150 nm。突触小泡作为递质运输和释放的关键元件，其尺寸平均小10倍，直径为40−50nm。这些递质被释放到宽度为20-50nm的突触间隙中−再结合突触后受体。由于衍射极限的尺寸限制，胞吐机制和跨突触信号在传统的光学显微镜下基本上是无法观测到的，因此需要用提高10倍分辨率的方法进一步研究。（图1）。图1. 兴奋性突触结构组成。左图为兴奋性突触的油画示意图，右图为左图的灰度图像，其中浅紫色圆圈为衍射极限光斑；玫红色圆圈为兴奋性突触囊泡，约40-50nm；绿色为突触后膜AMPA受体，尺寸小于10nm；黄色部分为突触间隙，约20-30nm。 此外，大量参与突触信号传导的不同的分子，位于极小的突触内，造成很高的分子分布密度，这对微观研究具有挑战性。例如，对于较小的突触，兴奋性突触可以包含数百个小泡，对于大型苔藓纤维束突触，可以包含数千个小泡，每个小泡包含多达1万到10万个递质分子。在这些囊泡中，约有10±5个与释放部位对接，释放的递质平均与0−20 个NMDA受体和0−200个AMPA受体结合，而这些突触后受体又被320±130个突触后PSD-95密度蛋白分子环绕。由于加速电子的波长要短得多，因此EM是唯一能够解析突触纳米级结构的方法。然而，虽然传统的EM产生的电子密度图像具有极好的超微结构分辨率，但需要进行固定和靶向特异性标记的制样方法在很大程度上限制了蛋白质识别和神经元追踪。荧光显微镜可以很容易地对蛋白质进行选择性标记，但是受制于可见光的衍射（400−700 nm）使生成的图像无法实现对纳米结构的分析。 2.2.绕开光学衍射极限的光学显微镜方法 20世纪后期，人们开发了新的策略，通过利用物理或化学手段来区分不同荧光团的发射或减少同一时间荧光分子的数量，以尽量绕过衍射极限。减少荧光团的点扩散函数（PSF）的重叠可以通过生成光图案在集合级别以确定性方式进行，或者通过减少同一时间荧光团的数量在单分子水平上以随机方式进行。在下文中，我们将从确定性集合方法开始介绍，该方法将激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）的有效空间分辨率推到理论极限。2.2.1. 确定性集合超高分辨率成像方法（Deterministic Ensemble SR-Imaging Methods） CLSM用针孔探测器阵列替换单点探测器，空间分辨率可以提高√2倍。CLSM测量每个扫描位置探测器每个点的荧光信号。在应用适当的算法后，生成分辨率提升的图像。这些所谓的像素重分配方法包括图像扫描显微镜（ISM）、重扫描共聚焦（RSC）、光学光子重分配（OPRA）、AiryScan和即时结构照明显微镜（iSIM）。对于信号检测，使用了诸如CCD相机、光电倍增管阵列、单光子雪崩二极管阵列和六角光纤束等探测器阵列。结构照明显微镜（SIM）在光路中插入光栅，产生与样品干涉的相干光束，生成横向和轴向方向不同的新照明图案。然后可以使用傅里叶变换提取这种新照明图案的信息，从而在所有三维空间中实现空间频率分解和分辨率倍增。SIM对样品制备的要求最低，并且可使用所有常规荧光探针，这些探针具有最低的光稳定性，并且可以很容易地扩展到多色成像。然而，当记录三维或长时间成像时，强烈建议使用光稳定性更高的荧光团。此外，SIM使用更低的激发强度，因此是活细胞SR实验的理想选择。为了获得更高的分辨率，引入了通过图案化饱和或荧光激发或图案化耗损光开关染料的非线性SIM（NL-SIM）。然而对染料开关特性的苛刻要求限制了NL-SIM在常规生命科学实验中的适用性。非线性SIM单位时间内还需要采集更多的图像，因此实际上仅限于2D成像。另一方面，掠入射（GI）-SIM显示了高达每秒266帧的快速超分辨率成像以及100nm分辨率，揭示前所未有的细胞器动力学细节。结构照明的局限性在于其对波长的普遍依赖性、与其他SR成像技术相比的低分辨率以及对系统稳定校准的需要。最后，后处理需要进行先验质量检查以避免伪影,例如由于高背景信号或不充分标记产生的低对比度图像导致的人工蜂窝图案。通过受激发射耗损(STED)显微镜进行超分辨率成像是一种实现更高空间分辨率的成像方法。这里，高斯分布的激发激光束被中空的甜甜圈样的耗损激光束覆盖，使扫描点外围的荧光团返回基态，这导致纳米级焦点区的直径与耗损光束的强度成反比，耗损光束的强度直接转换为STED显微镜的分辨能力：上图公式中λ为波长，n为折射率，α为物镜的收集角，ISTED为STED光束的照射强度，IS为饱和强度。因此，可以通过改变损耗激光强度来调整分辨率，可定制设计分辨率达30−80nm 的显微镜。STED显微成像可通过连续或脉冲激光激发、门控检测。带有脉冲激光的STED显微镜会降低激发能量，从而减少实时成像中的光毒性效应。STED显微镜中的时间门控检测可以去除荧光团光子到达时间前的空间信息，并且可以在较低的平均功率下工作。商品化STED能提供用户友好的高分辨率成像，无需进一步的数据后处理。活体成像，例如活体树突棘动态成像已经很成熟，但快速动态成像仅限于小帧尺寸，因为它仍然是点扫描方法，高激光强度可能会导致光损伤。STED通过应用自适应照明方式Dymin和rescue技术，可以明显减少光损伤。在Dymin STED中，在共聚焦模式下扫描时确定最低可能的STED光束强度。根据样品的标记密度，这将使STED光束强度降低20到100倍。Rescue STED同样通过减少STED激光开放的区域，从而比普通STED减少光漂白接近8倍。STED的另一个限制是对荧光团光稳定性的依赖，因为在高激光强度下会发生明显的光漂白。这影响了动力学的研究和三维图像的获取。值得注意的是，最近通过使用荧光团标记的寡核苷酸（瞬时结合到连接靶蛋白结合探针的互补寡核苷酸）或非结合荧光团来进行细胞STED成像，从而绕过了STED光漂白问题。这两种方法中，基于DNA互补标记的STED成像和超分辨率阴影成像SUSHI分别通过荧光团标记的寡核苷酸和高浓度的非结合和自由扩散的荧光团不断交换来防止光漂白。SUSHI的方法已经成功地用于活体脑片中细胞外间隙和神经肽的结构解析及其动力学的STED成像。如果使用具有毫秒或更长寿命的两种稳定状态的可逆切换荧光团来代替标准荧光团，则STED强度可以显著降低。可逆饱和切换光学线性荧光转换方法（RESOLFT）已通过可逆可切换荧光蛋白（reFPs）实现，并成功应用于活体海马脑片树突棘的超分辨率成像。2.2.2. 随机单分子SR成像方法（Stochastic Single-Molecule SR-Imaging Methods）上述的确定性方法是通过改变激发模式或相位掩膜来暂时控制荧光发射达到超分辨成像，而基于单分子的定位SR显微镜则是随机地在时间上分离单个荧光团的发射。单分子定位显微镜（SMLM）基于单个荧光团的随机激活，使用配备高灵敏相机（EMCCD或sCMOS）的宽场荧光显微镜进行单分子检测，以及精确的位置测定。通过将理想PSF与实际测量的光子分布拟合来进行分子定位。只要信号来自单个发射区，且单个发射区之间的距离大于显微镜能分辨的最小距离，则通过收集更多光子和最小化噪声，定位的标准误差可以任意小。激活和定位过程重复多次，所有定位最终用于重建超分辨率图像。为了确保在成像的任何时候，只有稀疏的小荧光团以其活性荧光形式存在（开启状态），使用了光开关、光转换、光激活或自发闪烁的荧光团。由于定位精度和最终图像分辨率取决于每次检测到的光子数量，通常采用明亮且稳定的荧光团与1 kW/cm2的辐照强度相结合的方式。根据所使用的荧光团不同，SMLM可达到10−50 nm横向分辨率。光激活荧光蛋白（FPs），自2006年以来已用于光激活定位显微镜（PALM），例如在405 nm的激光照射下可从关闭状态不可逆地转换为打开状态的PA-GFP和PA-mCherry 以及可通过适当波长的激光照射从一种波长状态不可逆地转移到另一种波长状态的光转换FPs，例如MEO。此外，还成功地应用了诸如Dronpa之类的光开关FPs，其在不同激发波长的激光照射下可在非荧光和荧光状态之间可逆地切换。对于活细胞应用，使用荧光蛋白的PALM是首选方法。因为在理想情况下，每个感兴趣的蛋白质都可以用荧光蛋白进行计量标记。然而，荧光蛋白比有机染料表现出更低的光稳定性和光子计数，从而降低了定位精度，并且通常需要更长的采集时间。此外，对于PALM成像而言，融合蛋白通常会过度表达，这可能会导致不真实图像，而用转基因变体替代显示野生型表达和功能的自身蛋白仍然具有挑战性。对于细胞内源性蛋白质的标记，通常使用有机染料的免疫标记。SMLM适用的有机染料必须是光开关、光激活或自发闪烁的，以实现单个染料发射的时间分离，但化学计量标记要困难得多。有机染料通常表现出较高的光子计数和光稳定性，从而使定位精度达到5−10nm。花菁染料Cy5和Alexa Fluor 647可以在荧光开启状态（其典型寿命为10 ms）和非荧光关闭状态（寿命为几秒，利用光开关缓冲液，缓冲液包括PBS，10−100mM硫醇，如ß-巯基乙缅（MEA），酶促氧清除剂，可以有/没有激活染料）之间可逆切换，为随机光学重建显微镜（STORM）和直接型STORM（dSTORM）的发展铺平了道路。近年来，应用于（d）STORM的染料已大大扩展，除了菁染料外，还包括罗丹明和恶嗪染料。有趣的是，最近的研究表明，即使是多个标记的抗体在光开关缓冲液中也呈现出类似于单发射的表现，因此适用于dSTORM实验。光活化染料的作用与光活化荧光蛋白相似。也就是说，它们在被光照射或自发激活之前处于非荧光状态。罗丹明衍生物PA-JF549和PA-JF646以及桥环菁染料Cy5B是已成功用于SMLM的光活化染料。此外，在没有光开关缓冲液的水溶液中，硅罗丹明HMSiR等自发闪烁染料也能应用于SMLM。最近，通过图案化照明方式实现更高的定位精度，单个荧光发射区的定位得到了改进。定位精度取决于信号的大小和强度，可以通过测量的PSF标准偏差的平方除以收集的光子数来估计。然而，包括拟合性能、标记密度、标记误差和显微镜漂移在内的其它参数决定了高定位精度是否可以转化为低于10 nm的空间分辨率。此外，到目前为止，因为SMLM方法成像需要昂贵的仪器和成像者具备广泛的专业知识，这在一定程度上阻碍了其广泛应用。2.2.3. SMLM-点累计纳米成像技术（PAINT，Point Accumulation for Imaging Nanoscale Topography）第一代SMLM技术依赖于荧光团的光开关和光激活，其分辨率需要有效地利用荧光团发出的光子数，而PAINT(point accumulation for imaging nanoscale topography)方法使用活的，与目标区域结构短瞬结合的染料。在成像过程中，被漂白的荧光团可以被成像介质中充足的新鲜荧光团不断置换替补。由于游离染料在采集单个图像帧期间在多个像素上快速扩散，因此它们仅显示为模糊背景且不能准确定位，而结合染料显示为PSF且能准确定位。因此PAINT的第一种方法是将荧光染料（如尼罗红）与细胞膜进行非特异性结合，然后进行光漂白和新的结合。此外，基于蛋白质片段的探针被用于单分子定位标记。在最近的一个研究中，将这种方法与传统的基于phalloidin的肌动蛋白标记方法进行了比较。通过引入通用PAINT（uPAINT）使Ni-Tris-NTA与转基因蛋白质上表达的His-Tags更特异结合，并可用于突触间隙成像。uPAINT也可以应用于其它标记方法，如免疫标记（内源性蛋白抗体、纳米抗体如绿色荧光蛋白）或受体配体结合。为了提高PAINT的适用性和特异性，引入DNA-PAINT方法。它使用长度小于10个核苷酸的短的可控的寡核苷酸链（成像链）瞬时标记其靶结合互补寡核苷酸链（对接链）。成像链与对接链的瞬时结合产生明显的闪烁。因此，荧光团开-关状态之间的切换与其光物理性质不直接关联。DNA-PAINT首先在DNA折纸（DNA-origami）上得到验证。DNA折纸是一种自组装的DNA结构（具有已知的大小），通过侧链和荧光团进行结合，并通过宽场显微镜观察。总的来说，DNA-PAINT是一种易于实现的SR成像标记方法，无需特定光物理特性的荧光团。因为探针可以在一轮结合后，从成像介质中置换补充荧光团，从而避免了光漂白。DNA-PAINT的缺点是图像获取时间长，这是由成像链与对接链的结合和解离速率决定的，以及荧光成像链的纳摩尔浓度引起的背景信号。尽管通过使用优化的DNA序列和缓冲条件，以及使用串联的周期性DNA结构域或通过短肽的卷曲螺旋相互作用（称为“Peptide-PAINT”），可以加快采集速度，但还是要利用全内反射荧光（TIRF）（仅限于对靠近盖玻片结构进行成像的特点），才能更好地减少成像链的背景信号。另一方面，基于DNA的探针提供了序列成像复用的明显优势，如Exchange PAINT中所述，已成功用于小鼠视网膜切片中多个结构的成像（图2）。Exchange PAINT的概念也被推广到dSTORM、STED、SIM和更传统的衍射限制的宽场和共聚焦荧光显微镜。最近，通过一种称为PRISM(probe-based imaging for sequential multiplexing)的基于DNA-PAINT的成像方法，实现了高达10个神经元蛋白质的分辨率约为20nm的多通道成像。该方法使用了低亲和力成像探针，该探针与突触、肌动蛋白和微管一抗上的对接链结合。图2 原代神经元中多个神经元靶点的多标Exchange-PAINT成像。（A）DNA-PAINT顺序成像的四种突触蛋白的超分辨图像：圆圈表示漂移校正的基准点；（B）为（A）中不带*的感兴趣区域的高放大倍率图和超分辨图像。（C）为（A）中带*的感兴趣区域的超分辨结果及单通道图像。2.2.4. 定量SMLM如果每个目标分子都可以单独标记和定位的话，与所有其他超分辨率成像技术相比，SMLM还可以提供有关分子分布和分子绝对数的单分子信息。然而，内源性蛋白质的定量免疫标记仍然是一个挑战，并且多标记抗体的不同定位数目也会使数据解释复杂化。另一方面，达到内源性表达水平比较困难，另外FPs蛋白成熟缓慢也同样会令定量化困难。然而，可以通过设计专门的对照实验估计拷贝数，并提取出有关生物目标结构分子的真实信息。借助合适的算法，SMLM可以提供有关拷贝数、聚类、共定位和复杂化学计量的数据，用于定量模型的生成和模拟。此外，还可以通过将突触结构信息与其功能关联来实现量化，例如膜片钳神经元的生物细胞素标记。例如，通过对链霉亲和素标记后膜片钳神经元进行STORM成像，结合CB1受体的免疫标记，然后在GABA能的海马轴突终端内定量，研究了内源性大麻素信号。本研究发现，与树突投射型中间神经元相比，胞周投射型中间神经元具有更高的CB1受体密度和更复杂的活动区。通过免疫标记和dSTORM研究了黑腹果蝇神经肌肉连接处内源性Bruchpilot（Brp）分子的数量。利用抗体滴定实验，确定了野生型神经肌肉连接处活性区细胞基质中Brp蛋白的数量为137个，其中四分之三以约15个七聚体簇状排列结合从相同组织样本记录的电生理数据，研究Brp如何组织控制活动区功能。利用DNA纳米结构作为校准，每个活性区Brp蛋白的数量估计通过定量DNA-PAINT（qPAINT）实验证实。此外，定量dSTORM实验表明，每个活性区Brp蛋白的数量和分布受突触标记蛋白-1的影响，这说明突触活性区递质释放的复杂性。在最近的一项研究中，使用Alexa Fluor 532和Alexa Fluor 647免疫标记的双色dSTORM已用于小鼠小脑平行纤维活性区中代谢型谷氨酸受体4（mGluR4）的定量研究（图3）。该研究还使用抗体滴定实验估计每个活性区平均包含约35个mGluR4分子，并排列在小纳米结构中。此外，mGluR4通常在munc-18-1和CaV2.1通道附近被发现，这支持了mGluR4与这些蛋白质相互作用以调节突触传递的观点。图3小鼠脑片中代谢型mGluR4受体定位定量双色dSTORM。上图：mGluR4和Bassoon免疫染色的小脑冠状切片的dSTORM图像，作为活性区参考。与宽场显微镜结果的比较。（A）DBSCAN聚类算法定义了近距离的En face活性区表面积（灰色）和mGluR4信号（品红）。（B）活性区大小的频率分布直方图（C）mGluR4信号到突触和突触外区域的映射。（D）通过Ripley H函数分析评估Bassoon和mGluR4的聚集分布。与随机分布的分子（蓝色、灰色）进行比较。虚线表示Ripley分析的最大值。这些研究显示了定量SMLM在神经科学研究中的潜力。可以预见，定量SMLM的进一步发展将为突触前和突触后蛋白质的功能关系，及其组织和结构的研究提供更有价值的信息。2.2.5. 组织三维（3D）SMLM虽然SMLM方法实现了仅几纳米的非常高的水平定位精度，但它需要特殊的方法来打破图像平面上方和下方PSF的对称性，来实现高轴向定位精度。实现高轴向定位精度的两种方法是PSF重塑和多焦面检测，通常用于在3D中精确定位荧光团。在SMLM中最常用的方法是通过在成像路径中插入单个柱面透镜从而不对称地扭曲PSF，利用光学像散原理来实现三维定位。基于像散方法的3D dSTORM技术还可以与光谱拆分相结合，对COS-7细胞中的网格蛋白表面小窝成像。像散引起的畸变程度由荧光团的轴向位置决定，因此可用于轴向位置计算。例如，3D散光SMLM已用于确定抑制性突触后密度区gephyrin蛋白和受体复合物的分布和拷贝数，或突触前活动区和突触后密度区各种成分的空间关系。采用双物镜像散成像方案，通过3D SMLM研究组织中肌动蛋白、血影蛋白和其他相关蛋白的结构，发现这些蛋白在轴突中形成190nm的周期性环状结构。替代方法包括使用相位掩模、变形镜实现双螺旋、四足或鞍点PSF重塑，和双焦面成像方法实现更大的轴向范围，并已成功应用于不同的应用中。为了在2D和3D中定位单个荧光发射区，已经开发了不同的算法和软件工具。在最近的一次综述中，列出了不同3D SMLM方法获得的水平和轴向分辨率，以供比较。然而，到目前为止，大多数SMLM研究都是在培养细胞上进行的。培养细胞具有相对简单的样品制备和成像要求，例如焦平面上下荧光分子的背景信号较低或没有。而脑片更具挑战性，因为它们在焦平面上下表现出高密度的神经元结构和潜在的高荧光背景，由此产生的低信噪比对于成像来说是一个障碍，会直接影响单分子定位的精度和准确性。此外，脑片必须具有足够的渗透性，以实现有效的免疫标记，而不损害组织结构。除了超微结构保存外，对几十微米厚的脑片进行均匀标记也仍然是一个挑战。因此，最初的尝试是将组织切成薄片，以便于标记。然而，将多个切片进行三维重建也仍然具有挑战性。为了保存好抗原表位，在切割成超薄切片进行SMLM成像之前，需要对组织进行解剖、固定以及免疫标记、后固定、脱水并包埋在环氧树脂中。而且，3D SMLM只能对靠近盖玻片的脑片的一个轴向平面进行成像。如果背景信号和散射太强，也可以使用组织透明化方法和基于光片的照明方法进行SR成像。另一个导致较厚脑片的3D成像不可靠的原因是光学畸变引起的单个荧光团PSF变形和模糊。通常应用自适应光学恢复PSF，使各神经元能够更精确地成像。为了进一步提高基于自适应光学的SR成像的性能，需要将其与自适应PSF重塑相结合。例如，在30μm厚的阿尔茨海默病小鼠模型脑片中，通过同步校正样品引起的畸变并且生成一致的PSF，可以重建纤维淀粉样蛋白斑块的精细细节。荧光团的3D位置也可通过PSF内产生的自干涉精确确定，并已成功用于轴向深达50μm的 SMLM。 3.膨胀样品显微成像技术（EXM）2015年，Ed Boyden及其同事描述了另一种绕过荧光显微镜分辨率极限的创新策略，称为膨胀样品显微成像技术（ExM）。ExM的原理是将蛋白质连接到带电荷的聚丙烯酰胺凝胶中，然后使用蛋白酶进行轻微的机械破坏，然后让其在水中膨胀，从而实现样品的物理放大。最初的方法是将三功能连接体交联到凝胶基质上，将标签信息转移到凝胶上。图4 结合ExM和晶格光片显微镜（LLSM）可观察大量神经元分子组装细节。左上图：概图；右上部位：海马CA1锥体神经元的投射；右下部位：神经元胞体；中下部位：小鼠大脑，通过Thy1 EYFP信号和突触蛋白免疫组织染色进行皮质树突棘成像；左下部位：果蝇投射神经元（PN）束的多样性。左上部位：果蝇中枢复合体PN的神经元追踪。中心部位：果蝇多巴胺能神经元的全脑成像。下图：成年果蝇大脑所有33个脑区的多巴胺能神经元相关Brp信号（体积密度）定量图（nc82抗体免疫染色，绿色曲线=与多巴胺能神经元相关的nc82斑点百分比）。右上图：沿着皮质层I至VI（顶部，最小强度投影）的初级躯体感觉皮层中的Homer 1点密度和25μm×50μm×50μm跨皮质的Homer 1点累积数量。请注意，在第二层/第三层和第五层中，Homer 1的密度较高。三功能连接体含有甲基丙烯酰基团、荧光标记和寡核苷酸，它与连到蛋白质标记的抗体的互补寡核苷酸杂交。将免疫染色的细胞或组织包埋在单体溶液中后，添加含有丙烯酸钠（凝胶高吸水性树脂）的共聚单体丙烯酰胺和交联剂N，N′-亚甲基双（丙烯酰胺）。这些单体组分和位于目标上的甲基丙烯基在高温下聚合，使用四甲基乙二胺(TEMED)作为催化剂，过硫酸铵(APS)作为聚合引发剂。荧光标签通过锚定在凝胶中的特定位置而在空间中固定，并且其位置可以在蛋白酶的化学预处理和水中透析后延伸构象进行物理膨胀。最初使用ExM产生了一个100倍的体积膨胀和目标分子间的4−5倍距离的线性增加。使用常规共聚焦显微镜对其成像，SRM横向分辨率可达到70 nm，轴向分辨率可达200 nm。在随后的几年中，通过使用交联分子如MA-NHS和acryloyl-X将蛋白质锚定到凝胶基质上，开发了改进proExM方法，使用常规荧光团就可保留蛋白质表位。为了避免自由基起始剂对荧光团的影响，设计了新的方法如蛋白质组放大分析（MAP），与SDS结合热介导变性，实现膨胀凝胶的后标记。此外，通过引入三功能连接体，它们能够在聚合、消化和变性后存活，并能够将目标分子和官能团直接共价锚定到水凝胶中，以实现膜和细胞骨架的SR成像。有研究显示，一些荧光团与激动剂发生反应。例如，因为菁染料在样品制备过程中几乎消失，因此不适合用于ExM标记，而其他荧光团如Alexa Fluor 488、CF和Atto染料在ExM处理流程后仍然能发射足够的光子。此外，生物素−亲和素信号放大和交换反应信号放大免疫染色技术(Immuno-SABER)可以有效提高信噪比和对大量目标蛋白进行成像。最近的研究表明，可以通过优化Ultra（U-ExM）的流程保留中心粒的超微结构细节。U-ExM启发于MAP方法，该方法允许膨胀并使用低甲醛和丙烯酰胺浓度交联蛋白质（保留样品的超微结构细节）后进行标记。U-ExM已经成功地用于揭示以前只有电镜才能获得的中心粒的超微结构细节。通过使用不同的单体和引发剂组合，Truckenbrodt及其同事设计了一个对常规培养细胞甚至神经元进行10倍体积膨胀的方案，即通过二次凝胶进行迭代ExM制样，多次嵌入不同的单体（而这些单体又可以通过使用高摩尔氢氧化钠去除）从而达到高达53倍的膨胀系数。应用此方法，可以从突触后支架蛋白中清晰看到位于突触间隙内的膨胀13倍的蛋白，例如神经递质受体GluR1和GABAARα1/α2。如今，ExM已成功用于培养细胞、原代神经元和组织中的蛋白质、RNA、真菌、病理标本和细菌的超分辨率成像。4倍膨胀的ExM已经与晶格光片显微镜相结合，以60×60×90 nm的分辨率对整个果蝇大脑中多种蛋白质之间的纳米级结构进行成像（图4）。为了进一步提高分辨率，ExM已成功地与SRM方法相结合。例如，ExM与SIM相结合到达20nm的空间分辨率，观察果蝇中的联会复合体和小鼠精母细胞。在细胞培养样品中进行多表位标记后，与传统荧光显微镜相比，使用STED结合ExM可使分辨率提高30倍。此外，使用NHS染料对所有蛋白进行标记，然后进行迭代ExM，可以对高蛋白密度的结构或细胞器（如线粒体），实现与EM相比具有更高对比度的超微结构细节。为了在分子尺度上进行成像，ExM与SMLM方法（如dSTORM）相结合是一个理想的选择。然而在含有硫醇和盐的传统光转换缓冲液中，会发生荷电氢凝胶收缩。可通过使用低离子强度缓冲液或加入中性溶液使凝胶稳定以避免收缩。另一种策略是使用自发闪烁的荧光团（如HMSiR）在水中进行SMLM。通过Ex-dSTORM实现分子分辨率的关键是膨胀后标记，这增加了表位可及性，从而提高了标记效率并减少了标记错误。Ex-dSTORM超分辨成像已成功应用于原代细胞和神经元中微管和中心粒结构的解析。

显微镜一直是生物学研究中的重要工具，随着技术的发展显微镜的分辨率在不断提高。最新的超高分辨率显微镜已经达到了超越衍射极限的分辨率。现在MIT的研究团队通过另一种巧妙的方式达到了同样的目的。　　研究人员并没有在显微镜上下功夫，而是从组织样本下手，利用一种吸水膨胀的聚合物将组织样本整体放大。这种方法非常简单成本也很低，能用普通共聚焦显微镜达到超越200nm的分辨率。这项发表在Science上的成果，能使更多科学家接触到超高分辨率成像。　　&ldquo 你在常规显微镜下就可以实现超高分辨率成像，不需要购买新设备，&rdquo 文章的资深作者，MIT的副教授Ed Boyden说，Fei Chen和Paul Tillberg是这篇文章的第一作者。　　物理放大　　衍射极限曾经是光学显微镜的最大障碍之一，使其分辨率无法突破200nm，然而这个尺度恰恰是生物学家最感兴趣的。为了克服这个问题，科学家们开发了超高分辨率显微技术，该技术获得了去年的诺贝尔化学奖。　　然而，超高分辨率显微镜最适合用于薄样本，成像大样本的时间比较长。&ldquo 如果想要分析大脑，或者理解肿瘤转移中的癌细胞，或者研究攻击自身的免疫细胞，你需要在高分辨率水平上观察大块的组织，&rdquo Boyden说。　　为了使组织样本更容易成像，研究人员使用了聚丙烯酸盐制成的凝胶，这是一种高度吸水的材料，通常用于尿不湿中。　　研究人员首先用抗体标记想要研究的细胞组分或蛋白，这种抗体不仅连有荧光染料，还能够将染料连到聚丙烯酸盐上。研究人员向样本添加聚丙烯酸盐并使其形成凝胶，然后消化掉起连接作用的蛋白，允许样本均匀膨胀。样本遇到无盐的水之后膨胀了100倍，但荧光标记在整个组织中的定位并没有改变。　　人们一般用普通共聚焦显微镜进行荧光成像，不过它的分辨率只能达到几百纳米。研究人员通过放大样本，用共聚焦显微镜达到了70nm的分辨率。&ldquo 这种膨胀显微技术能够很好的整合到实验室已有的显微系统中，&rdquo Chen补充道。　　大样本　　MIT的研究团队用这种膨胀显微技术，在常规共聚焦显微镜下成像了500× 200× 100微米的大脑组织切片。而其他超高分辨率技术难以成像这么大的样本。　　&ldquo 其他技术目前可以达到更高的分辨率，但使用起来比较难也比较慢，&rdquo Tillberg说。&ldquo 我们这个方法的优势在于，使用简单而且支持大样本。&rdquo 　　研究人员认为，这一技术对于研究大脑的神经连接非常有用。Boyden的团队将注意力放在大脑研究上，不过这一技术同样适用于肿瘤转移、肿瘤血管生成、自身免疫疾病等研究。

光学显微镜至今已有三百多年的历史，从观察细胞的初代显微镜发展到如今打破分辨率极限的超分辨显微镜。近年来，生命科学领域蓬勃发展，对显微成像技术不断产生新的需求，光学显微镜不断向更高分辨率、快速成像、3D成像等高端技术方向发展。 我国高端光学显微镜市场长期处于被国外产品垄断的局面，许多关键核心部件依赖进口。令人欣喜的是，近五年来，市场上涌现出多种国产高端光学显微镜，包括超分辨显微镜、双光子显微镜、共聚焦显微镜、光片显微镜等，逐渐打破当前市场格局。基于此，仪器信息网特别制作“破局：国产高端光学显微镜技术‘多点开花’” 专题，并向国产光学显微镜企业广泛征稿（投稿邮箱：lizk@instrument.com.cn），了解各企业主要高端光学显微镜产品技术特点和发展进程。本篇为宁波力显智能科技有限公司供稿，公司主要产品为INVIEW iSTORM超高分辨率显微镜，其采用的STORM技术是目前国内鲜少有的超分辨技术类型。撰稿人：宁波力显智能科技有限公司副总经理张猛博士人类的历史，也是一部工具的历史。人类发展的历程就是关于如何对世界了解的更多，将人类生活变的更好更先进的历程。从旧石器时代，原始人拿起第一块石头当作工具开始，就开启了用工具进行未知世界探索和创造性改变的历程。从古至今，人类都是工具发明和使用的种族，新工具的问世也反哺人类的成长和进步，让人类一次次突破原有认知边界看到更多的未知，解决更多的问题，取得更多的成就。显微镜，正是一项帮助人类认识微观世界从而改变世界的革命性工具，也是人类探索微观世界不可缺少的工具。显微镜问世之前，人类仅可用感官来把握世界，所能认识到最小世界就是“目所能及”的常规世界，人的肉眼仅能分辨约0.1毫米尺度的物体，因而相关科学的发展缓慢。当罗伯特胡克使用显微镜观察到软木塞上的“小室”，并将其命名为细胞时，可能还没有意识到他这次实践将为人类开启微观世界的大门。人类对未知领域无限的好奇心是推动科学技术前进的动力之一，为了解析关乎生命基本结构，回答有关物质与生命等基本问题，为此人类不断开发出更为精密、分辨率更高的显微镜来探寻这些问题的答案。经过400多年的发展，近几年国际上出现了超高分辨率显微镜这一工具，一经面世就引起了众多科学家的关注和极大兴趣。那么什么是超高分辨率显微镜，为什么它能让科学家如此感兴趣呢？我们一起往下看。超高分辨率显微镜的诞生，是生命科学史上的一座里程碑简单的讲，超高分辨率显微技术是通过应用一系列物理原理、化学机制和算法“突破”了光学衍射极限，把光学显微镜的分辨率提高了几十倍，使得人类能在200nm以下以前所未有的视角观察生物微观世界的技术，具有超高分辨成像技术和实现超高分辨率成像能力的显微镜就是“超高分辨率显微镜”。那么什么是光学衍射极限呢？所谓光学衍射极限，是1873年德国科学家恩斯特阿贝提出的，由于光是一种电磁波，存在衍射，一个被观测的点经过光学系统成像后，不可能得到理想的点，而是一个衍射像，每个物点就像一个弥散的斑，如果这两个点靠得很近（小于可见光波长大约一半，约200nm），弥散斑就叠加在一起，看到的就只能是一团模糊的图像，也就无法清晰观测到衍射极限以下物体的微观空间结构。并且光学衍射极限此前长期被认为是限制光学显微镜技术通向更微观的“拦路虎”和“绊脚石”，甚至被科学界一度认为是无法突破或绕开的。直到2000年，几位世界知名科学家先后发明了几种不同技术路线的的超高分辨率显微技术。其中，Stefan Hell、Eric Betzig和W.E. Moerner三位科学家就是因其在超高分辨率显微成像技术领域的突出贡献，获得了2014年诺贝尔化学奖。至此，人类才得以突破光学衍射极限这一横亘在前、不可逾越的“大山”，实现了200nm以下超高分辨率显微成像，以光学的方法观测到纳米尺度世界的真实样貌。超高分辨率显微镜可用来研究分子定位与空间分布、分子相互作用、分子复合物的构成，并可实现分子的计数。除具有200nm以下卓越分辨率性能外，对生命样品结构也可进行精准成像定位，还具备对活体细胞进行微观观察的可能性，对于生物、生命科学、医药、医学等的领域都有着重要意义，因此吸引了全球科学家的持续研究和关注。通常来说，超高分辨率显微镜主要有两大类技术策略，一类是通过特定模式照明对分子受激荧光差异化调制实现超高分辨率成像。代表产品有受激发射光耗损显微镜(Stimulated Emission Depletion, STED)和结构光照明显微镜(Structured Illumination Microscopy, SIM)。另一类，是利用荧光分子的“开关”特性，使其随机闪烁，从而能够对单个分子分别记录，实现超高分辨率成像。随机光学重构显微镜（Stochastic Optical Reconstruction Microscopy, STORM）就是这类技术路线的代表。第一大类中，STED及其衍生都是利用“甜甜圈”状的空心光束来修饰位于中间激发光的点扩散函数（Point Spread Function, PSF），从而达到直接超分辨成像的目的。而SIM则是利用了结构光照明，以获得包含样本的结构信息的干涉图案“摩尔条纹”，加上后期的图像重构，达到超分辨成像的目的。第二大类中，STORM是利用了荧光染料分子“光控开关”（photo-switchable）性质，达到在一个衍射极限空间内（200~300 nm）随机“点亮”单个荧光分子并进行高精度定位的目的。既然叫超高分辨率显微镜，最为重要的就是对空间分辨率的提升。其实无论哪一类技术，理论上空间分辨率都是可以实现无穷小，但是受限于样本、荧光染料特性、标记密度、激发光效率等原因，实际拍摄中能实现的空间分辨率是几十纳米。从遍地洋货到国货崛起众所周知，高端显微镜市场被“洋货”所长期垄断，不仅在国外如此，在中国也是如此，国货“芳踪难觅”，这对于我们这样一个大国来说可算是“一言难尽”。当然，也有令人感到振奋的信息，那就是在超高分辨率显微镜这个细分领域，除了“洋货”最近也已见到了国货产品的身影。宁波力显智能科技有限公司（INVIEW）的超高分辨率显微镜产品INVIEW iSTORM就是一款国产超高分辨率显微产品。宁波力显智能科技有限公司是专业从事超高分辨率显微技术和产品研发的科技企业，依托复旦大学的自动控制、新一代信息技术及香港科技大学的生物、光学、图像处理等的技术，拥有光学、生物、自控、机械、信息技术等多领域交叉学科技术团队，将2014年诺贝尔化学奖得奖技术产业化，推出了INVIEW iSTORM超高分辨率显微产品，以帮助人类以前所未有的视角观察微观世界，突破极限，见所未见。INVIEW iSTORM超高分辨率显微镜产品采用dSTORM技术路线，具有20nm超高分辨率、2-3通道同时成像、界面友好、简单易用、系统稳定性好、环境适应性高等的特点。技术先进，20nm超高分辨率，3D成像采用STORM随机光学重构技术，加入柱面镜设计，在XY轴分辨率达20nm、Z轴分辨率达50nm，具备3D成像功能。多通道同时成像光路设计，稳定性高采用专有的多通道同时成像的光路设计，提供稳定的光路。自主开发的成像分光光路，可保证通道间的光学路径相对独立，使得样品发出的荧光最大效率地被探测器接收，最大限度降低通道间的串扰。并配合以最佳染料方案和最佳成像缓冲液配方，以多通道同时成像的方式，在几秒到十几分钟的时间范围内实现20nm的超高分辨率成像。物理样品锁定设计，锁定精度1nm采用纳米级实时动态锁定技术，以实时物理补偿方式纠正样品漂移，无需预热，即开即用，操作简便，免受如气流、温度变化、噪音、机械振动等的环对样品位置的影响，在高楼层、嘈杂、震动、常温常态的环境下也能稳定成像，因而具有高效、简便、对环境适应性好的特性，友好易用。 “傻瓜式”操作，易学易用软件集成了多种成像算法，并在采集数据时实时呈现超高分辨图像重构结果和详细参数，“所见即所需”，操作流程化，简单易用。具有拍摄过程简单易用、参数优化实时透明、超分辨图像实时重构、自动化用户数据管理、图像数据后分析功能等五大特点。此外，经过优化的样本制备方案更易于实验人员的掌握和实际操作。即便是技术新手，经过简单的技术讲解，2个小时以内就可操控系统并获得理想的超分辨率成像结果。以上，INVIEW iSTORM超高分辨率显微产品所具备的综合特点和优势，使得它能够帮助到更多科学家进行衍射极限尺度以下的生物分子组织与相互作用等的尖端科学研究。另外，值得一提的是，INVIEW iSTORM产品还以优异的光路、较低强度的照明、多通道同时成像所支持的较短成像时间等的综合性能，结合合适的荧光探针及根据探针特性调整的探测器拍照频率等，实现活细胞的超高分辨率成像，这将更大程度上帮助到科学家在生物学基本问题与机制上的科学研究。随着人类对自然的认识向更加微观的时空尺度，传统的科研手段已经不能完全胜任，没有高端科研仪器，要想做出重大原始创新科研成果很困难。力显智能科技将继续立足于超高分辨率显微镜技术研究及产品开发，不断推出新技术、新品，从而推动高端显微技术在中国的产业化和应用，努力为我国生命科学、医学、药学等领域的科学研究提供强大助力。INVIEW iSTORM超高分辨率显微产品超高分辨率显微技术的未来可期作为一种新兴荧光显微成像技术，超高分辨率显微成像正受到科学家们的广泛关注，实验室中不断产生着振奋人心的数据。围绕着超高分辨率核心，主要研究方向为不断提高显微镜成像性能，使其分辨率更高，成像速度更快，成像深度更深，视野范围更大，及更低的光毒性光漂白。而我们也可以清晰的看到，由于不同的超高分辨率成像技术提升分辨率的技术路径差异，很难有“面面俱到”的技术可以满足差异化样品的全部成像需求，“精准成像”，也就是针对不同的样品特点，而选择最适合这类样品的显微成像技术，是进行生命科学等领域研究的最优解，这也促使生物，光学，算法，图像处理等领域的研究人员不断深入跨学科合作，共同探索生命的奥秘。即便有了更快、更高、更深、范围更大，更低光毒性光漂白的超高分辨率显微镜，扩展应用仍有诸多挑战。细胞内有成千上万的转录本，有数以万计的蛋白分子。超高分辨率显微镜能否用来实现组学水平的多分子检测？能够找到或开发出足够多样的荧光染料以匹配更多分子吗？或者能找到奇方妙法可以实现多重、多轮检测吗？ 能否开发出新型的荧光染料，使其具有更高的光子预算，更好的光稳定性、光激活、光开关以及转换速率等特性；研制更快更灵敏的光子探测器、输出功率更高的激光器；更稳定、高效、智能的光学系统；更加高效的算法以及不同超高技术路线的联合应用；开发组学水平的多重检测方法等等，正有许多的科学家、研究者们正在进行着有益的尝试。相信未来超高分辨率技术应可应用于实现细胞内的原位测序、原位转录组与蛋白质组分析，并最终获得全景的、多组学、全时空细胞全部分子组织及相互作用图像，真正实现分子生物学与细胞生物学的新融合，让人类有更全面、更精细的视角来理解生命的基本分子组织及其运行的基本机制！超高分辨率技术和产品应用前景巨大，未来可期，令人振奋！

日前，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所突破了航天高分辨率高光谱成像关键技术。该技术利用离轴三反非球面光学系统、复合棱镜分光、推扫成像 和指向镜运动补偿技术，有效解决了航天高光谱遥感中高空间分辨率、高光谱分辨率与图像高信噪比之间的矛盾，突破了视场分离、光谱分光、在轨光谱辐射定标等 关键技术瓶颈，为我国航天高分辨率高光谱成像技术的工程化奠定了技术基础。　　长春光机所研究员颜昌翔及其研究团队针对航天高光谱遥感领域的视场分离、光谱分光、图像信噪比、在轨光谱辐射定标等关键技术瓶颈提出了一系 列创新性的解决方法。研究团队采用离轴三反非球面光学系统、单晶硅无基底狭缝的视场分离器和复合棱镜分光加非球面准直成像光谱仪的技术方案，实现了全色、 可见近红外和短波红外三光路准确分离，保证了系统宽波长覆盖，并实现了高光谱和高空间分辨率、高信噪比，保证了光谱成像质量。该团队采用指向镜运动补偿方 案，建立了在轨实时计算指向镜运动补偿曲线的数学模型，实现了实时计算和控制，使探测器接收的光能量增加到4-6倍，显著提高了系统信噪比，解决了高光谱 和高空间分辨率成像的矛盾。同时，该研究团队还采用镀膜的钕镨玻璃加积分球的在轨定标技术，利用指向反射镜自准，实现了全光路光谱和辐射定标。该团队共发 表学术论文85篇，其中EI、SCI收录36篇，并有6项已授权国家发明专利。目前，该技术已获吉林省2013年度科技进步一等奖。　　利用此项技术成果研制的天宫一号高光谱成像仪，为我国首次自主获取航天高分辨率高光谱图像数据提供了技术支撑，填补了国内空白。天宫一号高 光谱成像仪已在轨稳定运行两年半，获取了大量高光谱图像数据，并已应用于油气勘探、矿物探测、林业调查、土地利用/覆盖变化、海岸带资源调查等领域，为国 民经济可持续健康发展规划提供了科学决策依据。　　据悉，此项技术已经在更高性能航天高光谱成像仪的研制工作中得到应用，必将在持续推进我国航天高光谱遥感技术的发展中起到其应有的作用。

近期，中国科学院半导体研究所研发的“水睛”水下高分辨率环视摄像机完成了针对水下礁盘的摸底海试工作。海洋观测是开发海洋资源、保护海洋生态的关键技术，受到全球的关注，但是目前海洋生物群落及环境变化监测技术仍无法满足海洋大时空数据获取的需求，特别是深海。光学成像技术可提供高分辨率、符合人眼视觉特征的图像，但是在保障高分辨率的前提下存在视场小的问题，难以实现大范围的海底详查的需求。针对此种情况，半导体所周燕、王新伟及其科研团队研制了水下高分辨率环视摄像机“水睛”，可实现水下高分辨率大视角的光学成像，具备180°下视走航观测和360°原位环视观测两种模式（图1）。本次海试中，“水睛”搭载半导体所海面移动光学试验平台“冲浪者”号（图2），在约1000平方米海域进行了水下高分辨观测，完成了海上走航式观测、定点原位观测等摸底性观测试验，验证了设备具备5900万像素下良好的实时彩色成像功能。图1 水下环视摄像机的下视及环视工作模式（上图下视模式，下图环视模式）图2 搭载冲浪者号走航式观测过程中的“水睛”摄像机此次海试，研究人员利用水下摄像机多次完成了礁盘生态系统的观测，拍摄了大量的珊瑚、海星、贝类、鱼类等，形成了水下光学彩色图像库（图3），可用于海洋光学图像处理、目标识别等算法研究。图3海域美丽的珊瑚、鱼类、海星、砗磲等除珊瑚及鱼类等生物要素外，本次海试中，在海底还发现了生物附着的碗和盘子各一只（图4）。图4 生物附着的盘子和碗此次海试由半导体所和南开大学共同组织完成，除“水睛”摄像机外，还利用多参量海洋水体测量系统完成了海洋温盐深、核素、水体光学衰减系数等海洋水体多物理化学参量采集。相关工作得到了南方海洋实验室、中科院青促会项目的经费支持。 图5 项目团队及设备在海试现场

5月16日，由中科院西安光学精密机械研究所与该所投资企业西安中科麦特电子技术设备有限公司共同承担完成的“高分辨率X射线像增强器视觉系统”通过了成果鉴定。高分辨率X射线像增强器视觉系统是一项具有自主知识产权、设计先进、操作简便、使用安全的工业X射线检测系统，它可广泛应用于电子工业生产装配中出现的短路、开路、冷焊和焊点空洞等质量问题，适用于BGA、CSP、Flip Chip 集成电路内部以及多层电路板的质量检测，亦可用于其他领域的X射线检测。高分辨率X射线像增强器视觉系统采用密封型微焦斑X光管，无需抽真空，可以轻易穿透带散热片的芯片，并且实现了大视场浏览和局部细节观测两种检测需求的快速切换，提升了检测效率。同时采用自主研发的高分辨率X射线增强器图像及专用的图像处理软件使得图像更加清晰。该系统所有操作可通过计算机独立完成，高稳定性的运动平台可在X、Y、Z方向大行程运动，倾斜检测模式可使用户更为准确地实施产品质量的检测。专家认为，高分辨率X射线像增强器视觉系统设计先进、综合技术处于国内领先水平，具有广阔的应用前景和较好的经济效益，并建议进一步加强对系统的产业化开发，以拓展产品在更多领域的应用。

超高分辨率让“不可能”变为“可能”!史晓磊Isotope Abundance同位素丰度，是指自然界中存在的某一元素的各种同位素的相对含量（以原子百分计）。如1H的同位素丰度为99.985%，2H为0.015%。可用于追踪物质的运行和变化规律，借助同位素原子以研究有机反应历程的方法，称之为同位素示踪法。因其所引用的同位素标记化合物的化学量是极微量的，不会对体内生理过程产生影响，获得的分析结果符合生理条件，在代谢组学研究中被广泛应用。想在不受13C干扰的条件下去测量低丰度的2H示踪以用于代谢研究，是几乎不可能的，由于来自四极杆质谱的M+1质量同位素13C丰度很高，约为 18%，严重干扰了测定2H的标记示踪[1]。但实际上，2H(0.015%)的低自然丰度使得示踪剂剂量在理论上小于0.5%是可能的[2]，这需要极高分辨率的质谱才能实现完全的基线分离，而Orbitrap Exploris GC 240出现之后，凭借其240000的超高分辨率，让以往在代谢研究中不可能实现的难题变为可能。今天为大家分享一篇美国德克萨斯大学西南医学中心的研究人员利用Orbitrap Exploris GC 240分析棕榈酸中的2H同位素示踪剂的应用。图1.棕榈酸酯C16H31O2的质量同位素分布摘要新生脂肪生成(De novo lipogenesis, DNL)是由碳水化合物等非脂质营养物质合成的脂肪酸，是长期储存热量和维持细胞膜的主要营养物质[3]。监测DNL在细胞器、细胞、组织活检、小鼠模型和人类等环境中的功能，将有助于发现新的分子生理学和许多不同疾病的潜在干预措施。DNL通量通常通过氘水(2H2O)给药后2H掺入脂肪酸来测量。本文利用GC-Orbitrap解析2H和13C脂肪酸质同位素，允许DNL定量使用较低的2H2O剂量和较短的实验周期。NewOrbitrap Exploris™ GC 240科研利器，引领潮流图2. 稳定同位素2H2O是测定DNL的基础 图3.EI模式下的棕榈酸甲酯的质谱图图4.NCI模式下的棕榈酸五氟苯酯质谱图 通过比较棕榈酸甲酯在EI模式和五氟溴代苯衍生棕榈酸酯在NCI模式下的质谱图，NCI测定五氟苯酯产生了未破碎的棕榈酸盐离子(C16H31O2，精确分子量为255.2324)，比EI检测甲酯的效率和灵敏度高1000倍(见图3和图4)。 图5. 采用不同条件验证2H在棕榈酸中的示踪标记 针对不同AGC（自动增益控制）目标的靶向选择离子监测(Target-SIM)(2*104, 2*105和3*106)，2H1和13C1的M + 1两种方法都能很好地分辨。而但全扫描数据为易受离子损失，特别是在AGC目标值高的情况下，容易产生空间电荷效应。同时，准确度高(94-107%)，精度高(变异系数10%)[5-6]，Target-SIM在定量时是更为合适的采集模式。 图6.模拟人体水富集到0.3% 2H2O时棕榈酸质量富集作为DNL的函数研究棕榈酸酯13C1和2H1 (M + 1)质量位移需要用165,000的最小分辨率进行分辨，以往用傅立叶变换离子回旋共振质谱法（FT-ICR-MS）可以实现，但扫描时间长，并需要超导磁体[7]，不易实现。当GC-Orbitrap商业化之后，成为很多代谢组学实验室进行分辨13C和2H的首选。为了确定这种方法是否比单位分辨率的质谱更有优势，模拟了超高分辨率的质谱0-10%的DNL分数范围和0.3%的体内水富集。结果证明，GC-Orbitrap为检测极低前体和产物富集的DNL提供了主要的理论优势。 图7. 在其他脂肪酸中也可以检测到2H富集 结论 本文介绍了一种HR-Orbitrap-GC-MS方法，该方法解决了其他同位素的2H质谱富集，来研究DNL生成。在棕榈酸中直接检测2H质量同位素可防止在低富集时与13C自然丰度的卷积，实验证明，DNL可以在1小时内检测完成，且2H2O的剂量比以前更低[8]。Orbitrap Exploris GC 240因其超高的24万分辨率解决了代谢组学研究中一直以来的难题，成为代谢组学研究中不可或缺的利器。 参考文献：1. Brunengraber, H., Kelleher, J. K. & Des Rosiers, C. Applications of mass isotopomer analysis to nutritional research. Annu. Rev. Nutr. 17, 559 (1997). 2. Diraison, F., Pachiaudi, C. & Beylot, M. In vivo measurement of plasma cholesterol and fatty acid synthesis with deuterated water: 3. Wallace, M. & Metallo, C. M. Tracing insights into de novo lipogenesis in liver and adipose tissues. Semin Cell Dev Biol, https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2020.02.012 (2020). 4. Murphy, E. J. Stable isotope methods for the in vivo measurement of lipogenesis and triglyceride metabolism. J. Anim. Sci. 84, E94–E104 (2006). 5. Su, X., Lu, W. & Rabinowitz, J. D. Metabolite spectral accuracy on orbitraps.Anal. Chem. 89, 5940–5948 (2017). 6. Fernandez, C. A., Des Rosiers, C., Previs, S. F., David, F. & Brunengraber, H.Correction of 13C mass isotopomer distributions for natural stable isotope abundance. J. Mass Spectrom. 31, 255–262 (1996). determination of the average number of deuterium atoms incorporated. Metabolism 45,817–821 (1996). 7. Herath, K. B. et al. Determination of low levels of 2H-labeling using highresolution mass spectrometry: application in studies of lipid flux and beyond.Rapid Commun. Mass Spectrom. 28, 239–244 (2014). 8. Previs, S. F. et al. Using [(2)H]water to quantify the contribution of de novo palmitate synthesis in plasma: enabling back-to-back studies. Am. J. Physiol.Endocrinol. Metab. 315, E63–E71 (2018).