空间分辨

p style="text-align: justify text-indent: 2em "近日，中国科学技术大学侯建国院士领衔的单分子科学团队的董振超研究组与罗毅研究组，在单分子拉曼成像领域取得重大进展，将空间分辨率推向新极限，实现了埃级单化学键分辨的分子内各种振动模式的实空间成像，并提出了一种全新的分子化学结构重构技术——扫描拉曼埃分辨显微术（Scanning Raman Picoscopy，SRP）。该成果于2019年11月8日在《国家科学评论》上在线发表研究论文“Visually Constructing the Chemical Structure of a Single Molecule by Scanning Raman Picoscopy”。br//pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/1c99e193-5263-4cb7-b135-48cb65706eae.jpg" title="图片2.png" alt="图片2.png"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "精确确定分子的化学结构对于任何一个分子相关领域都具有至关重要的意义，是深刻理解分子的化学、物理、生物等性质和功能的关键。扫描隧道显微镜和原子力显微镜具有在实空间对单分子骨架进行成像的杰出能力，但这些技术通常缺乏精确确定单分子结构所必须的化学信息。拉曼散射光谱中包含了丰富的分子振动结构信息，不同化学基团的拉曼光谱的谱形特征各不相同，因此拉曼光谱可以作为分子化学基团的“指纹”识别工具，但常规拉曼成像技术达不到扫描针尖技术所具有的的超高空间分辨率。因此，将二者结合发展起来的针尖增强拉曼光谱技术（TERS），可以克服各自技术的缺陷，融合两种技术的优势，为实现单分子化学结构的确定提供了可能。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "2013年，由侯建国院士领衔的单分子科学团队首次展示了亚纳米分辨的单分子拉曼成像技术 [Nature 498, 82 (2013)]，将具有化学识别能力的空间分辨率提高到了一个纳米以下（~5埃），此项突破性成果已被国际同行引用八百多次。在此基础上，研究者们一方面探索单分子拉曼成像技术空间分辨率的极限，另一方面思考如何充分发挥这项技术的独特优势。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "最近，该团队通过改进低温（液氦）超高真空针尖增强拉曼光谱系统和精细调控针尖尖端高度局域的等离激元场，将空间分辨率提高到了1.5埃的埃级单个化学键识别水平，在实空间获得了分子各种本征振动模式完整的空间成像图案，并发现和观察到了分子对称和反对称振动模式中显著不同的干涉效应。span style="text-indent: 2em "更为重要的是，该团队基于埃级分辨的分子振动模式成像图以及由此揭示的新物理效应，结合化学基团的拉曼指纹数据库，提出了一种可视化构建分子结构的新方法——扫描拉曼埃分辨显微术。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "扫描拉曼埃分辨显微术充分彰显了基于拉曼信号的针尖扫描技术“锋芒毕显”地在实空间精确确定分子化学结构的能力。研究者以单个镁卟啉分子作为模型体系，采用“搭积木”(Lego-like)方式把各个化学基团拼接起来，实现对整个分子化学结构的构建。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "埃级分辨的扫描拉曼显微术所具备的这种解析未知分子化学结构的能力，无疑将引起化学、物理、材料和生物等领域科研人员的广泛兴趣，催生这一领域的大量相关研究。可以预见，通过与人工智能、机器学习相结合，SRP有望发展成为一种成熟和通用的技术，将为在单个化学键尺度上确定单分子的化学结构、原位研究表面物理化学过程和表面催化反应等提供新的手段，也为生物分子的高分辨成像和结构确定提供了新的思路。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 338px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/47c007ae-9907-4795-aaad-fd122b1fdc5f.jpg" title="5ed3bc27-97c4-4eec-bd3d-158345f6ee72.png" alt="5ed3bc27-97c4-4eec-bd3d-158345f6ee72.png" width="600" height="338" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "strong扫描拉曼埃分辨显微术的艺术化效果图/strong/pp style="text-align: justify "图片说明：高度局域化的等离激元电磁场会显著增强针尖下方单个分子内部局域化学基团的拉曼散射信号。将不同化学基团简正振动模式对应的拉曼成像图样进行合并，就可以采用类似“堆积木”的方式将各个化学基团拼接起来，构建出完整的分子化学结构。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "文章链接：/spana href="https://academic.oup.com/nsr/article/6/6/1169/5614536" target="_self"span style="color: rgb(0, 112, 192) "strongspan style="text-indent: 2em "Visually Constructing the Chemical Structure of a Single Molecule by Scanning Raman Picoscopy/span/strong/span/a/p

4D前沿技术原位动态听客户说 CUSTOMER唯一一款适合实验室的动态显微CT揭秘革命性X射线显微CT显微CT，是现有的唯一一种能够对样品的内部结构和成分进行成像的显微镜方法。如今，显微 CT 的无损成像技术可以随着时间的变化跟踪记录样品的动态行为，时间就是第四维，这是最新的时间分辨显微CT（4D CT）。尽管4D CT向科学界展示了一种全新的研究方法，能够以微米级分辨率从内到外跟踪样品的变化过程，但该方法仍有一些局限性：实验室中的传统显微CT 是一种相对较慢的成像方法。在CT 360度旋转扫描过程中，采集的时间需要快于样品内部发生变化的时间，否则重建出的三维结果会有运动伪影，这意味着传统实验室中的时间分辨 CT 只能用于跟踪监测非常缓慢的过程，例如金属腐蚀，蠕变过程或缓慢结晶现象。在破坏性实验情况下，例如压缩实验，这类实验需要在不同阶段停止，以便进行准静态成像，传统时间分辨CT无法跟踪快速和不间断的变化过程。如今，最快速的解决方案是用同步加速器显微CT，它的时间分辨率远小于每秒一圈。然而，它们的可用范围相当有限、运行成本也十分昂贵。相对以上2种方案，动态显微 CT 解决方案DynaTOM，适用范围更广，性价比更高，目前，是市场上唯一一款介于传统实验室显微 CT 和同步加速器显微 CT 之间的桥梁。DynaTOM动态显微CT不仅具有高读取速度且高功率的 X 射线源和探测器，能够在几秒钟内采集完整的 3D 断层图像。更重要的是可实现样品或射线源-探测器的连续、无限旋转。解决哪些痛点FEATURES终于可实现不间断的3D原位实验的CT系统达到低至0.6微米的空间分辨率能构建出完整的层析图像，以秒为单位终于将实验室的显微CT时间分辨率极限降低到几秒钟应用场景 APPLICATION已经被成功应用于：一、作为验证计算模型的工具动态 CT 被用作数值模型的验证工具，预测和模拟泡沫金属的机械性能。这些泡沫金属是我们日常生活中存在的许多物体和材料的关键材料。它们在轻型车辆中使用但不会影响强度（航空航天、汽车），也可用于减振（作汽车的车前防撞缓冲区）。然而，表征这些泡沫金属并非易事，因为它们是不透明的、复杂的3D 结构。传统的机械测试只能从宏观角度测试材料性能，无法完全了解微观细节。因此，通常将数值建模作为一种新的工具来模拟实验和预测泡沫金属的应力应变行为。但到目前为止，还没有真正的方法可以验证这些数值模型的结果，因此引入了动态显微CT 来评估泡沫金属压缩模拟结果的有效性。（泡沫支柱的屈曲在实验（左）和模拟（右）中展现）二、作为量化药片快速结构变化的工具动态 CT 用于更好地了解药物固体剂型（片剂或胶囊）的溶解过程。剂型是控制患者的活性药物成分的主要形式，通常由压实的粉末和添加的赋形剂组成。为了将活性药物成分输送给患者，压实的片剂需要机械破碎成更小的颗粒。而辅料的混合是必不可少的，因为它可以控制药物在体内的释放过程并确保产品的品质。因此，固体剂型是在不同长度尺度上具有高度异质性的复杂结构。大多数了解片剂溶解行为的定量研究都是基于测量整个片剂或单个颗粒的体积增加。通常，体积增加是由于产品与水接触时的溶胀机制。可以通过液滴方法或直接通过毛细管吸收来添加水，并且通常可以直观地记录体积变化。然而，为了同时研究水在片剂内部的渗透、崩解和溶胀，需要以非破坏性和全 3D 方式可视化该过程。（动态实验在时间轴上的三个不同阶段。水锋在平板电脑上移动得非常快；吸水后，样品中存在大的裂缝和空隙，并且观察到体积增加。）三、更多应用实例，请搜索bilibili视频号：TESCAN中国实验室中的动态显微 CT 是时间分辨、无损成像的新前沿。在实验室显微 CT 系统上快速、不间断地成像的能力为先进材料开辟了新的评估方法，并使工程师能够通过原位实验验证或纠正材料行为。结合使用专业解决方案的数值模型，这种新的分析方法将显着提高新材料和设备的开发速度，同时降低其开发成本。(以上文章已被科技界4大杂志巨头之一Wiley旗下的Wiley Analytical Science收录。具体应用内容请关注下一期“前沿分享”） 敬请期待下一期...

近日，厦门大学化学化工学院杭纬教授课题组与斯坦福大学Richard N. Zare教授课题组合作，在高空间分辨率质谱成像技术研究上取得进展，有望在单细胞化学、药物代谢以及纳米材料等多个领域发挥重要作用。　　激光作为最常用的采样工具之一，被广泛应用于多种质谱成像技术，并形成了成熟的商品化仪器，如MALDI-MS（基质辅助激光解吸质谱）、LA-ICP-MS（激光溅射电感耦合等离子体质谱）、LA-ESI-MS（激光采样电喷雾电离质谱）等。但由于光学衍射极限、透镜像差以及需要较长的光学聚焦距离等限制，使用激光采样的质谱成像的空间分辨率始终局限在微米级别，这使得激光质谱很难在微纳米级样品的分析中发挥作用。　　“现在少有的高空间分辨激光质谱成像技术，大多依赖于复杂且昂贵的光束整形设备或近场光学技术，很难形成普适性的方法并推广至更多的激光质谱成像平台。”杭纬说。　　在国家自然科学基金重大科研仪器研制项目的支持下，课题组在2020年首次研发出了基于微透镜光纤的激光采样技术，最优空间分辨率可达300纳米，并与实验室自行搭建的质谱平台相结合，成功获取了抗癌药物在单细胞内的分布和转移过程。　　“后来，我们将微透镜光纤激光采样技术运用于LA-ICP-MS，其空间分辨率提高至400纳米，相比于现有的技术提高了至少一个数量级，并进行了单细胞和小鼠小肠组织中药物分布成像分析。”杭纬说。　　不仅如此，通过引入157纳米的后电离激光和基于嵌入式聚苯乙烯微球的三维定位方法，微透镜光纤激光质谱带来的高空间分辨能力可用于准确重构药物在单细胞内的三维分布，空间分辨率可达500纳米。　　“之后，斯坦福大学的Richard N. Zare教授课题组将微透镜光纤激光与商品化质谱仪器平台相结合，又将现有的LA-ESI-MS成像分辨率提高了近一个数量级。”杭纬说。　　据了解，相比于现有的成像方法，课题组提出的微透镜光纤技术是一种通用性、普适性强、经济可靠的高空间分辨质谱成像新手段，可以与现有的激光质谱成像平台相结合，大大提升成像的分辨率和精确性。该成像方法就像一台化学显微镜，无须标记且无通道数量限制，有望在单细胞化学、药物代谢以及纳米材料等多个领域发挥重要作用。