粒子成像测量

作者：俄勒冈州大学Laurel Hamers　　　UO CAMCOR工厂的扫描电子显微镜。物理学家Ben McMorran和他的团队想出了一种改进研究工具性能的方法。图片来源自俄勒冈州大学　　量子怪诞正在为电子显微镜打开新的大门，成为高分辨成像的强大工具。　　UO物理学家Ben McMorran实验室的两项新进展正在改进显微镜。这两种方法都源于量子力学的一个基本原理：电子可以像波和粒子一样同时运动。这是许多奇怪的量子级怪诞的例子之一，在这些怪诞中，亚原子粒子的行为似乎往往违反了经典物理定律。　　其中一项研究发现了一种在显微镜下研究物体而不与之接触的方法，从而防止显微镜损坏易碎样品。第二种方法设计了一种同时对一个样本进行两次测量的方法，提供了一种研究该物体中的粒子如何跨距离相互作用的方法。　　McMorran和他的同事在两篇论文中报告了他们的发现，这两篇论文都发表在《物理评论快报》杂志上。　　“通常很难在不影响它的情况下观察到一些东西，尤其是当你观察细节时。”McMorran说道：“量子物理学似乎为我们提供了一种在不破坏事物的情况下更深入地研究它们的方法。”　　电子显微镜被用来近距离观察蛋白质和细胞以及非生物样本，比如新材料。电子显微镜将电子束聚焦在样品上，而不是传统显微镜中使用的光。当光束与样品相互作用时，其某些特性会发生变化。探测器测量光束的变化，然后将其转换为高分辨率图像。　　但这种强大的电子束会对样品中的脆弱结构造成破坏。随着时间的推移，它可能会削弱科学家试图研究的细节。　　作为一种解决方法，McMorran的团队使用了20世纪90年代初发表的一项理想实验，该实验提出了一种在不触碰敏感炸弹、不冒引爆风险的情况下探测敏感炸弹的方法。　　这个技巧依赖于一种叫做衍射光栅的工具，衍射光栅是一种带有微小缝隙的薄膜。当电子束击中衍射光栅时，它被一分为二。　　McMorran实验室的研究生Amy Turner是第一项研究的主导人，她解释说：“在这些分束衍射光栅正确对准的情况下，电子进入并分裂成两条路径，但随后重新组合，使其只流向两种可能输出中的一种。其原理是，当你放入样品时，电子与自身的相互作用会被打断。”　　在这种装置中，电子不会像传统的电子显微镜那样击中样品。相反，电子束重组的方式揭示了范围内样本的信息。　　在另一项研究中，McMorran的团队使用类似的衍射光栅装置同时在两个地方测量样品。他们将电子束分开，使其在一个小金粒子的两侧通过，测量电子传递到每一侧的粒子的微小能量。　　这种方法可以揭示样本在原子水平上的敏感细微差别，了解样本中粒子相互作用的方式。　　劳伦斯伯克利国家实验室的博士后研究员Cameron Johnson在McMorran的实验室做了博士研究，并领导了这项研究。他认为：“这项研究的特殊之处在于，你可以观察它的两个独立部分，然后将它们结合在一起，看看这是一种集体振荡，还是它们之间不相关。我们可以超越显微镜的能量分辨率和通常无法达到的探针相互作用的极限。”　　虽然这两项研究进行了不同类型的测量，但它们使用的是相同的基本设置，即所谓的干涉测量法。McMorran团队的成员认为，他们的工具可能在他们自己的实验室之外有用，可以用于各种不同类型的实验。　　Turner自豪道：“这是第一台此类电子干涉仪。人们以前使用过衍射光栅，但这是一种功能灵活的版本，可以根据不同的实验进行调整。”　　McMorran谈到，如果有合适的材料和说明，这种装置可以被添加到许多现有的电子显微镜上。他的团队已经引起了其他实验室研究人员的兴趣，他们希望在自己的显微镜中使用干涉仪。参考资料：Amy E. Turner et al, Interaction-Free Measurement with Electrons, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.110401Cameron W. Johnson et al, Inelastic Mach-Zehnder Interferometry with Free Electrons, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.147401

据报道，麻省理工学院(MIT)化学家们最近开发出了一种神奇的纳米粒子。其神奇之处在于植入到活体动物体内后，该粒子不但可以核磁共振成像(MRI)还可以完成荧光成像。结合这两种成像技术科学家们可以轻易追踪体内的特异分子，监控肿瘤周围状况，更能直接观察到药物是否成功抵达靶细胞。 在自然通讯11月18号发表的文章中，研究者揭示了这种粒子的作用机理。以小白鼠体内的维生素C追踪为例，实验前将同时携带有MRI和荧光传感器的纳米粒子注入到小白鼠体内。在维C高的地方，荧光信号强烈而核磁共振信号较弱，反之则较强。 Johnson表示未来这种粒子的应用将更加广泛，性能也将更加多样化。不但可以一次检测多种分子还可以专门用来检测某种特定分子比如和疾病息息相关的厌氧分子浓度。借助成像探测器，人们就可以进一步剖析病发过程。 这种由Johnson和他的同事们一起发明的纳米粒子其组装过程就像搭积木。不同的是，此处积木是由携带有传感器的高分子链组成。一部分分子链上携带有硝基氧（MRI造影剂）而另一部分则会携带一种叫做Cy5.5的荧光分子。 当这两种分子链按比例混合时，就可以形成一种特殊的纳米结构，这种结构被他们称作毛刷状枝型高分子。在该研究中，硝基氧和Cy5.5的比例分别是99%和1%。 硝基氧中的一个氮原子通过一个孤对电子与氧原子结合，这种结合很不稳定，所以正常情况下硝基氧表现出很大的化学活性。而这种活性正好抑制了Cy5.5的荧光效应。但是当遇到某些像维生素C这种特殊分子，硝基氧就会捕获电子失活，此时Cy5.5的荧光效应就得以体现。 普通硝基氧的半衰期很短，但是最近Andrzej Rajca教授发现在硝基氧上连入两个巨体结构，其半衰期可以延长。另外，将Rajca发现的硝基氧与Johnson合成的毛刷状枝型高分子结构相结合，其半衰期又会大大延长到几个小时，这段时间足以获得有效的MRI图像。 研究者发现成像粒子在肝处聚积，缘于小白鼠体内的维C由肝脏制造，所以一旦硝基氧分子到达肝脏部位从维生素C中捕获电子失活后，MRI信号就会消失而荧光信号则会加强。除此之外，研究者还发现在大脑（维C循环的终点站）只有少量的荧光信号。相反在血液和肾脏处（维C含量低）MRI信号最强。 下阶段，这些研究者的工作将围绕如何扩大遇到靶分子时不同传感器的信号差异展开。而目前他们已经能够创造可携带三种不同药物的荧光分子，这项技术使得他们能够追踪纳米粒子是否到达了目标位。 Johnson 在论文中指出：如果解决了这些粒子到达靶细胞的问题，那么我们将可以获得肿瘤的生长信息。未来的某一天人们只需要直接注射这些粒子到病人体内，就可以直接观察病灶和健康组织。 Steven Bottle教授说：这项研究最成功的地方在于将两种有效的成像技术合二为一。这种多功能、多组合的显像模式必然会发展成为一种检测活体动物体内疾病系数的有效工具。

横河电机公司宣布，根据双方约定，于2020年4月8日完成对Fluid Imaging Technologies公司全部股份的收购。Fluid Imaging Technologies公司拥有分析悬浮在液体介质中的细胞和其他类型颗粒的尖端技术和经验，专门从事液体中悬浮细胞等粒子的测量设备的研发、制造和销售。通过将Fluid Imaging Technologies纳入横河集团，横河将能够扩展生命创新业务，提供细胞观察解决方案的产品组合，加强生物经济市场的业务。Fluid Imaging Technologies是开发流体成像仪器的先驱，这些仪器结合了传统显微镜（观察细胞）和流式细胞仪（高速分析悬浮在液体介质中的淋巴及其他类型血细胞的特性）的功能，能够对液体样品中的颗粒进行成像、测量、分析和计数，可用于海洋研究、市政水管理等领域，也可用于生物制药、化学制品、石油和天然气等行业。横河电机通过提供用于细胞内部三维观察的CSU系列共焦扫描仪单元及用于培养细胞进行药物自动评估实验的CellVoyager系列高含量筛选系统，支持活细胞成像系统的前沿研究和开发。这些仪器适用于观察培养在培养皿和其他培养皿表面的粘合细胞。横河电机产品系列中增加了Fluid Imaging Technologies的流体成像仪器后，将为客户提供更多选择，而我们将AI辅助图像分析技术与这些技术相结合，将使我们能够为生产线上的抗体药物的质量检查和供水系统的水质检查等应用提供新的解决方案。横河电机将流体成像技术与其在石油、化工、给排水处理行业的控制业务的核心技术和专业经验相结合，将能够在医疗保健、食品和饮料、制药和环境研究等不同领域为客户提供新的价值。Fluid Imaging Technologies公司总裁兼首席执行官Kent Peterson说：“流体成像仪器与横河电机的光学工程、人工智能软件、市场营销能力相结合，将加速FlowCamTM成为流体成像技术全球尖端品牌的定位。”横河电机执行役员兼生命创新业务总部负责人中尾宽说：“横河的长期目标是2050年为社会的可持续增长做出贡献。我们的目标之一是为所有人提供福利。我坚信流体成像技术将为实现这一目标做出巨大贡献。 流式成像颗粒分析系统