反窃听设备

除了一张跑步机办公桌，皮特德利斯特恩(Pieter Dorrestein)在加利福尼亚大学圣迭戈分校(UCSD)的办公室并没有什么特别：一张圆形工作台周围摆满了椅子，书架上满是期刊、论文和书籍，还有许多表彰他个人及其工作的奖章。　　但一旦他开始给来访者演示他的工作，一切突然就变得神奇了起来。他在电脑上打开一份3D的空间展示画面：画面中有四个人围坐在桌子旁，其中一个就是德利斯特恩本人——他们看起来就像是被溅上了颜色鲜亮的油漆。为了制作这个画面，研究人员将房间的每个平面，甚至包括屋子里的人用棉签擦拭了几百次，然后用质谱技术分析棉签来鉴定其中的化学物质。皮特德利斯特恩的方法能够揭示微生物在复杂群落中的作用与功能　　这幅画面揭示了许多关于这个空间和空间里的人的信息。德利斯特恩的两名同事是重度咖啡饮者：在他们的手上和脸上检测到了咖啡因的斑点，同时在地板上也有相当大的一块斑点，那是一片之前残留的咖啡渍。德利斯特恩不喝咖啡，但也在四处留下了踪迹——既有个人护理用品，也有他根本都不记得自己用过的普通甜味剂。他很惊讶，他触碰过的许多地方甚至发现了驱虫剂避蚊胺(DEET)，但他至少六个月没有用过这种化学物质了。　　画面里也有办公室其他生物的踪迹，比如寄居在人体皮肤上的微生物。德利斯特恩曾用质谱技术观察过这些微生物产生的小分子代谢产物，得到了关于微生物如何形成群落并与其他微生物、人类寄主以及它们寄居的环境互相作用的详细图象。　　他分析了来自植物、海水、偏远部落以及人类患病肺部等的微生物群落，想要发现这些化学物质之间的交流方式：它们是怎样告知彼此某个地方是否适合寄居，又是如何为了领地而战斗的呢?这项工作可以鉴定出先前未知的微生物及它们产生的有用物质，比如说抗生素。　　“这项研究的应用十分广泛，”加利福尼亚大学旧金山分校(UCSD)格莱斯顿研究所的比较基因组学专家凯蒂波拉德(Katie Pollard)评论道。由于许多微生物都无法直接培养和研究，所以这些原位(in situ)检测方式的出现影响重大。”同时，上个月美国白宫科学技术政策办公室公布的，投资5.21亿美元的国家微生物组计划(National Microbiome Initiative)中的部分研究目标，也可通过这项技术直接实现。该计划公布时，德利斯特恩也在现场。　　在这个快速发展的领域，德利斯特恩仍旧潜心于构建实用工具，以及进行富有成效的合作，这使他分外引人注目。“皮特是真的对此感兴趣，并且非常具有创造性。”西北太平洋国家实验室的生物科学主管珍妮特扬松(Janet Jansson)说道。她曾于今年四月到访UCSD，当时德利斯特恩问她，能否擦拭她的一只手用以实验研究。“我说，‘太好了!可以的!我想要参与到这项研究中来!’”扬松回忆道，“他的研究既有趣又激动人心，所有人都非常愿意参与进来。”　　攀岩时做出的人生选择　　德利斯特恩成长于新西兰。16岁时他到美国亚利桑那州的图森走亲戚，在那里迷上了攀岩这项运动。由于自己家乡地形平坦，根本没有攀岩的场地，他申请到位于弗拉格斯塔夫的北亚利桑那大学读书——这里位于亚利桑那、新墨西哥、科罗拉多和犹他四州的交界处，有大量的石山可以攀登。他的专业是地理和化学，可他仍一心扑在攀岩上。但1998年大学毕业后，攀爬加利福尼亚州约塞米蒂国家公园中一面900米高的岩壁的经历令他开始重新思考人生规划。　　当时他的最高一处固定点距离顶端的岩石只有50米，他意识到如果自己这时没抓稳，就会飞速往下掉落100米，直到安全绳索绷紧，把他狠狠砸在花岗岩上。他说，自己当时感到的不是害怕，而宁可说是他的无畏困扰着他。“我当时想，如果我继续攀岩事业，可能不会有什么好结果，”他回忆道，“所以我用绳索降了下去。”　　那天，他开车回到位于弗拉格斯塔夫的家，开始填写申请研究生的表格。最后他来到了康奈尔大学研究微生物产生小分子物质(比如维生素B1)的机理。就是在这里，他第一次接触到质谱(mass spectrometry)技术。　　通俗地说，质谱技术就是将复杂的分子破碎分离，使其离子化并且测量出碎片分子的质量，从而计算样品分子组成成分的技术。德利斯特恩就是利用这种像条形码一样的质谱技术，为样品中的每种化学物质创造出各自特异的标记。　　德利斯特恩对这项技术深感兴趣，因此毕业后来到伊利诺伊大学香槟分校的化学生物学家尼尔凯莱赫(Neil Kelleher)的实验室继续博士后工作。凯莱赫倡导使用“自上而下”的质谱技术，即采用完整的而不是消解过的蛋白质直接放入仪器检测。利用这种方式，研究人员可以鉴定出蛋白质上的微小修饰，但是过程却很耗时。德利斯特恩在刚来到伊利诺伊的前两个月里就发展出一种快捷方式，可以系统地检验相当大分子量的酶。“我们将原本以年计数的工作量压缩到了几十天内完成。”德利斯特恩说道。他在博士后工作的两年内最终联名发表了17篇论文。“皮特不仅具有创造性，同时又干劲十足，而且能够用难以置信的能力来完成课题，这简直太难得了。”凯莱赫评价道。目前凯莱赫在西北大学任职。 两位健康人身上的400处采样揭示了皮肤上的化学物质及微生物名录　　2006年，德利斯特恩加入UCSD任职——不过，当该校药理学院院长帕尔梅泰勒(Palmer Taylor)签署了能让他来做质谱成像的MALDI-TOF-MS(基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪)的采购单时，一切才是真正的开始。“这改变了我的整个世界。”他说。　　看到微生物间的“军备竞赛”　　质谱成像技术不仅能鉴定样品中分子物质，同时还能提供空间信息。MALDI-TOF利用激光来加热并电离分子物质，研究人员用激光束扫描2D样品，可以捕获样品中不同分子精确位置信息的“图像”。这项技术可应用于鉴定并定位肿瘤切片中的生物标记物，但德利斯特恩感兴趣的是微生物，他想要知道能否直接扫描在皮氏培养皿中培养的微生物菌落并鉴定它们的代谢产物。　　没有人做过这种尝试。德利斯特恩觉得这可能是因为大家都担心这会污染昂贵的质谱仪——“但是把微生物直接放到仪器里进行检测也一样会污染仪器。”所以他做了一个简单的实验，让一名本科生萨拉魏茨(Sara Weitz)来扫描芽孢杆菌菌落。　　这次实验产生的图像不是最漂亮的，但是他们发现这种流程是可行的。他将图像结果发送给了保罗斯特雷特(Paul Straight)，一名刚刚入职得州农工大学的微生物学家。“他当时完全目瞪口呆。”德利斯特恩说道。两组科研团队合作采用质谱成像技术检测了紧邻生长的枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor)的菌落。通过探索两种菌落交界处的空间信息，他们鉴定到了这两种微生物彼此相互竞争所用的分子物质。　　德利斯特恩表示，将这场微生物的军备竞赛可视化的过程，令他回想起1928年亚历山大弗莱明(Alexander Fleming)从可以杀死细菌的霉菌中分离出青霉素的故事。质谱成像技术可以快速鉴定到这种互作的化学物质，很有可能加速新型抗生素的筛选。　　德利斯特恩决定转移实验室的工作重心，几乎专门来研究这些技术方法。他那是还是一名青年研究员，他认识的所有人都不建议他冒这个险。但院长泰勒鼓励他马上申请终身教职。“皮特在分析和计算领域潜力非常突出，经常能够摆脱思维局限性，”泰勒说，“他之前的研究项目都发展得十分迅速。”　　观测不纯净样本的问题在于，其产生的数据会十分混乱。扫描微生物菌落会产生数以千计的条形码，但是其中大部分都不知道与什么有关，相当于一堆没有注释的信息。“这就好像在昏暗的路灯下看东西，”德利斯特恩说，“人们只能‘看到’之前鉴定过的分子物质，但是绝大多数分子都是未知的。”扬松也认为这是这一领域目前的一个大挑战：“用质谱仪来分析特征是可行的，但仅凭这些特征仍很难鉴定分子物质是什么。”　　为了分析这些庞大的数据，德利斯特恩与UCSD的计算生物学家努诺班代拉(Nuno Bandeira)合作，根据样品分子与已知分子的关系将条形码和分子物质分类，这使得研究人员开始从计算分析的角度预测上千种代谢物的结构和功能。但是目前依然有大量的数据没有得到注释：尽管世界范围内有数千人从事质谱研究工作，但大部分人只对他们感兴趣的几个分子进行了注释。　　因此，2014年起，德利斯特恩与班代拉实验室的研究生王明迅(音，Mingxun Wang)开始尝试众包注释。他们建立了一个网站，取名为“全球天然产物分子互作网络”作为数据库和数据分析工具，使得研究人员们能够揭示相关分子物质的关系、将相似分子归类并比较数据库。“他建立的这个网站给这一领域的发展带来了巨大帮助。”扬松说道。　　团队合作　　德利斯特恩成功的关键因素之一就是他的合作精神。微生物组DNA及RNA测序专家罗布奈特(Rob Knight)就和德利斯特恩在同一栋建筑里工作，他们将测序与质谱技术相结合来进行研究。去年，德利斯特恩实验室的一位博士后阿米娜布斯利玛尼(Amina Bouslimani)在一位男性志愿者和一位女性志愿者身上选取400个点进行采样，并将实验重复了两次。一组样品送往奈特实验室进行微生物测序，另一组样品则通过质谱仪来鉴定与微生物共存的天然及人工的化学物质。　　实验要求志愿者在采样前三天禁止洗澡或使用化妆品，可样品中仍有上百种微生物的化学特征被美容产品和卫生用品中的化学物质遮盖掉了。不过研究人员仍旧发现了微生物群落与局部化学物质之间的一致性：比如说，女性阴道部位的细菌就与炎症分子有关。德利斯特恩表示，这样的联系可用来判断微生物-寄主互作的假说。　　布斯利玛尼目前正在分析来自志愿者手部及手机等个人用品上的样品。这项目前还未发表的工作显示，人们会在接触过的物体上留下独特而恒久的化学标记——就像德利斯特恩办公室的那副图像一样。　　阿米娜和德利斯特恩认为，这一发现可以在司法科学上有所应用。采自嫌疑人皮肤的样品可用来分析其化学特征是否与犯罪现场相符。在缺乏DNA或指纹证据的情况下，罪犯留下的化学物质也可以提供生活档案：他们用过的物品以及身上携带的微生物都可以合成画像。“或许这些化学特征能够帮助调查者缩小搜查范围。”布斯利玛尼说道。　　去年，德利斯特恩与纽约大学的微生物学家玛利亚多明戈斯-贝略(Maria Dominguez-Bello)等人合作，想要了解人类在不穿戴服饰的情况下皮肤情况及其微生物多样性。他们从巴西玛瑙斯、坦桑尼亚哈扎等偏远部落的居民身上采集了样品，并将其与采集地点附近非部落居民的样品相比较。利用德利斯特恩的质谱技术，他们发现部落居民的微生物群落及皮肤化学物质的多样性要高于生活方式较为现代的非部落居民。德利斯特恩说，目前正在进行的工作也有一些惊人的结果：巴西某一村庄的居民皮肤上具有多种药物分子，这说明他们与外来者的接触要比之前预测的多。　　德利斯特恩表示，这项技术也可以应用于改善海洋生态环境，或者提高农业效率，以减少温室气体排放。提到这些想法时，他整个人身体前倾，表现得十分激动。但问及他下一步将选择什么样的研究课题时，他首先提到的还是人类健康。“对我们而言，这是显而易见又直截了当的——我们首先还是想要帮助病人。”他说。　　德利斯特恩与奈特，还有UCSD的成人囊性纤维化门诊主任道格康拉德(Doug Conrad)等人合作发展了快速微生物诊断测试手段。囊性纤维化会引起肺部粘液的堆积，从而受到细菌周期性的感染。这种感染需要抗生素的积极治疗——但有时候细菌会产生抗药性。德利斯特恩及其同事通过分析来自囊性纤维化患者的粘液样品得到的质谱结果数据，鉴定到了未被标准医药技术发现过的微生物群落。　　今年刚刚加入德利斯特恩实验室的博士后路易斯-菲利克斯(Louis-Félix Nothias-Scaglia)目前正在分析牛皮癣患者的皮肤，而牛皮癣通常被认为是免疫系统过度活跃引起的。如果能够在患者皮肤上发现健康皮肤中不存在的某种细菌产生的分子物质，路易斯-菲利克斯解释道，那么就有可能用于开发治疗或者甚至预防牛皮癣的药物。这样的话，利用微生物的改变来预测牛皮癣的发生，就能令患者减少免疫抑制药物的使用。　　将这种数据密集型的技术应用到标准的实验室测试中又将是一个挑战。“肯定会有人说这太复杂了，不可能推广开来。”康拉德说。“在某种程度上，我能理解这种看法。但我们现在的发展势头不错，继续按照目前的方法做下去或许就能得到不错的结果。”　　但德利斯特恩想要的不仅仅是维持现状继续做下去，他想要改变目前的状况，尤其是正在蓬勃发展的微生物组学研究领域。他认为学科发展就是要经历不同的阶段：第一阶段注重于微生物的鉴定，而第二阶段就是利用质谱等技术探明这些微生物究竟在干什么。　　是什么驱动着微生物群落的建立?它们采用怎样的代谢方式?微生物之间、微生物与寄主之间又是如何互相作用的?“如果你能从根本上理解了这些问题，”德利斯特恩说，“那么你就可以开始控制它了。”他认为，第三阶段就是控制微生物。通过操纵微生物群落，是不是就能添加必需成分来改变人体健康、情绪和运动表现了呢?德利斯特恩认为这些问题的答案就摆在他面前，而他只需进一步探索。

新时代新青年新国潮庚子鼠年，一场疫情席卷大地，全球一片愁云惨淡。世界多国经济萎靡，中国在抗击疫情工作取得丰硕成果的同时，国内经济竟逆势增长2.3%，成为世界上唯一实现正增长的主要经济体，这是一个来之不易的里程碑。对我们来说也是难得的机会——乘势进一步巩固了在行业中的地位，为抗衡“脱钩论”贡献了自己的力量。回想这一年，火神山、雷神山以及各地方舱医院的建立，无一不体现出抗疫工作者在面对困难挑战时的奋斗和进取，“中国速度”是对他们最好的称赞，成为像他们一样的“进取者”更是每一个盛瀚人的目标和方向。在“成为全球两大ic品牌”这项共同的事业中，我们始终倾注梦想、肩负使命、贡献智慧、挥洒汗水！ 情怀盛瀚成立已近20年，学习企业文化是每一个盛瀚人的必修课，在我们看来，中华民族的文化自信、奔赴同一个目标、有劲儿往一处使是成功根本，也正是情怀与梦想的力量激励着盛瀚，在经过整整六个“入不敷出”的寒暑之后，终于迎来了离子色谱时代的曙光，伴随着第44个出口国的出现，“中国仪器，走向世界，服务全球”的使命布局愈发清晰。责任“敬天爱人”这一中国文化与哲学的核心内涵，在盛瀚也得到了充分体现。疫情期间的物资捐献；云南腾冲希望小学的建立；盛瀚色谱班、盛瀚书库的设立；每年11月的公益行… ..在企业更好发展的同时，我们也愿为“给中国下一代提供更好的机会与选择”而奋斗终身。坚韧与科技2020年，嫦娥探月归来、天问也奔赴火星，中国的科研技术已经到达了世界尖端行列。但毋庸置疑，在色谱技术领域，国内与国外相比还有不小的提升空间，在“脱钩论”的影响下再细微的进步都显得弥足珍贵。即便如此，盛瀚还是携新品cic-d180亮相11月的慕尼黑上海分析生化展；12月cic-d150拿回了“中国制造之美”金奖；cic-d180入围中国优秀工业设计… … 对于技术的进步，哪怕只有0.1%的提升，我们亦是坚持不懈，不断向前。新时代新青年新国潮2021是疫情持续蔓延的一年，是中国“十四五”规划开局之年，亦是国际竞争破局之年。越是未来浮现于脑海，越需审视过去；唯有坚持不断进取，方能迎接挑战！开创一个充满未知与希望的新时代，且听盛瀚和你说...

【科学背景】随着无线通信技术的不断发展，对更高数据速率、更低延迟和更少错误率的需求不断增长，推动了下一代无线通信系统朝着更高的载波频率和超大规模天线阵列的方向发展。然而，这一进程也带来了对通信网络安全性和抗干扰能力的重大挑战。传统的加密方法通常在网络层实施，增加了消息代码的长度和传输开销，并需要密钥交换，这使得满足高带宽和超低延迟通信系统的要求变得困难。为应对这些挑战，近年来多种物理层安全方法得到了开发，其中包括相控阵波束成形技术和人工噪声干扰技术。这些方法的目标是通过增加信号到合法接收者和窃听者之间的信道容量差异来提升通信的安全性。然而，传统的波束成形技术存在体积庞大、能耗高等问题，同时发射机无差别地向所有方向辐射未失真的信号，理论上允许配备灵敏接收器的窃听者截获信息。这些安全隐患促使了对定向通信技术的探索。定向信息调制（DIM）作为一种有前景的物理层安全技术，利用多天线的波束成形能力，在期望方向传输正确的星座符号，同时在其他非法方向将其失真为噪声，从而确保了信息的安全。然而，现有的DIM方案存在一些问题，例如体积庞大、能耗高、成本高以及无法支持二维（2D）和高阶调制等。当前的主流DIM实现大多依赖于相控阵和时间调制阵列（TMA），这些方案虽然能够生成任意幅度和相位的响应，但由于硬件昂贵、能耗高，且只能支持一维传输，限制了其应用范围。为了解决这些问题，近年来可编程超表面（PM）被引入DIM研究。PM具有灵活的电磁波实时调控能力，可以作为一个高度集成的通信系统，具有更简单的架构、更低的成本和更少的能耗。已有研究尝试使用PM实现定向通信，包括近场幅度移位键控（ASK）调制、远场正交相位移键控（QPSK）调制等。然而，这些方案通常只利用电磁波的相位或幅度特征，缺乏高阶调制和正交幅度调制（QAM）方案，并且需要外部射频源，限制了其应用于空间受限的环境。有鉴于此，东南大学崔铁军院士团队在“Nature Communications”期刊上发表了题为“Two-dimensional and high-order directional information modulations for secure communications based on programmable metasurface”的最新论文。本研究提出并实验演示了一种基于二维（2D）PM的DIM方案，旨在克服现有DIM方案中的缺陷。该方案集成了可控组件，能够在期望方向生成正确的星座符号，并形成一个可重构的低剖面调制器，提供发射机与多个接收机之间的独立通信链路。通过使用交替方向乘子法（ADMM）框架中的快速高效算法优化编码序列，该方案实现了在谐波下的定向安全性，并在多通道模式下验证了8PSK、16QAM和64QAM的星座图。【科学亮点】（1）本文首次提出了一种基于2位可编程超表面（PM）的二维及高阶DIM方案，并成功实现了这一方案。该方案利用PM的可调控组件和快速高效的离散优化算法，克服了传统DIM方案存在的体积庞大、能耗高、成本高以及无法支持二维（2D）和高阶调制的缺陷。实验中，PM方案能够生成正确的星座符号，并在多方向波束中传输，显示了其在定向信息调制（DIM）方面的潜力。（2）通过在多通道模式下进行的验证实验，本文展示了该DIM方案的有效性。具体而言，三组星座图（8相位移键控（PSK）、16正交幅度调制（QAM）、64QAM）在多通道模式下得到了验证，测量结果表明，接收到的信号在期望方向上保持了与预设星座图一致的结构，而在其他方向上则出现了失真。这表明该系统不仅能够进行数字信息的直接传输，还能实现信息的定向安全，即只有期望方向的用户能够接收到正确的符号，而其他方向的用户将接收到失真的符号，从而确保了信息的安全性。【科学图文】图1：基于PM的DIM方案的示意图。图2：PM-based DIM方案中使用的元件的详细信息。图3：单通道模式的选定测量结果。图4：单通道模式下测得的EVM值。图5：双通道16QAM方案中的选定测量结果。图6：评估双通道16QAM中的串扰的结果。7：双通道16QAM实验中测得的EVM值。图8：验证所提出DIM方案的安全区域特性和宽带性能的测量信号结构，其中红色圆形标记表示参考星座符号。【科学启迪】本文提出的基于二维可编程超表面（PM）的定向信息调制（DIM）方案在物理层安全领域开创了新的方向。传统的无线通信系统面临着信息安全的重大挑战，尤其是当发射信号无差别地传播到所有方向时，窃听者有可能截获到未加密的信息。传统的加密方法虽然能够在网络层提供安全性，但它们往往增加了通信延迟和复杂性，并无法有效解决对高带宽和低延迟通信系统的需求。本研究首次利用二维PM结合快速高效的离散优化算法，提出了一种在多方向上生成和传输正确星座符号的DIM方案。这种方案不仅克服了现有DIM技术中的体积庞大和高能耗等问题，还支持了二维及高阶调制，为未来的无线通信系统提供了更为灵活的解决方案。特别是通过在期望方向传输清晰的信号，并在其他方向进行信号失真，这种定向传输模式大大提高了信息的安全性，防止了非目标方向用户的潜在窃听。此外，实验验证了该方案在8PSK、16QAM和64QAM等多种星座图下的有效性，展示了其在多通道模式下的优异性能。这不仅表明该技术在实际应用中具有高度的可靠性，也为未来高吞吐量、低延迟的无线通信系统的发展奠定了坚实的基础。文献详情：Xu, H., Wu, J.W., Wang, Z.X. et al. Two-dimensional and high-order directional information modulations for secure communications based on programmable metasurface. Nat Commun 15, 6140 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50482-y