单分子成像微镜

化学创造着千变万化的物质世界，在这其中每一个单分子起到基本的作用。传统化学和生物学研究大量分子参与的反应和变化。著名物理学家埃尔温薛定谔曾评论过：“我们从来没有用一个单电子、单原子或单分子做过实验。我们假设我们可以在思想实验中实现，但是这会导致非常可笑的后果。”观察、操纵和测量最为微观的单分子化学反应是科学家面临的一个长久科学挑战。针对这一挑战，浙江大学化学系冯建东研究员致力于发展跨学科的单分子测量方法和仪器，实现多维度的溶液体系单分子物理和化学过程观测、新现象研究和应用建立。近期，其团队发明了一种直接可以对溶液中单分子化学反应进行成像的显微镜技术，并实现了超高时空分辨成像。该技术在化学成像和生物成像领域具有重要的应用价值，允许看到更清晰的微观结构和细胞图像。北京时间8月11日，这项研究成果作为封面论文刊登在国际顶级期刊《自然》。论文第一作者为浙江大学化学系博士生董金润和博士后卢禹先；论文通讯作者为浙江大学化学系冯建东研究员。 浙大团队的研究对象是电致化学发光反应。电致化学发光是利用电极表面发生的一系列化学反应实现发光的形式。相比于传统的荧光成像技术，由于不需要光激发，电致化学发光几乎没有背景，是目前对于灵敏度有着很高要求的体外免疫诊断领域的重要手段，其在成像分析等方向也具有一定价值。目前，电致化学发光存在两个重要的科学问题，其一是微弱乃至单分子水平电致化学发光信号的测量和成像，这对于单分子检测非常重要。其二是在电致化学发光成像领域实现突破光学衍射极限的超高时空分辨率成像，即超分辨电致化学发光成像，这一点对化学和生物成像具有重要意义。3年来，冯建东团队致力于这两大难题的研究，通过联用自制的具有皮安水平电流检出能力的电化学测量系统以及宽场超分辨光学显微镜，搭建了一套高效的电致化学发光控制、测量和成像系统。首次实现了单分子电致化学发光信号的宽场空间成像；并在此基础上成功突破了光学衍射极限，第一次实现了电致化学发光的超分辨成像。这项单分子电致化学发光显微镜技术不需要光激发即可实现单分子超分辨成像，有望影响化学测量和生物成像领域的应用。 在时空隔离中达到单分子反应测量极限教科书上的化学反应都是以单分子形式进行概念描述，但传统实验中得到却是大量分子的平均结果。单分子实验是从本质出发解决许多基础科学问题的重要途径之一，是研究方法的质变。这也是化学测量学面临的一个极限挑战。电致化学发光过程中，为什么难以开展单分子信号的捕捉呢？这主要是因为单分子反应控制难、追踪难、检测难。冯建东介绍：“单分子化学反应伴随的光、电、磁信号变化非常微弱，而且化学反应过程和位置具有随机性，很难控制和追踪。” 图1：单分子电致化学发光信号的时空隔离和随机性。为此，浙大科研人员搭建了灵敏的探测系统，将电压施加、电流测量、光学成像同步起来，通过时空孤立“捕捉”到了单分子反应后产生的发光信号。“具体从空间上通过不断稀释，控制溶液中的分子浓度实现单分子空间隔离。时间上，通过快速照片采集，最高在1秒内拍摄1300张，消除邻近分子间的相互干扰。”博士生董金润介绍到。利用这套光电控制和测量平台，浙大科研团队首次实现了单分子电致化学发光反应的直接宽场成像。“由于不需要光源激发，这一成像的特点在于背景几近于零，这种原位成像将为化学和生物成像领域提供新的视野。” 在单分子空间定位中突破光学极限显微镜是物质科学和生命科学研究的重要研究工具，传统光学显微镜在数百纳米以上的尺度工作，而高分辨电镜和扫描探针显微镜则可以揭示原子尺度。“在这个标尺中，能够用于原位、动态和溶液体系观测几个纳米到上百纳米这一尺度范围的技术仍然非常有限。”冯建东提到，主要原因在于光学成像分辨力不足，受到光学衍射极限限制。为此，冯建东团队接着着手从时空孤立的单分子信号实现电致化学发光的超分辨成像。 受到荧光超分辨显微镜（2014年诺贝尔化学奖）的启发，浙大研究者利用通过空间分子反应定位的光学重构方法进行成像。这就好比当人们夜晚抬头看星星时，可以通过星星的“闪烁”将离得很近的两颗星星区分开一样。“化学反应的随机性，通过空间上的发光位置定位，再把每一帧孤立分子反应位置信息叠加起来，构建出化学反应位点的‘星座’。 ” 图2：单分子电致化学发光显微镜在微纳结构成像上的论证。 冯建东说，为了验证这一成像方法的可行性以及定位算法的准确性，团队通过微纳加工的方法在电极表面制造了一个条纹图案作为已知成像模板，并对之进行对比成像。单分子电致化学发光成像后的结果与该结构的电镜成像结果结构上高度吻合，证明了成像方法的可行性。单分子电致化学发光成像将传统上数百纳米的电致化学发光显微成像空间分辨率提升到了前所未有的24纳米。 图3：单分子电致化学发光显微镜固定（死）细胞成像。 研究团队进而将该技术应用于生物细胞显微成像，不需要标记细胞结构本身意味着电致化学发光成像对细胞可能是潜在友好的，因为传统使用的标记可能会影响细胞状态。团队进一步以细胞的基质黏附为对象，对其进行单分子电致化学发光成像，观察其随时间的动态变化。成像结果与荧光超分辨成像可以进行关联成像对比，定量上表现出可以同荧光超分辨显微镜相媲美的空间分辨率，同时该技术避免了激光和细胞标记的使用。 图4：单分子电致化学发光显微镜活细胞成像。 未来，这项显微技术将作为一项研究工具为化学反应位点可视化、单分子测量、化学和生物成像等领域提供新的可能，具备广泛的应用前景。在同一期上，《自然》期刊专门邀请了领域专家对这一突破性技术的前景进行了亮点评述和报道。 该研究受到了国家自然科学基金委（项目号：21974123）、浙江省自然科学基金委（项目号：LR20B050002）、中央高校基本科研业务费校长专项（项目号：2019XZZX003-01）和浙江大学百人计划的经费支持。

有机小分子在以分子筛为代表的多孔材料中的单分子成像与构象研究，是深入理解其相变、吸附、催化和相互作用过程的基础与关键。其中，有机小分子（吡啶，苯，噻吩等）在室温或更高温度下的原子级成像，一直是电子显微学领域的圣杯。近日，魏飞团队借助于包含酸性位点的孔道允许吡啶分子较大机率形成平躺稳定构象的原理，制备了利于观察的高硅铝比准二维片层ZSM-5（2-3个单胞厚度），利用电子显微镜技术，首次实现了在室温下ZSM-5分子筛孔道内限域的有机小分子（吡啶、噻吩）的原子级成像，实现了分子筛孔道内单分子原子级显微成像突破。2021年至今，魏飞团队利用对二甲苯和苯分子与ZSM-5孔道的匹配特性，首先在室温下，巧妙地借助了两个对位甲基与多孔骨架间的受限空间势阱的构型束缚效应，率先成功研究了客体分子与主体骨架间的范德华力相互作用；在此基础上，通过高温原位实时观测苯分子与骨架结构的相互作用，揭示了苯分子与分子筛在亚纳米尺度上的拓扑柔性行为（相关工作发表于Nature 592, 541, 2021；Science 376, 6592,2022），为此次突破打下了坚实的基础。图1 孔道内吡啶分子吸脱附过程的原位成像研究表明，在分子筛孔道中，主客体氢键相互作用和范德华力能够稳定吡啶分子在分子筛孔口处平躺时的原子构象，当吡啶六元环被充分地暴露在孔口成像投影方向上时，能够从静态图像甚至原位实验中直观地识别分子的原子排列、键长及与酸性位的相互作用。这一成像策略的核心是积分差分相位衬度扫描透射电子显微技术（iDPC-STEM）可以实现超低电子剂量下有机小分子的皮米级高分辨成像，以及高硅铝比准二维片层ZSM-5（2-3个单胞厚度）孔道内相互作用势阱能够限域单个吡啶分子，利用酸碱相互作用使吡啶单分子平躺在孔口处，实现了吡啶六元环的原子级分辨率成像。首先，采用原位成像实验研究了孔道内吡啶分子动态吸脱附过程，随着脱附过程的进行，能够在部分孔道中观察到与酸性位点相互作用的吡啶六元环结构（如图1所示），这证明了酸性位结合孔口范德华力作用使小分子环球结构原子级分辨的成像策略可行性。更进一步，如图2所示，实现了对单个吡啶分子的原子级成像，吡啶六元环上的原子清晰可辨。通过图像和计算的对比，证实了吡啶分子的成像结果，同时通过最小二乘法确定了吡啶环中N原子的位置。此外，根据吡啶环的位置和取向，能够识别出孔道内酸性位点的位置。图2 孔道内限域单个吡啶分子的原子级解析上述工作不仅提供了一种有效、通用的相互作用势阱在室温下对单个有机小分子的原子级结构成像策略，同时推动了电子显微学在有机小分子原子级成像上的进一步应用。可以预期，使用其他类型的相互作用来稳定目标分子，可以从原子和化学键的新视角，研究各种分子结构在反应条件下单分子演变和相互作用行为，例如催化反应中小分子结构演化的分子电影和生物大分子构型的转变等重要命题。更重要的是，这些分子行为可以在室温甚至更高温度下成像，这更接近它们实际应用条件下的真实状态，将有助于理解各种化学和物理过程中分子的真实行为。上述研究成果以“电子显微镜对分子筛限域单分子的原子级成像”（Atomic imaging of zeolite-confined single molecules by electron microscopy）为题，于7月13日发表在国际学术期刊《自然》（Nature）上。论文共同第一作者为清华大学化工系2020届博士毕业生申博渊（现已入职苏州大学）、2018级博士生王挥遒、2019级博士生熊昊。论文通讯作者为清华大学化学工程系魏飞教授和陈晓助理研究员。参与该项工作的研究人员还包括清华大学化工系骞伟中教授、赛默飞世尔科技的Eric G. T. Bosch和Ivan Lazić。论文链接：https://www.nature.com/articles/ s41586-022-04876-x

p　　中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室汪海林课题组在高灵敏分析的基础研究方面取得重要进展。他们利用先进的单分子成像技术研究并揭示了独特的等速电泳聚焦和分离的机理，其有关“DNA单分子不连续运动成像揭示场强变化的等速电泳动力学”的研究发表在国际著名化学期刊《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 4644 - 4647)上。br//pp　　带电组分在均一和非均一电场中的运动是电泳应用于化学、物理学、生命科学以及新兴的纳米科技领域的基础。目前，人们对带电组分在均一电场中的运动已经有了充分的认识，而对其在非均一电场中运动的了解却有限。事实上，通过巧妙设计非均一电场，可实现其它技术难以分离的超大DNA分子(80 kb) 的分离和多种分析物的高倍浓缩(可达百万倍)。因而，认识非均一电场中带电组分的运动机制对发展高灵敏的生物分子分析技术和方法具有特殊意义。尽管非均一电场的使用已有百年历史，但对于其形成机理的认识由于存在技术瓶颈而踯躅不前。/pp　　为了解决这一学科难题，汪海林课题组通过改造全内反射荧光显微成像仪器，首先实现了毛细管电泳-单分子荧光成像分析。在此基础上，以毛细管等速电泳(cITP)作为非均一电场模型，对流经毛细管检测窗口处单个DNA分子实时成像。由于每一幅像记录了单个DNA分子在50 毫秒内的运动轨迹，因此可以计算出每一时间点DNA单分子的运动速度。而DNA运动速度的大小直接与电场强度相关，从而可获得毛细管中电场强度的动态分布信息。通过研究电场强度的实时变化，揭示了电渗流存在下等速电泳的动力学，并首次提出了三区带模型，突破了传统二区带模型的局限。利用这一研究成果，他们发展一种新颖的DNA单分子聚焦方法，实现对极低浓度下随机分布的、难以检测的单分子成像，可检测出4´ 10-17mol/L DNA分子。/pp　　在这项研究工作中，汪海林课题组创造性地利用单分子成像技术测定电场强度的分布，提供了一种全新的非均一电场研究方法，这对发展基于电泳分离的高灵敏生物分析技术和方法具有重要意义。/pp　　该工作得到了国家杰出青年基金、国家973计划、重点实验室等的支持。/ppbr//p

沸石分子筛是一类具有有序微孔结构的骨架材料。内部的孔道系统对于尺寸匹配的小分子有着很强的限域效应，主要是来自主客体之间的范德华相互作用。这种范德华相互作用是分子筛内一系列分子吸附、传递、反应和相变行为的核心。因此，深刻理解主客体相互作用对于分子筛中的气体分离、异相催化和储能等应用有着重要意义。单分子的直接成像能够从分子水平研究各种各样的分子间相互作用。对于分子筛三维骨架材料，每个孔道中形成的范德华力场有差异，为了探测每个孔道中主客体相互作用的差异，需要利用球差校正的电子显微镜来实现足够的空间分辨率。清华大学魏飞教授团队利用对二甲苯（PX）分子作为ZSM-5分子筛孔道内的指针分子来探测每一个孔道内的范德华相互作用。PX分子中的两个甲基使得苯环在孔道中立起来，苯环平面形成可以自由旋转且有明确取向的指针。类比罗盘的指针，PX单分子指针的取向能够反映出孔道内部的范德华相互作用。利用积分差分相位衬度扫描透射电子显微技术（iDPC-STEM）实现了对准二维ZSM-5片层（4-6纳米厚度）和孔道内部单个PX分子的直接成像。这一技术的核心是iDPC-STEM可以实现低电子剂量下小有机分子高精度成像，结合化学蚀刻技术制备表面原子级平整且取向清晰的准二维ZSM-5片层并填充单个PX分子，使ZSM-5分子筛骨架可以被原子级解析，而PX分子内苯环的取向也可以被清晰地显示。图1 识别不同孔道内PX分子的不同取向实验发现，在不同孔道中PX分子的取向不同，并且与孔道的几何形状直接相关，如图1所示。通过图像和计算的对比，证实了不同的PX分子取向是由孔道几何形状变化造成的，因此分子取向的成像能够反映孔道内范德华相互作用的变化。同时，还在连续的图像拍摄中观察到了分子取向随时间的变化，变化规律与孔道几何形状随时间的变化相一致，如图2所示。该方法不仅能够给出主客体范德华相互作用在二维ZSM-5平面的空间分布，也可以给出这种相互作用在单个孔道内的实时变化。图2 实时探测PX方向随孔道几何形状的变化该研究不仅提供了一种直观、灵敏的手段在分子水平上研究多孔材料中的主客体范德华相互作用，还推动了电子显微学在单分子成像上的进一步应用。单个小分子成像一直是纳米技术和分子科学的一个里程碑，特别是对于多孔材料中的有机小分子，可以将成像分辨率推进到埃级精度是对电镜技术的巨大挑战。这一技术可以对其它的有机小分子，例如芳香族分子的同系物在尺寸匹配的孔道中被限域和成像。进一步，可以通过直接成像来研究一系列有机-无机体系中的主客体相互作用，例如在分子筛应用中同样重要的酸碱和配位相互作用。可以期待，成像技术的进步将促进对客体分子物理和化学性质的进一步研究，并为多种单分子行为带来全新的理解。论文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03429-y

在绿色入射激光的激发下，处于STM纳腔中的卟啉分子受到高度局域且增强的等离激元光的强烈影响，使得分子的振动指纹信息可以通过拉曼散射光进行高分辨成像。　　记者从中国科学技术大学了解到，该校的科学家们在国际上首次实现亚纳米分辨的单分子光学拉曼成像，将具有化学识别能力的空间成像分辨率提高到前所未有的0.5纳米。国际权威学术期刊《自然》杂志于6月6日在线发表了这项成果。世界著名纳米光子学专家Atkin教授和Raschke教授在同期杂志的《新闻与观点》栏目以《光学光谱探测挺进分子内部》为题撰文评述了这一研究成果。《自然》三位审稿人盛赞这项工作&ldquo 打破了所有的纪录，是该领域创建以来的最大进展&rdquo ，&ldquo 是该领域迄今质量最高的顶级工作，开辟了该领域的一片新天地&rdquo ，&ldquo 是一项设计精妙的实验观测与理论模拟相结合的意义重大的工作&rdquo 。　　这一成果是由该校微尺度物质科学国家实验室侯建国院士领衔的单分子科学团队董振超研究小组完成的，博士生张瑞、张尧为论文共同第一作者。　　光的频率在散射后会发生变化，而频率的变化情况取决于散射物质的特性，这是物理学上获得诺贝尔奖的著名的&ldquo 拉曼散射&rdquo 。&ldquo 拉曼散射光中包含了丰富的分子振动结构的信息，不同分子的拉曼光谱的谱形特征各不相同，因此，正如通过人的指纹可以识别人的身份一样，拉曼光谱的谱形也就成为科技工作者识别不同分子的&lsquo 指纹&rsquo 光谱。&rdquo 论文通讯作者之一的董振超教授介绍说，拉曼光谱已经成为物理、化学、材料、生物等领域研究分子结构的重要手段。　　上世纪70年代以来，随着表面增强拉曼散射技术，特别是针尖增强拉曼散射(TERS)技术的发展，光谱探测的灵敏度以及拉曼成像的分辨率都有了极大提高。&ldquo 迄今，科学家们已将TERS测量的最佳空间成像分辨率发展到几个纳米的水平，但这显然还不适合于对单个分子进行化学识别成像。&rdquo 董振超说。　　微尺度实验室单分子科学团队多年来一直致力于自主研制科研装备，发展了将高分辨扫描隧道显微技术与高灵敏光学检测技术融为一体的联用系统。他们利用针尖与衬底之间形成的纳腔等离激元&ldquo 天线&rdquo 的宽频、局域与增强特性，通过与入射光激发和分子拉曼光子发射发生双重共振的频谱匹配调控，实现了亚纳米分辨的单个卟啉分子的拉曼光谱成像，使化学识别的分辨率达到前所未有的0.5纳米，可识别分子内部的结构和分子在表面上的吸附构型。　　&ldquo 可以说，在任何需要在分子尺度上对材料的成分和结构进行识别的领域，该项研究成果都有很大的用途。&rdquo 董振超说，这项研究对了解微观世界，特别是微观催化反应机制、分子纳米器件的微观构造和包括DNA测序在内的高分辨生物分子成像，具有极其重要的科学意义和实用价值，也为研究单分子非线性光学和光化学过程开辟了新的途径。

利用分子指针来探测主客体相互作用是一种研究复杂环境中相互作用的重要方法。例如在分子筛骨架中，主客体相互作用对于分子吸附、传递、反应和相变有着重要意义，深刻影响着其在气体分离、异相催化和储能等领域的应用。虽然单分子的构象可以帮助我们从分子水平理解主客体间的相互作用，但是想要超高分辨率下准确表征单分子构象并不容易。近几年来，球差校正电镜和多种低电子剂量成像模式的快速发展为我们提供了在实空间观察单分子的可能。图1 识别不同孔道内PX分子的不同取向FLOTU魏飞教授团队利用积分差分相位衬度扫描透射电子显微技术（iDPC-STEM）实现了对单个对二甲苯（PX）分子在二维ZSM-5分子筛内的直接成像。这里，PX分子可以作为指针分子来探测每一个孔道内的范德华相互作用。PX分子中的两个甲基使得苯环在孔道中立起来，苯环平面就形成了一个可以旋转且有明确取向的单分子指针。类比罗盘的指针，PX单分子指针的取向能够给出反映出孔道内部的范德华相互作用。基于对分子取向的成像和对二维ZSM-5的原子级解析，可以揭示小分子是如何被限域在亚纳米尺寸的孔道中。在不同孔道中，成像得到的PX分子的取向是明显不同的，并且通过计算和模拟可以发现PX分子取向与孔道的几何形状直接相关 （如图1所示）。因此分子取向的成像是能够反映孔道几何形状到的变化和孔道内范德华相互作用的变化。同时，在连续的图像拍摄中，分子取向随时间的变化也可以被实时观察到，其变化规律仍然与孔道几何形状密切相关（如图2所示）。这项工作不仅提供了一种直观、灵敏的手段在分子水平上研究多孔材料中的主客体范德华相互作用，并且推动了电子显微镜学在单分子成像上的进一步应用。图像不仅能够给出主客体范德华相互作用的在不同孔道中的分布，同时可以给出单孔道内相互作用的实时变化。单个小分子成像一直是纳米技术和分子科学的一个里程碑，特别地，将有机小分子的成像分辨率推进到埃级精度是对电镜技术的巨大挑战。iDPC-STEM技术可以帮助实现对其他小分子和多孔材料体系的直接成像和结构分析，并研究它们之间的复杂主客体相互作用，例如酸碱和配位相互作用。可以期待，这种成像技术的进步将促进对客体分子物理和化学性质的进一步研究，并为多种单分子行为带来全新的理解。图2 实时探测PX方向随孔道几何形状的变化相关工作以“A single-molecule van der Waals compass”为题发表在4月21日的《Nature》期刊上。文章第一作者为清华大学申博渊博士，文章通讯作者为清华大学陈晓博士和魏飞教授。参与此项研究还有王挥遒、熊昊、E. G. T. Bosch、I.Lazić、蔡达理博士、骞伟中教授、金士锋研究员、刘教授和韩宇教授。此外，魏飞教授团队首次以实验形式测试了厘米级长度单根超长碳纳米管的耐疲劳性，相关成果以《超耐久性的超长碳纳米管》Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes为题，于2020年8月28日在线发表在Science上。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03429-y

质谱成像(MSI)是一种非常灵敏的分子成像技术，可提供分子信息及其空间分布信息。与磁共振成像（MRI）或正电子发射断层摄影（PET）扫描技术、及免疫组化（IHC）等不同，质谱成像常作为原位分子分布可视化技术，以验证生物分子的分布代谢规律或不同疾病阶段药物的递送方式。 基于MALDI技术的质谱成像 质谱成像技术最早以基质辅助激光解吸电离(MALDI，matrix assisted laser desorption ionization)质谱分子成像技术出现，由范德堡大学(VanderbiltUniversity)的Richard Caprioli等在1997年提出。该技术无需任何标记，能够针对生物体内参与生理和病理过程的已知或未知分子进行可视化原位表征，正在生物医学、药学以及食品环境领域得到广泛应用并展露出其独特的魅力和优势。 2002年，日本岛津的田中耕一(Koichi Tanaka)因发明了MALDI新应用方法，与电喷雾电离（ESI）的发明人John Fenn共同获得2002年诺贝尔化学奖。他主要发明了“对生物大分子进行确认和结构分析的方法”。其研究结果使人类可以通过对蛋白质进行详细的分析，从而加深对生命进程的了解，使新药开发发生了革命性的变化，并在食品控制、癌症的早期诊断等领域有广泛的应用。 岛津的质谱成像系统，传承了岛津MALDI技术的精髓，融合了最新成像技术研发而成。 质谱传承50载 创新发展“永动机” 岛津质谱的发展历史可以追溯到半个世纪之前，以1970年推出首台扇形磁场型GC-MS“LKB-9000”为开端，岛津对质谱分析技术革新的热情不断孕育着技术上的创新。2020年，岛津迎来了质谱事业50周年庆。 早在1987年，第二届中-日质谱分析联合讨论会上，岛津的田中耕一（Koichi Tanaka）首次介绍了基质辅助激光解吸电离(MALDI）技术。1989年，岛津收购了位于英国曼彻斯特的Kratos公司。1990年曼彻斯特成为岛津质谱研发中心。1991年开始，该中心相继推出MALDI II型和MALDI III型MALDI-TOF，代表着岛津第一批商品化MALDI-TOF的诞生。在接下来的近三十年里，岛津又开发了许多MALDI产品，比如，2013年发布MALDI-7090，2017年发布台式MALDI-8020，2019年发布MALDImini-1紧凑型数字离子阱质谱。 基于对MALDI-MS技术的长期积累，岛津2013年乘胜追击推出首款成像产品，即融合光学显微镜与质谱成像为一体的成像系统iMScope（Imaging Mass Scope）。其前端为搭载了高分辨光学显微镜的大气压基质辅助激光解吸电离源，后端配置串联质谱仪，可观察重叠了光学显微镜图像与高空间分辨率的分子分布图像。 不仅如此，2018年岛津推出日本首款四极杆飞行时间质谱联用仪LCMS-9030，最大限度提高质量准确度和灵敏度，确保质量准确度的长期稳定性，成功开启了高分辨质谱市场。 岛津质谱50年发展图鉴 “镜质合璧”分子成像如何还原真实？ 2020年，正值岛津质谱事业50周年之际，岛津特面向广大科研用户推出新一代的iMScope成像质谱显微镜产品，新技术将为用户带来什么样的惊喜呢？ 答案就在??? 发布会将迎来高端新品的线上首发，岛津产品专家、行业领军人物、国内外KOL代表也都将“空降”直播间，分享他们对于新产品及创新应用的洞见与经验，用户可体验“零距离”的头脑风暴。 还等什么？赶快复制以下链接，报名参会见证创新时刻！https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/iMScope2020/

单个DNA分子不连续运动成像揭示场强变化的等速电泳动力学　　中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室汪海林课题组在高灵敏分析的基础研究方面取得重要进展。他们利用先进的单分子成像技术研究并揭示了独特的等速电泳聚焦和分离的机理，其有关“DNA单分子不连续运动成像揭示场强变化的等速电泳动力学”的研究发表在国际著名化学期刊《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 4644 - 4647)上。　　带电组分在均一和非均一电场中的运动是电泳应用于化学、物理学、生命科学以及新兴的纳米科技领域的基础。目前，人们对带电组分在均一电场中的运动已经有了充分的认识，而对其在非均一电场中运动的了解却有限。事实上，通过巧妙设计非均一电场，可实现其它技术难以分离的超大DNA分子(80 kb) 的分离和多种分析物的高倍浓缩(可达百万倍)。因而，认识非均一电场中带电组分的运动机制对发展高灵敏的生物分子分析技术和方法具有特殊意义。尽管非均一电场的使用已有百年历史，但对于其形成机理的认识由于存在技术瓶颈而踯躅不前。　　为了解决这一学科难题，汪海林课题组通过改造全内反射荧光显微成像仪器，首先实现了毛细管电泳-单分子荧光成像分析。在此基础上，以毛细管等速电泳(cITP)作为非均一电场模型，对流经毛细管检测窗口处单个DNA分子实时成像。由于每一幅像记录了单个DNA分子在50 毫秒内的运动轨迹，因此可以计算出每一时间点DNA单分子的运动速度。而DNA运动速度的大小直接与电场强度相关，从而可获得毛细管中电场强度的动态分布信息。通过研究电场强度的实时变化，揭示了电渗流存在下等速电泳的动力学，并首次提出了三区带模型，突破了传统二区带模型的局限。利用这一研究成果，他们发展一种新颖的DNA单分子聚焦方法，实现对极低浓度下随机分布的、难以检测的单分子成像，可检测出4´ 10-17mol/L DNA分子。　　在这项研究工作中，汪海林课题组创造性地利用单分子成像技术测定电场强度的分布，提供了一种全新的非均一电场研究方法，这对发展基于电泳分离的高灵敏生物分析技术和方法具有重要意义。　　该工作得到了国家杰出青年基金、国家973计划、重点实验室等的支持。

目前，全球信息技术正跨入以量子效应为特征的&ldquo 后摩尔&rdquo 时代。单分子尺度体系具有丰富的功能结构和独特的量子性质，将成为量子计算和信息技术物质载体的最佳选择之一。　　十余年来，中科院院士、中国科学技术大学教授侯建国领衔的&ldquo 单分子尺度的量子调控研究集体&rdquo 对单分子尺度体系进行不断的探索，取得了一批重要创新成果，并由此获得2014年度中科院杰出科技成就奖。　　领先国际水平　　单分子尺度量子调控研究是国家量子调控科学领域的重大科学问题和需求。近年来，该研究集体进一步发展和提升了单分子尺度量子态的探测、操纵及调控技术，率先实现了国际上最高水平的亚纳米分辨的单分子拉曼成像。　　&ldquo 2013年，我们在单分子化学识别方面取得重大突破，实现了亚纳米分辨的单分子拉曼成像。该工作在《自然》杂志上发表后，立即引起国际科技界的广泛关注。&rdquo 中国科学技术大学教授杨金龙在接受《中国科学报》记者采访时表示。　　&ldquo 我们通过技术上的创新和概念上的突破，将非线性效应融入到常规的针尖增强拉曼散射过程中，从而大大提高了拉曼信号的探测灵敏度和空间分辨能力，将光学光谱探测推进到前所未有的亚分子亚纳米水平，使单分子尺度的化学识别成为现实。&rdquo 中国科学技术大学教授董振超说。　　团队成员之一、中国科学技术大学教授王兵表示，尽管科学发展进程非常快，但他们在拉曼成像方面取得的成绩迄今仍保持着世界纪录。　　此外，该集体还利用单分子选键化学实现了单分子磁性自旋态控制 成功设计并实现具有多重功能集成的单分子器件 利用纳腔等离激元共振实现了单分子电致发光 揭示出氧化物表面光催化分解水的微观机制等。　　团队建设尤为重要　　&ldquo 我们能取得现在的成绩，离不开团队的长期密切合作。&rdquo 杨金龙表示，单分子尺度体系的研究并不是一项短平快的研究，这个&ldquo 硬骨头&rdquo 需要很多人一起慢慢地&ldquo 啃&rdquo 。　　中国科学技术大学单分子尺度的量子调控研究集体由侯建国(实验)和杨金龙(理论)领衔，一共10位成员组成。&ldquo 团队合作对于整个研究获得新突破是非常重要的，协作是全方位的，贯穿了整个团队发展的始终。每一次新的发现，都是整个团队共同协作和努力的结果。&rdquo 王兵说。　　其中一位团队成员告诉记者，每次新加入的成员都会带来新的思路，团队建设实际上也是一个逐渐积累和发展，然后不断提升创新研究能力的过程。　　在董振超看来，团队的支持对自己的科研工作非常重要。&ldquo 在学术上，我们经常进行热烈的探讨和争辩，有时甚至争论得面红耳赤，大家都在试图攻击对方的弱点。待这些弱点被攻克后，课题研究自然也就往前迈进了一步。&rdquo 　　&ldquo 我们的团队研究有两个最鲜明的特色：一个是实验和理论紧密结合，因为量子里面有很多实验现象需要理论支撑 第二个是多学科交叉，包括物理、化学、电子、光学、生物等，这样才能有效促成技术的创新集成和知识的融会贯通。&rdquo 董振超说。　　应用前景广阔　　&ldquo 目前，我们的研究尚属于基础研究阶段。&rdquo 杨金龙表示，团队成员并不满足于现在的进步，会一直探究下去。　　&ldquo 科学的魅力在于对未知的探索。&rdquo 董振超说，当你朝着某个方向努力，但作出来的结果与原来的想象和理论不一样时，就会出现新的信息，这样会反过来促进对一些现象新的理解，进而推动科研向前发展。　　该团队一位研究人员表示，他们的目的是深刻理解和有效调控分子尺度上的量子行为。目前的研究离真正的应用还有一段距离，但是研究课题都是瞄准未来的能源、信息、生物等前沿领域，旨在为这些未来技术提供基本信息和科学依据。　　&ldquo 比如单分子拉曼成像技术，其最主要的优点是能把微观世界里相邻分子的成分和结构&lsquo 看&rsquo 出来，这在材料科学、纳米催化、分子纳米技术、生物技术等领域可能都有很重要的应用前景。&rdquo 董振超介绍说。　　&ldquo 在生命科学领域，拉曼成像的应用有可能提高疾病的早期检测技术水平。比如现有技术只能检测出已达到一定量的癌细胞，如果能事先对生命体作单分子检测，就能在癌变细胞极少的情况下将其检测出来，这对癌症早期治疗意义重大。&rdquo 杨金龙表示。　　&ldquo 在研究过程中，我们一方面从科学角度出发，另一方面也从国家整体需求出发，在进行科学探索的同时，关注国家战略方向。&rdquo 王兵说。

12月9日，中国科学院计划财务局组织专家对生态环境研究中心汪海林研究员承担的“DNA损伤单分子偏振成像检测装置研制”项目进行现场验收。验收组专家听取了项目组的工作报告、使用报告、财务报告、测试组的测试报告，现场检查了实验装置的运行情况，审核了相关档案材料，经提问和讨论，验收专家组认为，该项目完成了任务书规定的各项任务，一致同意通过验收。　　研制完成的“DNA损伤单分子偏振成像检测装置”，将高效快速分离和激光诱导荧光检测技术集成为一体，可高灵敏地检测DNA损伤产物 融入荧光偏振成像技术，可提供污染物引起DNA损伤的分子转动和构象等动态信息。　　该装置为阐明环境暴露引起的DNA损伤的分子识别、修复及突变机制等环境健康风险评估研究提供了新颖的分析平台，在提高人们的健康卫生水平方面也具有潜在的应用价值。

p style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "strongspan style="text-indent: 2em "仪器信息网讯/span/strongspan style="text-indent: 2em " 质谱成像(MSI)是一种非常灵敏的分子成像技术，可提供分子信息及其空间分布信息。与磁共振成像（MRI）或正电子发射断层摄影（PET）扫描技术、及免疫组化（IHC）等不同，质谱成像常作为原位分子分布可视化技术，以验证生物分子的分布代谢规律或不同疾病阶段药物的递送方式。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong基于MALDI技术的质谱成像/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "质谱成像技术最早以基质辅助激光解吸电离(MALDI，matrix assisted laser desorption ionization)质谱分子成像技术出现，由范德堡大学(VanderbiltUniversity)的Richard Caprioli等在1997年提出。该技术无需任何标记，能够针对生物体内参与生理和病理过程的已知或未知分子进行可视化原位表征，正在生物医学、药学以及食品环境领域得到广泛应用并展露出其独特的魅力和优势。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "2002年，日本岛津公司的田中耕一(Koichi Tanaka)因发明了MALDI新应用方法，与电喷雾电离（ESI）的发明人John Fenn共同获得2002年诺贝尔化学奖。他主要发明了“对生物大分子进行确认和结构分析的方法”。其研究结果使人类可以通过对蛋白质进行详细的分析，从而加深对生命进程的了解，使新药开发发生了革命性的变化，并在食品控制、癌症的早期诊断等领域得到广泛应用。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong质谱传承50载 创新发展“永动机”/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "岛津质谱的发展历史可以追溯到半个世纪之前，以1970年推出首台扇形磁场型GC-MS“LKB-9000”为开端，岛津对质谱分析技术革新的热情不断孕育着技术上的创新。2020年，岛津迎来了质谱事业50周年庆。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "早在1987年，第二届中-日质谱分析联合讨论会上，岛津公司的田中耕一（Koichi Tanaka）首次介绍了基质辅助激光解吸电离(MALDI）技术。1989年，岛津公司收购了位于英国曼彻斯特的Kratos公司。1990年曼彻斯特成为岛津质谱研发中心。1991年开始，该中心相继推出MALDI II型和MALDI III型MALDI-TOF，代表着岛津第一批商品化MALDI-TOF的诞生。在接下来的近三十年里，岛津公司又开发了许多MALDI产品，比如，2013年发布MALDI-7090，2017年发布台式MALDI-8020，2019年发布MALDImini-1紧凑型数字离子阱质谱。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "基于对MALDI-MS技术的长期积累，岛津公司2013年乘胜追击推出首款成像产品，即融合光学显微镜与质谱成像为一体的成像系统iMScope（Imaging Mass Scope）。其前端为搭载了高分辨光学显微镜的大气压基质辅助激光解吸电离源，后端配置串联质谱仪，可观察重叠了光学显微镜图像与高空间分辨率的分子分布图像。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "不仅如此，2018年岛津公司推出日本首款四极杆飞行时间质谱联用仪LCMS-9030，最大限度提高质量准确度和灵敏度，确保质量准确度的长期稳定性，成功开启了高分辨质谱市场。/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 375px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/7d9e6611-d7ed-468a-873c-b811a3568bcb.jpg" title="50.png" alt="50.png" width="600" height="375" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "span style="text-align: justify text-indent: 2em "岛津质谱50年发展图鉴/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong“镜质合璧”分子成像如何还原真实？/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "2020年，正值岛津公司质谱事业50周年之际，岛津公司特面向广大科研用户推出新一代的iMScope成像质谱显微镜产品，新技术将为用户带来什么样的惊喜呢？/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "答案就在7月9日岛津“镜质合璧，还原真实”新品发布会。strong（点击图片了解新品专题）/strong/pp style="text-align: center"a href="https://www.instrument.com.cn/zt/iMScope2020" target="_blank"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 431px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/6b2896ed-e3a1-416b-a240-3d15400f08ac.jpg" title="微信截图_20200623202207.png" alt="微信截图_20200623202207.png" width="600" height="431" border="0" vspace="0"//a/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "发布会将迎来高端新品的线上首发，岛津产品专家、行业领军人物、国内外KOL代表也都将“空降”直播间，分享他们对于新产品及创新应用的洞见与经验，用户可体验“零距离”的头脑风暴。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "还等什么？赶快strong点击图片报名参会/strong见证创新时刻！/pp style="text-align: center"a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/iMScope2020/" target="_blank"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 281px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/d7ac3276-b0ce-4857-929c-185db441fbbc.jpg" title="640-300.jpg" alt="640-300.jpg" width="600" height="281" border="0" vspace="0"//a/ppbr//pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "br//ppbr//p

三中全会部署深化科技体制改革　　11月9日至12日，党的十八届三中全会召开，会议把深化科技体制改革作为全面深化改革的重要内容进行系统部署。会议通过的《中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定》明确提出深化科技体制改革、加强知识产权运用和保护、整合科技规划和资源、改革院士遴选和管理体制等。　　三中全会关于科技体制改革的部署，既体现了与以往改革思路的继承发展，对实践中先行先试的经验予以肯定，又结合经济领域改革的大方向，突出了今后一个时期改革的重点领域和环节，为实施创新驱动发展战略、建设创新型国家提供了重要的制度设计。　　&ldquo 嫦娥三号&rdquo 实现月面软着陆　　12月14日21时11分，&ldquo 嫦娥三号&rdquo 在月球正面的虹湾以东地区实现软着陆。这将开创人类月球探测史的多项&ldquo 首次&rdquo 。月面软着陆就位探测与月球车巡视勘察二者同时进行并有机结合，将获得比以前更有意义的探测成果 在国际上首次利用测月雷达实测月壤厚度和月壳岩石结构 首次在软着陆地点利用数据转发器精确测定地月间距离，进行月球动力学研究 首次开展日地空间和太阳系外天体的月基甚低频射电干涉观测，进行太阳射电爆发与空间粒子流、光千米波辐射&hellip &hellip 　　运-20大型运输机首飞成功　　1月26日，我国自主发展的运-20大型运输机首次试飞取得圆满成功。运-20是中国研制的最大的飞机，其成功标志着中国跻身世界大飞机国家。　　该型飞机是我国依靠自己的力量研制的一种大型、多用途运输机，可在复杂气象条件下执行各种物资和人员的长距离航空运输任务。运-20大型运输机的首飞成功，对于推进我国经济和国防现代化建设，应对抢险救灾、人道主义援助等紧急情况，具有重要意义。该型飞机首飞后将按计划继续开展相关试验和试飞工作。　　&ldquo 天河&rdquo 超级计算机再夺冠　　6月中旬，在德国莱比锡&ldquo 2013国际超级计算大会&rdquo 上，中国天河二号超级计算机跃居第41届世界超级计算机500强排名榜首。其峰值计算速度达每秒5.49亿亿次、持续计算速度达每秒3.39亿亿次。这是继2010年天河一号首次夺冠之后，中国超级计算机再次夺冠。　　天河二号超级计算机系统内存总容量1400万亿字节，存储总容量12400万亿字节，最大运行功耗17.8兆瓦。据天河二号工程副总指挥李楠研究员介绍，天河二号运算1小时，相当于13亿人同时用计算器计算1000年，其存储总容量相当于存储每册10万字的图书600亿册。较之上届&ldquo 状元&rdquo 美国&ldquo 泰坦&rdquo 超级计算机，天河二号计算速度是它的2倍，计算密度是它的2.5倍，能效比相当。　　神十进行载人航天应用性飞行　　6月26日，神舟十号载人飞船返回舱在预定区域安全着陆，航天员健康出舱，天宫一号与神舟十号载人飞行任务取得圆满成功。神舟十号开创中国载人航天应用性飞行的先河。　　此次任务的主要目的有4个：　　一是发射神舟十号飞船，为天宫一号目标飞行器在轨运营提供人员和物资天地往返运输服务，进一步考核交会对接技术和载人天地往返运输系统的性能 　　二是进一步考核组合体对航天员生活、工作和健康的保障能力，以及航天员执行飞行任务的能力 　　三是进行航天员空间环境适应性和空间操作工效研究，开展空间科学实验和航天器在轨维修等试验，首次开展我国航天员太空授课活动 　　四是进一步考核工程各系统执行飞行任务的功能、性能和系统间协调性。　　首次测到量子反常霍尔效应　　由清华大学薛其坤院士领衔的团队从实验中首次观测到量子反常霍尔效应，这是物理学领域基础研究的一项重要科学发现。该成果于北京时间3月15日在《科学》杂志在线发表。　　美国科学家霍尔曾发现霍尔效应和反常霍尔效应。在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，电子的运动轨迹将产生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压，这个电磁输运现象就是著名的霍尔效应。而在磁性材料中不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。其美妙之处是不需要任何外加磁场，这将推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术进步的进程。　　体细胞重编程技术重大突破　　8月，北京大学研究团队，成功将体细胞制成多潜能性干细胞。此前，通过借助卵母细胞进行细胞核移植或使用导入外源基因的方法，哺乳动物体细胞被证明可以进行&ldquo 重编程&rdquo 获得&ldquo 多潜能性&rdquo 。邓宏魁团队的方法则更简单和安全。　　该成果将为未来细胞治疗及器官移植提供理想的细胞来源，极大推动人类&ldquo 克隆&rdquo 组织和器官治疗疾病的医学研究。这一重大发现有助于人们更好地理解细胞命运决定和细胞命运转变的机制，使人类未来有可能通过使用小分子化合物的方法，直接在体内改变细胞命运。　　制出人感染H7N9禽流感病毒疫苗株　　10月26日，我国科学家宣布成功研发出人感染H7N9禽流感病毒疫苗株，改变了我国流感疫苗株需由外国提供的历史，为及时应对新型流感疫情提供了有力的技术支撑。　　目前，该病毒疫苗种子株已通过中国医学科学院医学实验动物研究所新药安全评价研究中心的安全性雪貂评价实验。检测结果显示，该病毒疫苗株各项基数指标均符合流感病毒疫苗株的要求。　　该成果的领衔者、中国工程院院士李兰娟介绍，课题组于4月3日收到H7N9病例咽拭子样本，并成功分离获得一株H7N9禽流感病毒。随后，联合课题组采用国际通行的流感疫苗种子株制备方法，通过反向遗传技术，以PR8质粒为病毒骨架，与自行分离的病毒株进行基因重排，并成功研制出H7N9流感疫苗种子株。　　实现世界最高分辨率单分子拉曼成像　　6月，中国科学家在国际上首次实现亚纳米分辨的单分子光学拉曼成像，将具有化学识别能力的空间成像分辨率提高到前所未有的0.5纳米。国际权威学术期刊《自然》杂志于6月6日在线发表了这项成果。　　光的频率在散射后会发生变化，而频率的变化情况取决于散射物质的特性，这是物理学上获得诺贝尔奖的著名的&ldquo 拉曼散射&rdquo 。&ldquo 拉曼散射光中包含了丰富的分子振动结构的信息，不同分子的拉曼光谱的谱形特征各不相同，因此，正如通过人的指纹可以识别人的身份一样，拉曼光谱的谱形也就成为科技工作者识别不同分子的&lsquo 指纹&rsquo 光谱。&rdquo 这项研究对了解微观世界，特别是微观催化反应机制、分子纳米器件的微观构造和包括DNA测序在内的高分辨生物分子成像，具有极其重要的科学意义和实用价值。　　4G牌照发放助力信息消费升级　　12月， 工信部向中国移动、中国电信和中国联通颁发了4G牌照。此举预示我国进入到一个全新的通信时代，将对包括用户网速、语音通话、移动互联网、电子商务、智慧城市等带来深远影响。据预计，到2014年，4G手机在国内市场的销量会接近1亿部，并拉动15%的消费需求。　　工信部向三大电信运营商颁发了LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务(TD-LTE)经营许可。此次4G牌照的发放打破了电信和联通对于固网牌照的垄断，实现了三大运营商固网+移动的格局。

阿尔兹海默病（Alzheimer’s Disease，AD）是一种严重的神经退行性疾病，其起病隐匿，病程长，病因复杂，严重影响患者的生活质量，给患者家庭和社会带来巨大的经济负担。AD的主要病理特征之一表现为患者脑部出现β-淀粉样蛋白（β-Amyloid proteins，Aβ蛋白）的沉积。开发能特异性靶向Aβ蛋白，特别是AD早期的Aβ蛋白单体和寡聚体的分子影像探针，对于AD的早发现和早治疗，以及抗AD药物治疗效果的早期评估都具有重要意义。　　近日，中国科学院上海药物研究所研究员柳红课题组与南京大学化学化工学院教授叶德举课题组合作构建了靶向Aβ蛋白的近红外荧光小分子探针，并应用于转基因AD模型小鼠脑部Aβ蛋白的实时荧光成像与可视化。该成果以Engineering of donor-acceptor-donor curcumin analogues as near-infrared fluorescent probes for in vivo imaging of amyloid-β species为题发表在Theranostics上。　　近红外荧光成像由于具有灵敏度高、成像快捷、操作简便等优点，已被广泛应用于疾病标志物的检测中。近年来，研究人员也相继开发了Aβ蛋白响应的荧光探针用于Aβ蛋白的检测。但是，目前报道的荧光探针大多还存在荧光发射波长较短，与Aβ蛋白的结合动力学过程较慢、亲和力较低，以及仅能检测AD病程较晚期的Aβ蛋白斑块等不足。因此，发展具有近红外荧光发射波长，对Aβ蛋白单体、寡聚体和聚集体具有快速响应和高亲和力的近红外荧光探针用于活体内Aβ蛋白的高灵敏度和高特异性检测，对AD的早期诊断和疗效监测具有重要意义。　　该工作基于Aβ单体、寡聚体和聚集体的蛋白结构与结合模式，通过理性设计和官能团替换，设计并合成得到9个具有Donor-Acceptor-Donor（D-A-D）结构的近红外荧光探针（1-9），可以与Aβ蛋白单体、寡聚体和聚集体高特异性结合并产生显著增强的近红外荧光信号。　　该研究中发现的探针9具有较红的近红外荧光发射波长，较高的荧光量子产率，一方面可提高光对颅骨和头皮的穿透深度，从而提高探针活体上检测Aβ蛋白的灵敏度；另一方面可降低探针在活体应用时的给药剂量，从而减少了高剂量探针对神经系统的潜在毒性。此外，探针9因引入具有一定亲水性能的羟乙基官能团，改善了探针的理化性质，提高了探针的进脑量。同时，探针9表现出快速的结合动力学过程（ 120 s）、较高的检测灵敏度和良好的选择性。该研究进一步利用正置荧光显微镜进行脑部微区实时动态荧光成像发现，探针9可快速穿透血脑屏障，进入脑实质，并与脑部的Aβ蛋白结合，产生“激活的”近红外荧光信号，以此有效区分转基因AD模型小鼠与对照野生型小鼠。　　探针9可高灵敏度、高特异性地检测Aβ蛋白单体、寡聚体和聚集体，并在活体上有效区分6月龄的早期AD模型小鼠与对照野生型小鼠，可用于AD的精确诊断，进而对AD进行早期发现和干预治疗。探针9有望作为一种检测Aβ蛋白的有效工具，并应用于实时评估抗AD药物的治疗效果。　　相关研究工作得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金以及南京大学优秀研究项目的资助。　　论文链接探针与Aβ蛋白响应机理示意图

生命科学研究过程离不开各类科学仪器的帮助，仪器信息网特别策划话题：“生命科学技术平台经验分享” ，邀请高校、科研院所公共技术平台的老师分享技术心得和经验，方便生命科学领域研究人员了解相关技术进展，学习仪器使用方法。本篇由中国科学院分子细胞科学卓越创新中心细胞分析技术平台高级技术主管涂溢晖撰写，涂老师对光片显微镜的成像特点、难点、解决方法以及应用范围进行了详细的阐述。以下为供稿内容：显微镜自从300多年前发明以来，因其制样相对简单、观察参数多、可活体成像等特点成为生命科学领域不可或缺的研究工具。而近百年来理论和技术的飞速发展，使得显微镜成像的质量、空间分辨率和时间分辨率都有很大的提升。宽场显微镜光路简单、成像便捷，使用最广泛，但因非焦平面的光干扰而图像信噪比较差。激光共聚焦扫描显微镜加入了共轭的针孔，过滤掉了非焦平面的信号而大大提升图像的信噪比、提高分辨率，但因其是点扫描成像，成像速度大大降低，而且因为物镜工作距离和数值孔径的制约，成像深度一般也只有200微米左右。双光子显微镜因红外激光穿透力的提升，虽然可将成像深度扩展到1毫米，但光毒性和光漂白作用非常大。要做到在组织细胞水平上大尺度大视野的成像，目前光片显微镜是一个不错的选择。光片显微镜与上述传统显微镜在光路上有很大的区别（图1），传统显微镜激发和发射在同一个方向上，而光片显微镜采用正交光路设计，即从样品侧面照射激发样品荧光，成像物镜与照明物镜成90度正交，互相垂直。样品受激发的层面即成像层面，不存在离焦信号，提高了图像的信噪比，通过移动光束或样品快速获取全样品的荧光信号，减少对样品的光毒性和光漂白。为了保证照明光路的均匀，通常使用两个照明物镜进行双侧照明，采用sCOMS成像，提高量子效率和成像速度。图1. 宽场显微镜与光片显微镜光路示意图目前实现光片的技术主要有高斯扫描光束、贝塞尔光束和晶格光束。高斯扫描光束利用扫描振镜的高速运动将点状光束形成“虚拟”片状光源。贝塞尔光束是一种非衍射光束，在一定距离内几乎没有衍射，经过散射后，形变失真很小。相比高斯光束，它能形成更薄的光片。晶格光片可以理解为结构照明的贝塞尔光束，它既保持了光片空间上的薄度，又利用结构照明提高空间分辨率。生物样品要想做到大尺度、深层次的成像，只有光路上的改进是不够的，生物样品之所以无法做到深度成像，另一个很重要的原因就是生物样品结构多、成分复杂，且任何一个组分都能吸收光和散射光，这就导致激发光和发射光都还无法穿透较厚的样品就被吸收或散射掉了。因此，要想进行深层次的生物样品成像，须将样品进行透明化处理，即用化学试剂将样品中的脂质、水分、色素等物质去除，从而使样品达到透明状态，内部的折射率尽量均一，减少光的吸收和散射。目前常用的透明化方法有有机溶剂和水溶剂两种方法。有机溶剂透明化方法即疏水透明化方法，一般先用脱水试剂去除水分和一部分脂质，再用有机溶剂去除脂质，最后浸入折射率匹配液中，以获得均匀的折射率。常用的方法有iDISCO和PEGASOS等，以上方法透明化程度高，用时较短，与蛋白质的折射率更匹配，缺点是样品有一定程度的固缩，有机试剂会引起荧光蛋白淬灭或保护性较差，有毒性且会挥发。水溶试剂透明化方法即亲水透明化方法，一般用除垢剂将样品中的脂质去除，再匹配折射率。常用的方法有CUBIC，该方法对荧光蛋白保护性较好，价格便宜，试剂相对更安全，但用时较长，样品有轻度的膨大。科学家们又利用其膨大样品的特性，筛选出既能保持样品结构又能将其膨大数倍之大的CUBIC-X的方法，将更多细节暴露在显微镜下并得以清晰成像。水凝胶包埋透明化方法，如CLARITY、PACT、SHIELD等方法应用较少，它对荧光蛋白保护性好，但用时较长，需要专用设备。生物样品的抗体标记一般在透明化之前。常规带荧光的生物样品可以首选水溶性试剂进行透明化处理，结构致密或坚硬的组织用有机溶剂透明化效果可能更好。在成像过程中如果需要用胶水固定样品的话，且样品的体积又很微小，可以用低熔点琼脂糖进行包埋。对本身较透明的样品或经过透明化的样品，在光片显微镜上可以进行大视野、大尺度、深层次、亚细胞水平的荧光成像，成像广度和深度都可达到厘米级。光片显微镜在神经学、发育学、肿瘤学等生命科学领域都有广泛应用。光片显微镜虽然能对透明化的整个组织甚至小动物进行细胞水平的整体荧光成像，获取得到很多以前无法获得的图像，但是在实际应用中仍存在一些问题。首先，因为透明化试剂多种多样，每种的折射率都不一样，所以每次更换成像物镜或换新的透明化试剂，都需要调节光路以匹配相应的折射率，以达到最佳的成像效果。成像用透明化试剂必须干净无杂无气泡。其次，成像质量仍然受限于成像物镜NA值，要想提高成像分辨率，必须用高NA的物镜，但这样物镜的工作距离和景深就小，会带来成像深度的降低。样品虽然透明或经过了透明化处理，组织样品的荧光强度仍然会随着离成像物镜距离的增加而衰减，从而形成近物镜的样品荧光相对较强，远离物镜的荧光相对较弱。那么在满足目标细胞、结构清晰成像的情况下，可以考虑减少样品的厚度，或是通过双物镜成像或旋转样品多次成像，使成像质量得到提升，但是荧光衰减的现象仍然无法完全避免。再次，透明化使用的有机试剂的毒性和对物镜的潜在危害需要考虑在内。最后，就是光片显微镜成像的数据庞大，单个文件从几十GB到TB级，这就给后期的运算处理带来很大的挑战。在今后的应用中，无毒化、渗透迅速、对蛋白保护性好的透明化试剂的开发将可以缩短样品处理等待时间、保护表达的蛋白以及实验人员的健康。对于庞大数据的后期处理算法的改进与优化，将减少数据存储占用空间、缩短实验数据处理时间，提升用户的使用体验感，最终拓展该技术在生命科学领域、临床精准诊断领域等的应用前景。作者简介涂溢晖，高级工程师，现任中国科学院分子细胞科学卓越创新中心细胞分析技术平台高级技术主管。2004年加入中科院生物化学和细胞生物学研究所细胞分析技术平台，致力于细胞分析新技术新方法的开发及应用推广、大型仪器运行维护及技术服务的共享和显微成像、流式专业人才的培养，到目前完成了三个中科院功能开发项目。

今年年初，以剑桥大学为依托的Base4公司宣布他们成功利用微滴中包裹的核苷酸荧光级联反应技术清楚的分辨出每个碱基的类型。　　每一个核苷酸包裹在一个微滴中，每个微滴按照顺序放在每个小的微孔中，大大的增加微孔的数量，即可进行大规模测序。去年该公司和日立公司进行合作，通过固态的纳米系统直接读取碱基产生的信号，而不是读取碱基通过纳米孔是发射的电子信号。　　微滴方法使用一个焦磷酸水解酶可以使DNA单链上的核苷酸水解下来并包裹在微滴中。微滴将通过一个微米级的管道，通过管道时级联反应促使每一个碱基产生自己特有的信号。　　Base4的创始人兼CEO Frayling 说：&ldquo 在实验室里，团队对每一步都做了很多处理，现在我们正在致力于把每一步结合起来做成一个独立的测序系统。每个微滴都要单独的孵育，所以找到合适的芯片来确定微滴的顺序是关键。我们已经把所有的步骤放在同一张芯片上了，并且已经开始测试，估计2到6个月内第一批测序结果就会产生。&rdquo 　　除了单分子测序技术，Base4 也致力于微滴测序技术其他方面的技术，他们正在尝试着通过减弱级联反应的化学反应来增强DNA的荧光信号。通过实验他们发现用价格便宜LEDs光源来激发荧光看起来是可行的，而且他们相信用普通的光学成像摄像机也可以记录分辨碱基的类型。　　剑桥的研发团队说虽然目前还没有找到合作公司，但是他们希望能够和一些公司合作来加速测速设备的发展，目标是开发一款价格低廉的测序设备。如果能够像预期的一样利用普通的电子设备，那么微滴测序设备成本将会降到10000美元。　　&ldquo 人们希望的无疑是高通量、低成本、高精度，我相信我们的微滴技术肯定能实现这个愿望。&rdquo Frayling说。&ldquo 另一方面固态纳米的测序系统在未来可能会有一定的优势，因为它不仅能够检测进行DNA测序、甲基化测序，还能检测传统的测序所遗漏的低频DNA修饰。我们希望能够快速推荐微滴测序的商业化。&rdquo

p　　strong仪器信息网 /strong2016年4月12日，默克在北京举办生命科学新产品发布会，来自各科研院所、高校等的100余位代表出席会议。/pp style="text-align: center "img title="IMG_14321.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201604/insimg/6aa4a5bb-e0b7-4ea0-a1f2-39382acc0e42.jpg"//pp style="text-align: center "strong光影开场秀/strong/pp　　“见微 至臻 致远”，本次新品发布会继续传承默克生命科学的创新风格，以一段创意无限的光影开场秀拉开序幕。在光与影的殿堂里，默克将科学与艺术完美融合，诠释了以“匠人”之心打造的两款生命科学研究工具：Erenna单分子免疫检测平台和CellASIC ONIX2 微流控活细胞实时分析系统。/pp style="text-align: center "img title="IMG_14541.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201604/insimg/6808f359-8e28-4449-8732-1a08c11f4840.jpg"//pp style="text-align: center "strong默克生命科学市场部总监郭鸣霏先生致开幕辞/strong/pp　　默克生命科学市场部总监郭鸣霏先生在致辞中介绍到，Erenna，原是深海中的一种水母，在几千米的海底发出荧光，照亮深海海底未知的世界。本次默克发布的单分子免疫检测平台的名字也叫Erenna，Erenna(水母)潜在的含义与默克相关产品在蛋白质组学领域的探索潜能不谋而合。/pp　　从上世纪40年代开始，随着免疫组化等经典蛋白检测技术的发展，蛋白作为生物标志物的价值逐渐被人们所重视。尽管免疫组化、ELISA、Luminex等蛋白检测技术已经实现了数以千计的蛋白生物标志物的检测，但蛋白生物标志物的开发速度仍显缓慢：年均仅有1-2个新的生物标志物进入实际的临床应用。据统计，在400000多种已知的人类蛋白中，约有300000种因为表达丰度过低而无法实现传统方法的检测。在现有技术可以检测的约100000种蛋白中，大多数又无法在健康个体的样本检测到，而仅仅出现在特定的疾病时期。大量蛋白生物标志物的重要功能，如同海平面下的冰山，无法被现有技术准确界定。不论临床还是基础研究，蛋白生物标志物的应用都拥有可观的发展前景，但现有技术的瓶颈极大限制了蛋白生物标志物的发展。/pp style="text-align: center "img title="IMG_14741.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201604/insimg/5b125750-dbfb-46c2-a10f-e28972e8fbeb.jpg"//pp style="text-align: center "strong默克高级科学家、Erenna单分子免疫检测平台资深专家Ali Vahedi先生/strong/pp　　2015年，默克密理博收购a title="" href="http://www.instrument.com.cn/news/20160413/188581.shtml" target="_self"strong单分子检测技术(SMCsupTM/sup)/strong/a 。而今天发布的Erenna单分子免疫检测平台也是收购之后发布的首款具有里程碑意义的产品。/pp　　据默克高级科学家、Erenna单分子免疫检测平台资深专家Ali Vahedi介绍，Erenna采用专利的“爱里斑”单分子检测技术(Single Molecular Counting ，SMCsupTM/sup)，突破了蛋白检测的极限，将生物标志物检测提升到飞摩尔级别。相较于传统免疫检测技术，SMCsupTM/sup技术的信噪比有了很显著的改善，使得在一个系统里可以同时检测低表达和高表达的蛋白靶标，可以用于揭示疾病相关生物标志物的微小变化，并可创领生物标志的新发现。/pp　　检测事件（DE），事件光子含量（EP），以及总光子含量（TP），三套检测数据得到三条标准曲线，外加专有的算法，Erenna可以实现高灵敏度、大动态范围的检测。此外，Erenna单分子免疫检测平台还可以根据不同的实验条件灵活选择孵育形式。据介绍，由于Erenna平台卓越的单分子检测能力以及磁珠的低背景，基于磁珠的孵育形式比使用同样抗体的ELISA灵敏度提高大约1000倍。而基于96孔板板底的孵育形式大约比同等抗体条件的ELISA灵敏度也能提高50-100倍，同时试剂成本低于ELISA。/pp style="text-align: center "img title="IMG_15351.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201604/insimg/ab2ad927-41e4-47d2-a2d0-bb13d622c373.jpg"//pp style="text-align: center "strong默克全球产品经理Victor Koong先生/strong/pp　　本次发布会中，默克还介绍了另一款新产品：CellASIC ONIX2 微流控活细胞实时分析系统，这是CellASIC ONIX的升级产品。/pp　　据默克全球产品经理Victor Koong介绍，目前，细胞培养技术的发展还存在一些问题，如传统培养体系体积较大，快速更换培养基比较困难；静态培养与在体培养差异较大；成像状态下很难控制细胞的生长环境等。而CellASIC ONIX2 微流控活细胞实时分析系统可以实现活细胞成像时的细胞生长环境精细调控，包括气体、温度、培养基和试剂的快速切换，长时程、免操作实验条件的程序化控制等，从而使细胞保持良好的生长状态。/pp　　采用芯片培养板上的微流控设计，CellASIC ONIX2具备高精度活细胞成像与多功能分析的系统特征，可同时进行四个独立的加药实验，适用于所有倒置显微镜。/pp　　据介绍，CellASIC ONIX2在控制演进过程的自噬、活细胞成像过程中的自动化免疫染色等研究中具有很好的应用前景。目前，顶级科研机构的超过60篇顶尖文献已经使用了该系统。/pp style="text-align: center "img title="IMG_14431.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201604/insimg/4756031b-b60f-4bed-98d5-28f829bfc6e1.jpg"//pp style="text-align: center "strong发布会现场/strong/pp style="text-align: center "img title="IMG_15261.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201604/insimg/c61746a7-bde2-490e-919a-c11a2f59459c.jpg"//pp style="text-align: center "strong瑞士巴塞尔大学医学院医学博士& 公共健康硕士 David Conen先生/strong/pp　　在新品发布会的过程中，瑞士巴塞尔大学医学院医学博士& 公共健康硕士David Conen先生还专门分享了心血管疾病生物标志物研究的新进展。br//pp　　此外，新品发布会之后，默克还组织了成像流式高峰论坛，与行业专家共同探讨最新的研究进展。br//p

生命科学研究过程离不开各类科学仪器的帮助，仪器信息网特别策划话题：“生命科学技术平台经验分享”，邀请高校、科研院所公共技术平台的老师分享技术心得和经验，方便生命科学领域研究人员了解相关技术进展，学习仪器使用方法。本篇由中国科学院分子细胞科学卓越创新中心化学生物学技术平台陈铭研究员和高级工程师赵宏伟联合供稿，以下为供稿内容：高内涵成像分析系统，通俗来讲就是自动化成像平台和图像定量分析平台的集成，于20世纪90年代中后期推出第一代产品。高内涵成像分析系统的出现得益于自动化技术的进步，也依赖于计算机辅助的图像自动采集和信息提取能力的提升，其鲜明特点就是图像采集速度快、样品检测通量高、数据分析功能强。高内涵主要应用于高通量药物筛选和功能基因组筛选的细胞表型类实验检测，也适用于中低通量的细胞学研究中实验条件的摸索和优化。本文主要从图像高通量采集和图像批量分析两个方面介绍一下应用心得，并简要介绍一下我们在高内涵使用中遇到的一些思考。1. 自动化成像：图像采集要兼顾成像速度和成像质量的平衡作为高通量检测设备，高内涵的成像速度非常快，现在的技术能在5分钟之内完成一整块384孔板的单通道单视野的高质量图像采集。高内涵的成像对象通常是板底透明的微量多孔板，包括1-1536孔板，其中以96孔板和384孔板的使用最为常见。当然，借助于适配器的使用，也可以实现对培养皿和玻片的观察。根据板底材质的不同，分为PS材质多孔板和玻璃底多孔板，其中板底透明的黑色PS材质微孔板使用较广泛。根据板底厚度的不同，板底厚度大于200 μm的属于厚底板，小于等于200 μm的属于薄底板。薄底板多用于高数值孔径物镜的成像，厚底板适配于长工作距离物镜。同时，由于高数值孔径物镜比较宽，容易与多孔板边缘的裙边相撞，导致多孔板最外面的一圈的孔无法成像，现在也有低裙边的多孔板来兼容高数值孔径物镜的整板成像。此外，出于特定的实验目的，还有一些特殊的板型，也可以在高内涵上进行图像采集，比如适用于3D 类器官培养的U型底多孔板，用于研究细胞迁移能力的Transwell孔板等。区别于一般的荧光显微镜，高内涵属于自动化的倒置荧光显微镜，通常搭配自动化的载物台来驱动多孔板的移动。目前通用的载物台是机械载物台和高精度磁悬浮载物台，可以实现连续时间点成像后稳定的视频输出。由于所有的微孔板的板底都无法保证厚度是绝对一样的，因此高质量图像采集的自动化还依赖于精确自动聚焦技术的发展。常用的聚焦方式包括基于激光的硬件聚焦和基于图像的软件聚焦。基于激光的硬件聚焦是通过光源的反射或折射实现的，利用近红外激光探测微孔板的底部界面作为自动聚焦的参照，特点是速度快、重复性高、光毒性低。我们平台目前使用的高内涵设备的聚焦方式为硬件聚焦，包括双峰探测和单峰探测两种板底探测方式。双峰探测的原理是利用激光探测微孔板板底下表面和空气之间的界面得到第一个探测峰，物镜继续向上移动，激光会探测到微孔板板底上表面和溶液之间的界面得到第二个探测峰，对于样品的聚焦就是在第二个探测界面上加上聚焦高度实现的。这种双峰探测方式可以保证同一个荧光通道的图像都是在样品的同一高度上采集得到，聚焦精确，但同时也相对容易受到一些因素的干扰造成聚焦困难，包括微孔板板底的厚度及均一度，以及溶液的性质和体积等。当使用低倍物镜或检测玻片样品时，双峰探测模式不再适用，只能使用单峰探测方式，即在自动聚焦时只能探测到多孔板板底的下表面和空气之间的界面或者玻片和空气之间的界面。单峰探测模式下，自动聚焦的实现是把单峰界面作为聚焦参照，加上板底厚度或玻片厚度作为理论上的第二个界面从而实现样品的自动聚焦。这种单峰探测方式下聚焦更容易些，但共聚焦成像的精确度会降低。需要特别注意的是硬件聚焦对于板底的洁净程度要求较高，多孔板在进行成像前最好用喷过消毒酒精的无尘纸擦拭，而且要保证物镜镜头洁净无尘，避免因为板底和物镜上的灰尘造成聚焦失败。另外有些自动化微孔板成像设备，还配置了软件聚焦模式。软件聚焦是指机器自动在z轴上拍摄一系列图像，根据算法挑选最大对比度的图像作为样品图像，这种软件聚焦模式速度通常较慢，而且容易因细胞碎片或死细胞等原因导致聚焦不精确。作为显微镜，高内涵的成像模式也包括宽场成像和共聚焦成像。高内涵仪器上宽场成像用途比较广泛，但对于一些信噪比很低的实验或者需要观察亚细胞结构的筛选则必须使用共聚焦成像。为了适配检测通量和检测速度，因此高内涵上的共聚焦只能是转盘共聚焦，有效提高了成像速度的同时但也会导致图像分辨率受一定损失。目前主流的高内涵品牌推出的共聚焦，有较低端的LED光源的单转盘共聚焦，也有激光光源的双转盘共聚焦。由于共聚焦排除了非焦平面的杂散光，到达样品的激发光的光子数量的急剧锐减，微透镜双转盘共聚焦能极大地提高到达样品的光子数量，从而达到比较好的成像效果。高内涵的共聚焦通常搭配水镜使用，与空气镜相比，水镜的透光量是空气镜的4倍以上。另外，目前虽然有的高内涵搭配了油镜，但是油镜并不适用于高通量筛选，进行稳定的大规模自动化实验时还是空气镜和水镜更为适用。作为高通量自动化仪器，高内涵通常会搭配机械臂和多孔板堆栈来提高检测通量。考虑到荧光成像样品最好避光保存，降低荧光淬灭或衰减风险，在使用多孔板堆栈时，条件允许的情况下最好能做适当的避光措施以更好地保护样品的荧光信号。在实际科研应用中，有的实验细胞密度较低，有的实验因为药物处理或siRNA处理导致的细胞毒性问题使部分样品孔内细胞比较稀疏，有的类器官成像实验中样品只存在于孔内的部分区域，对于上述这些情况可以考虑使用低倍物镜进行预扫描，对扫描结果进行简单的图像分析确认精确的检测区域，再对目标区域进行高倍物镜下的正常图像采集。这不仅可以节省大量的检测时间，同时也避免了大量冗余数据的产生。2. 细胞图像分析：标准化、多参数、高通量、无偏差高内涵图像采集速度快和检测通量高的直接结果是会产生海量的图像数据，因此，标准的、无偏差的批量图像分析是必不可少的。同一批次的筛选样品，设置一个通用的图像分析方法，可以稳定的用于所有筛选数据的批量分析。高内涵分析软件能够根据细胞图像提取数百到数千个特征参数，用于定义或区分不同细胞表型，也可以输出所有的特征参数用于实验数据的评价。高内涵的图像分析软件可包含三个难度的分析模式：简单的预设方法模式，灵活的模块化组合模式，以及难度最大的个性化分析方法开发模式。预设方法模式对操作新手比较友好，按照实验类型简单修改后套用即可，比如细胞计数、荧光强度分析、细胞增殖分析、细胞凋亡分析、蛋白核质转位分析、蛋白受体内化分析、Spot分析等等。由于面临的实验需求多种多样，在我们平台的实际科研应用中高内涵图像分析通常采用灵活的模块化组合模式，优化调整不同的模块参数使其更加贴合具体的实验需求。基于这种分析模式，细胞的亚群分析、基于图像的纹理分析、细胞周期分析、Spot分析、神经细胞分化分析、单细胞迁移轨迹追踪分析、微核分析、类器官分析、免疫细胞杀伤分析等实验类型，都已获得很好的分析效果。图像分析主要包括以下步骤：图像的处理、图像分割、特征参数的定量和提取、细胞亚群分类和结果输出。图像分析环节特别具有挑战性的步骤就是图像分割，尤其是对于样品质量比较差或者是没有荧光标记的明场图像而言。对于细胞分布不均匀，细胞核拥挤成团的样品的分割，往往要尝试很多分割方法，包括对图像进行锐化或模糊化处理、通道叠加、调整细胞识别方法的荧光阈值或对比度、优化不同切割方法的参数等，从而获得最好的分割效果。对于分割不理想的图像，可以将细胞区域和背景区域分割，对细胞区域进行整体定量。现在随着机器深度学习技术在高内涵图像分析软件中的应用拓展，软件图像分割能力已得到很大提升。当微孔板上孔内细胞表型的异质性比较大的时候，采用整孔平均值这样的参数定义不同处理之间的差异时，往往信号的窗口比较小。为了增大信号窗口，可以考虑采用将细胞群体划分为不同的亚群，针对不同的亚群进行数据分析，或者是计算某个亚群在群体细胞中的占比。对于荧光图像的分析，多数情况下平均荧光强度（即mean-mean值，每个孔内所有像素点的平均荧光强度）可以反映不同孔之间的差异，但当不同处理导致细胞形态发生变化时，总荧光强度的平均值（即sum-mean，每个孔内所有细胞的总荧光强度的平均值）更能反映真实的孔间差异。对于一些荧光强度比较低的样品，阴性样品和阳性样品的信号窗口不够大的时候， 通过扣除背景信号，也可以提高阴性阳性之间的信号窗口。我们常用的背景信号的计算方法有四种：① 通过平均荧光强度和对比度，反推背景荧光强度；②通过纹理分析，找出没有细胞的区域定义为背景区域，定量该背景区域的荧光值为背景荧光强度；③圈选细胞之外的一圈无细胞区域为背景区域，定量该区域的荧光强度；④制备没有荧光标记的细胞孔，该孔的荧光值作为背景荧光。高内涵分析软件虽然能够对细胞图像提取成百上千个生物学参数，但大多数情况下，简单表型只需要其中一个或几个参数就可以进行数据评价，判断药物处理效果和反映趋势。常用的参数包括：荧光强度、荧光总强度、细胞数量、细胞面积、阳性细胞比例、荧光强度比值等。但是有一些复杂的细胞表型，无法用单个或几个参数进行简单区分，这时候结合软件的机器自学习功能/深度学习功能，利用多参数体系对细胞群体进行分类，可能更容易实现不同表型的区分。3. 高内涵系统使用过程中需注意完善的地方总的来说，高内涵细胞成像和图像分析功能都很强大，但是在实际的使用中也面临着一些问题和挑战。首先，高内涵实验产生的数据量非常庞大，高效安全的数据存储管理非常重要。如果由于配套电脑的硬盘容量跟不上实际实验规模的需求，仪器管理员往往会处于频繁的数据备份和硬盘清理工作中。同时也需要有高速稳定的数据信息传输途径，确保采集好的图像能及时传输到分析软件系统，避免发生数据丢失的情况。其次，图像分析对电脑的运算性能要求比较高，特别是有些类型的图像分析方法步骤复杂，定量参数繁多。比如单细胞实时追踪实验，需要对单个细胞的多个连续时间点进行多参数定量统计，最后的结果输出阶段也需要对单个细胞数据进行呈现，因此对电脑的运算能力很有挑战。如果配置的数据分析电脑性能与这类图像分析的需求不太匹配，往往会导致分析速度过慢甚至容易发生宕机现象。最后，对于实心的类器官样品，目前常见的高内涵系统的激光穿透效率和成像分辨率还不足够理想，重构获得的三维图像可以用于获取体积面积等参数，但还不太能对球体深处内部细胞进行高质量分割，也较难获取准确的蛋白定位信息。相信这也是高内涵成像系统在未来发展提升中会逐渐优化解决的一些要点。本文作者：赵宏伟，化学生物学技术平台，高级工程师陈铭，化学生物学技术平台，平台主任，研究员

pstrong　　span style="color: rgb(84, 141, 212) "全谱图分子影像/span/strong　　/pp　　全谱图分子影像系统将多种分析技术整合至同一仪器平台并进行了优化，能够更好地了解细胞功能和生理机能，或监测整个组织或器官中的药物化合物分布情况。它可以结合多种成像技术获得全面分析结果。 /pp style="text-align: center "img title="1.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/222f22ae-9fa8-40b9-a478-bfe553697df5.jpg"//pp style="text-align: center "strong小脑中三种脂质离子的特定分布叠加图像/strong/pp　　沃特世全谱图分子影像系统通过将MALDI™ 、DESI、离子淌度质谱技术和信息学工作流程整合入单个系统，可以带来其它任何单一影像技术都无法企及的详细分子信息。全谱图分子影像系统可用于：/pp　　发现、识别并测定目标分子的空间分布；/pp　　有效研究各种大分子和小分子；/pp　　无需标记探针即可进行成像研究；/pp　　可从单个样品获取尽可能多的信息；/pp style="text-align: left "　　获得关键化合物的最终分子分布。 /pp　　全谱图分子影像功能能够帮助用户更加深入地了解癌症潜在机制，并能够通过测定细胞和组织中的分子转运发现心血管疾病以及神经退行性疾病。在其它研究中，全谱图分子影像系统可根据分子组成对不同的组织类型进行鉴定，也可以区分病变和正常组织。 /ppstrong　　span style="color: rgb(84, 141, 212) "全谱图分子影像技术/span/strong/pp　　全谱图分子影像系统可用于Xevo G2-XS或SYNAPT G2-Si质谱平台。如有需要，上述全谱图分子影像系统完全可作为标准ESI-TOF仪器用于除分子成像之外的其它应用。/pp　　全谱图分子影像系统与质谱技术结合后非常适用于分析特定类型的分子(多肽、脂质、小分子代谢物和糖类等等)，这两项技术相互补充，可为质谱成像提供最全面的信息。 /pp　　strong全谱图分子影像系统可采用的技术包括：/strong/pp　　strong基质辅助激光解吸电离(MALDI)成像/strong/pp　　MALDI成像技术利用激光直接电离法分析化学基质包被样品中的分子。MALDI成像技术是公认的质谱成像应用标准技术。/pp　　利用MALDI质谱成像技术直接生成组织截面的图谱是一种直接从生物学基质研究其大、小分子空间分布的强大工具。质谱数据图像的描述作为二维图像，允许从视觉上确定其分子的空间分布。不像昂贵耗时的传统空间图谱方法，如放射自显影术、闪烁计数器，它不需要放射标签。/pp　　MALDI SYNAPT™ HDMS™ 系统成像设备，为小分子、药物及其代谢产物提供了最佳的特异性和灵敏度。MALDI Q-Tof Premier™ 质谱仪，利用一个能够进行快速数据采集的200赫兹固态激光器，可以方便地提取质量、强度和位置等信息。提取的数据可以输入适当的软件包，如用于图像生成和操控的BioMap(Novartis)。其技术优势为：/pp　　卓越的空间分辨率；/pp　　适用于分析多种分子类型；/pp　　尤其擅长大分子成像。/pp　　strong电喷雾解吸电离(DESI)成像/strong/pp　　DESI成像技术利用溶剂电离喷雾直接进行成像，此电离技术无需进行样品预处理。沃特世在传统DESI成像技术的基础上强化了其功能性，赋予该创新型成像方法以更好的可用性和性能。使用DESI成像技术的部分优势：/pp　　最简单的样品制备过程；/pp　　擅长脂质和小分子成像；/pp　　可在同一个样品上进行多个成像实验。/pp style="text-align: center "img title="DESI_MaldiWorkflow_White.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/d38df7b4-3558-4637-9e34-f18a3c1bd077.jpg"//pp style="text-align: center "strongDESI-MALDI流程图/strong/pp　strong　离子淌度技术的质谱成像/strong/pp　　离子淌度可为成像研究增加另一个维度的分子分离，此技术能够根据分子大小和形状对其进行分离分析。离子淌度技术可用于消除干扰或分离目标分子用以通过更加严格的审查，利用更强的分子区分能力来提升成像系统分析性能。离子淌度可用于：/pp　　消除图像中的干扰分子；/pp　　区分结构极其相似的分子(例如脂质等)；/pp　　分离特定类型的目标分析物。/pp style="text-align: center " img title="1Triwave_Figure10_lg_700.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/4aeda8b7-4c91-428b-a85a-5c896fac8c01.jpg"//pp style="text-align: center "strong离子淌度分离技术/strong/pp　　与UPLC/MS不同，质谱成像在电离前不涉及任何形式的分离。由于观察的详细程度和可能的背景干扰，产生的数据通常非常复杂。SYNAPT HDMS实现了MALDI和DESI成像与离子淌度质谱的强大结合，离子可以按质谱成像实验中的化合物种类和电荷进行气相分离，提供单独的质谱不具备的选择性水平。该技术可以使得到的成像数据更清楚，可以更精确地看到背景存在下的分子分布。/pp style="text-align: center "img title="1DESI-Systems.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/955d4a17-0825-444a-acef-9c6f1de56666.jpg"//pp style="text-align: center "strong全谱图分子影像系统所采用技术/strong/pp　　span style="color: rgb(84, 141, 212) "strong全谱图分子影像系统组件/strong/span/pp　　strongSYNAPT G2 Si质谱仪/strong/pp　　SYNAPT平台是一款功能强大且非常灵活的仪器，可配备各种选件(MALDI、DESI、离子淌度技术)进行成像研究。这款强大的系统可根据具体需要添加任意数量的配置，能够最好地满足几乎任何实验室对分析性能的要求。SYNAPT G2-Si在所有成像模式中均表现出众，是唯一能够将离子淌度功能与成像技术充分结合的系统。基于SYNAPT的全谱图分子影像系统非常适用于蛋白质组学、代谢组学、细胞生物学、生物化学乃至临床研究病理学和组织学应用，是质谱成像研究的终极解决方案。/pp　　strongXevo G2-XS QTof质谱仪/strong/pp　　Xevo G2-XS QTof是一款高性能、高灵敏度分析平台，专为某些最具挑战性的成像研究而设计。全谱图影像系统借助Xevo G2-XS QTof出色的分析性能并结合DESI成像技术，能够对整个样品和组织中的小分子分布进行研究，尤其适用于脂质组学、代谢组学和药物分布研究。/pp style="text-align: center "img width="200" height="345" title="_1rgp8465_ian2.jpg" style="width: 200px height: 345px " src="http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/055e40bb-04f6-471f-8746-0b498bd9c17c.jpg" border="0" vspace="0" hspace="0"/ /pp style="text-align: center "strongXevo G2-XS QTof质谱仪/strong/pp　　strongHDI成像软件/strong/pp　　这款功能强大且直观的软件包中含有针对复杂成像数据进行高效、快速数据分析时所需的全部数据分析和先进统计工具。HDI软件简单易用且专门为质谱成像而开发，可查询多维度数据，并能够轻松给出丰富详实的图像和统计数据，这些都使得质谱成像技术成为一项极具前景的分析技术。/pp style="text-align: center "img title="1WG_HDI_Software_schematic_950px.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/78843426-0455-43b6-af8d-930c34f8143a.jpg"//pp style="text-align: center "strongHDI成像软件/strong/pp /p

仪器信息网讯 2015年3月10日，在Pittcon 2015开幕第一天的新闻发布会上，美国BioTools公司推出了全球首创的u-Raman便携式显微拉曼分子光谱成像系统和u-BioRaman便携式生物分子显微拉曼分子光谱成像系统。该款产品由手性振动光谱先驱Prof. L.A. Nafie教授带领的专家团队研发而成。　　该项新产品的推出构建了显微成像和分子光谱的桥梁，将显微拉曼分子成像系统从实验室带入更广阔，更多新视野下的现场应用。　　该款系统比便携式缝纫机还要小，新型移动设计使得光路设计更短更有效率，集成的PTZ样品台设计极大地增加了扫描速度使得样品无需任何处理，采用SERS可轻松测量低至1微升或PPm量的细菌、血液以及代谢物等。其操作及其简便的设计，将使其成为工业、药物、法检、博物馆、医生办公室、输液诊室以及食品和水的测试领域里的强大的工具。　　BioTools预计将于下半年向全球发货。　　展位合影（右三为Prof. L.A. Nafie教授）

3月4日，由中国科学院自动化所田捷研究员担任项目负责人的基金委国家重大科研仪器设备研制专项“小动物光学多模融合分子影像成像设备”项目召开项目启动会，标志着该项目正式启动。 　　本项目由自动化所牵头，清华大学、北京协和医院以及第四军医大学、西安电子科技大学等四家单位共同参加，是迄今为止自动化所资助额度最高的国家基金委项目。　　针对重大疾病防治和重大新药创制的国家战略需求，该项目拟研制小动物光学多模融合分子影像成像设备。该成像设备以光学分子成像模态为核心，同机融合核素和结构成像模态，从细胞分子、功能代谢和解剖结构等多个层面系统全面地提供生物体生理病理信息。围绕多模成像设备研制这一核心目标，该项目涉及到成像模型、重建算法、成像设备、融合平台、验证评价以及医学生物应用等多方面的研究。该设备将用于开展恶性肿瘤发生发展机理、早期精确诊断以及药物疗效定量评价的医学生物应用研究，为肿瘤早期精确诊断和药物定量疗效评价提供技术支持和设备保障。该项目的实施对推动生命科学和医学的科学研究、技术发展具有重要意义。　　启动会上，田捷研究员还就项目总体情况、“小动物光学、结构、代谢三模态同机成像设备构建与研发”课题研究方案的报告、项目各子课题分别就课题定位、研究内容、实施方案、具体指标、研究计划等几个方面进行了汇报。　　基金委医学部常务副主任董尔丹、综合计划局郑永和副局长、中国科学院计划财务局曹凝副局长、院高技术局杨永峰处长、基金委综合计划局谢焕瑛处长、医学部三处李恩中主任，中科院项目评估监理中心金启宏研究员、刘涛副研究员等领导和专家出席会议 美国医学科学院外籍院士戴建平教授、中国科学院吴培亨院士、沈绪榜院士等九位项目专家委员会委员莅临启动会。

教科书上的化学反应均以单分子形式进行概念描述，但实验中得到的却是大量分子的平均结果。一瓶380毫升的水，约含有10的25次方个水分子，投入金属钠会产生激烈的反应。不妨试想，宏观可见的化学现象，具体到单个分子是怎样的表现?　　单分子实验是从本质出发解决许多基础科学问题的重要途径之一。近年来，虽已有单分子荧光显微镜技术，冷冻单分子电镜技术等诺贝尔奖级别的成果问世，观察、操纵和测量最为微观的单分子化学反应仍是科学家面对的长期挑战。　　8月11日，浙江大学化学系冯建东研究员团队在国际顶级期刊《自然》发表封面文章。浙大团队以电致化学发光反应为研究对象，发明了一种可以直接对溶液中单分子化学反应进行成像的显微镜技术，并实现了超高时空分辨成像。该技术可实现更清晰的微观结构和细胞图像，在化学成像和生物成像领域具有重要应用价值。　　捕获分子发光信号 1秒内连拍上千张图片　　电致化学发光，是指具有发光活性的物质在电极表面通过化学反应实现发光的形式，可令分子产生光信号，在体外免疫诊断、成像分析等领域已有应用。　　“在溶液体系还难以开展单分子化学反应的直接光学捕捉。”冯建东介绍，单分子化学反应伴随的光、电、磁信号变化非常微弱，而且化学反应过程和位置具有随机性，很难控制和追踪。　　如何实现微弱乃至单分子水平电致化学发光信号的测量和成像?如何在电致化学发光成像领域实现突破光学衍射极限的超高时空分辨率成像，即超分辨电致化学发光成像?3年来，冯建东团队致力于这两大难题的研究，通过联用自制的具有皮安水平电流检出能力的电化学测量系统以及宽场超分辨光学显微镜，搭建了一套高效的电致化学发光控制、测量和成像系统。　　“团队通过搭建灵敏的探测系统，将电压施加、电流测量、光学成像同步起来，通过时空孤立捕获到了单分子反应后产生的发光信号。” 论文第一作者、浙大化学系博士生董金润介绍。　　从空间上，研究团队通过不断稀释，控制溶液中的分子浓度实现单分子空间隔离。时间上，通过快速照片采集，最快在1秒内拍摄1300张，消除邻近分子间的相互干扰。　　利用这套光电控制和测量平台，团队首次实现单分子电致化学发光信号的空间成像，其成像特点在于无需借助外界光源，可在暗室操作。　　多重曝光合成叠加 实现纳米级超高分辨率　　现如今，传统光学显微镜在数百纳米以上的尺度工作，而高分辨电镜和扫描探针显微镜则可以揭示原子尺度。“但能够用于原位、动态和溶液体系观测几个纳米到上百纳米这一尺度范围的技术非常有限。”冯建东提到，主要在于受到光的衍射极限限制，光学成像分辨力不足，即相邻很近的两个点难以分辨。　　为此，冯建东团队在获取单分子信号图像基础上，着手研究电致化学发光的超分辨成像。受到超分辨荧光显微镜技术的启发，研究团队利用通过空间分子反应定位的光学重构方法进行成像。　　“好比人们夜晚抬头看星星，可以通过星星的‘闪烁’将离得很近的两颗星星区分开一样。”冯建东介绍，技术原理即通过空间上的发光位置定位，再把每一帧孤立分子反应位置信息叠加起来，就能构建出化学反应位点的“星座”。　　为验证这一成像方法的可行性以及定位算法的准确性，研究团队通过精密加工的方法，在电极表面制造了一个条纹图案作为已知成像模板，并进行对比成像，条纹间隔为几百个纳米。　　记者看到，该微纳结构的单分子电致化学发光成像与电镜成像结果高度吻合。而且，单分子电致化学发光成像将传统上数百纳米的电致化学发光显微成像空间分辨率提升到了前所未有的24纳米。　　研究团队进而将该成像技术应用于生物细胞显微成像，以细胞的基质黏附为对象，对其进行单分子电致化学发光成像，观察其随时间的动态变化，成像结果与荧光超分辨成像可关联对比，其分辨率也可与荧光超分辨成像相媲美。　　“相比于荧光成像技术，电致化学发光成像不需要对细胞结构做标记，意味着不易影响细胞状态，对细胞可能是潜在友好的。”冯建东表示，未来，这项显微镜技术将作为一项研究工具，在单分子水平揭示更多化学奥秘，也有助于揭示更为清晰的生物结构和看清生命基本单位细胞如何工作。

近年来“问题奶粉”事件频繁爆发，乳制品尤其是婴幼儿配方奶粉的质量安全问题受到全社会的关注。2019年12月1日，被称为史上最严的《中华人民共和国食品安全法实施条例》（以下简称《条例》）修订版正式施行，加强了对婴幼儿食品等特殊食品的监管。目前乳制品的质量安全根据国家食品安全标准主要针对重金属，农兽药残留，真菌毒素，违禁添加物，致病性细菌等指标。珀金埃尔默的高内涵细胞成像技术是从细胞层面对乳制品的安全性风险进行监控。一、乳制品检测安全方案针对重金属检测，珀金埃尔默可以提供从单元素到多元素、元素形态的检测方案。针对化学污染物，农兽药残留真菌毒素，珀金埃尔默提供从提取净化到报告输出全流程的液质联用检测方案。牛奶掺假珀金埃尔默可以提供指纹图谱的技术体系应对牛奶掺假。二、细胞成像目前乳制品包括婴幼儿配方乳粉所检测的物质大部分基于行业经验或重大安全事件发生以后的总结而列入标准，基本都是在原子分子层面，而且检测覆盖的物质具有局限性，许多未知的风险物质无法检测，并不能完全反映乳制品样品真实安全性。珀金埃尔默的高内涵细胞成像分析技术从分子水平、细胞水平、模式生物水平提拱评价标准和解决方案，帮助更好更快的完成产品研发、建立乳制品尤其是婴幼儿配方乳粉的全产业链的安全性风险管控，也帮助为消费者提供更科学更安全的乳品。高内涵细胞成像分析技术是在保持细胞结构和功能完整性的前提下，对细胞和亚细胞、微组织、小型模式生物个体等层次进行多通道、多靶点的荧光成像，对其状态、变化、总体趋势进行分析，得到高内涵、高可靠性的统计结果，能够检测细胞形态、生长、分化、迁移、活性、凋亡、代谢及信号转导等各个环节，在单一实验中获取大量相关信息，在细胞毒性、遗传毒性、个体毒性、表型研究、蛋白相互作用、等许多方面都有很好的应用。这套解决方案将结合传统检测方案，从细胞和生物个体的角度更加真实全面的评估乳制品和婴幼儿配方乳粉的安全性，帮助企业向市场提供更安全、更绿色、更健康的乳制品。更多内容信息，欢迎参与“鲜乳、乳制品及婴幼儿乳粉质量与安全检测”主题网络研讨会。6月3号15:00-15:30高内涵成像与分析系统助力乳制品质量控制与安全监测李想(珀金埃尔默) 了解更多应用资料和产品信息，扫描下方二维码，下载高内涵成像分析系统助力乳制品质控与安全监测相关资料。

如果你已经看过我上一篇介绍低电流STM成像的短文[i]，那么那些HOPG上钴和镍八乙基卟啉（CoOEP 和NiOEP）自组装二维晶格子的高分辨STM图像一定会令你印象深刻。Roger也是一样，在看到那些图片之后，他向我建议可以尝试使用Cypher AFM的轻敲模式（调幅AC模式）来代替STM观察CoOEP的 晶格，因为我们知道Cypher AFM在空气中的成像质量相当稳定。当我把这个想法告诉Kerry Hipps教授时，他第一反应是“这不可能！”。我接着跟他说： “我非常确定这个是可行的。” 好吧，我承认我的倔强和执着，所以无论如何，我都要尝试一下这个“疯狂”的想法。我选择了一个尖锐，敏捷，硬度中等，悬臂为硅材料的镀金探针（FS-1500AuD探针）。 它的针尖半径为Rtip = 10± 2 nm，空气中的共振频率为fair≈1.5MHz，弹性系数为k≈6N / m。您也可以在我们的探针库找到它.当我将针尖接近样品表面时，样品表面的苯基辛烷薄层会立即吸附在探针悬臂上（见图1）。在这样一种气相-液相混合振荡介质中，针尖的共振频率会立即降到0.66 MHz。这种情况下的溶液需要大约10分钟之后才达到平衡，而在此之后，即使探针在表面移动也不会再次影响到溶液的稳定性。图1. 苯基辛烷/ HOPG界面处干涉条纹的时间序列图像。这些图像是通过Cypher ES顶视光学系统捕获的。当溶液吸附到AFM悬臂上时，苯基辛烷弯月面起到衍射器的作用而产生出干涉条纹。由于BlueDrive出色的光热激发稳定性，在平衡溶液中调谐悬臂后，我能够将自由驱动振幅和设定点分别稳定在~1.44 nm（90 mV）和~0.34 nm（21 mV）[iii] 。瞧瞧图2中的图像，CoOEP晶格渐渐在视野中显现出来，这里观察到的的~1.4 nm的晶格的分子间距和预期的理论值一摸一样！我向 Hipps教授展示了这组图片，他不得不惊叹地说一句 “Wow！”图2. 低振幅轻敲模式下CoOEP的分子晶格分辨率图像。 （A）扫描边长为100 nm。 （B）沿（A）中的白线的截面，从中可以清楚的观察到CoOEP分子有规则间隔。 （C）扫描边长为100nm 的3D图像。将图2继续放大后（见图3），我确信自己可以在一部分相位图中看到卟啉环结构。您可能会注意到的是，相比上一篇短文中的STM图像，这里的测量结果似乎对样品表面的污染更加敏感。我们可以看到样品表面上有一些无定形的团聚物，这些污染物会和扫描过程中的针尖相互作用，使扫描的图像发生了一些变化。这意味着在AFM测量之前，您务必对样品表面，探针和探针支架进行全方位的清洁。图3.在轻敲模式下CoOEP晶格的AFM放大图像。 （A）扫描边长为20纳米的形貌图。 （B）扫描边长为20纳米的相位图。注意卟啉环结构在图像的上部清晰可见。这些数据让我想起了纽卡斯尔大学的Rob Atkin教授，诺丁汉大学的Peter Beton教授和南京大学的王欣然教授曾经发表的一些关于使用Cypher 在大气环境下进行的AFM的研究 [iv-vi]。这里我来具体介绍一下这些研究的成果。第一项研究[iv]阐明了在恒电位控制偏压下石墨（HOPG）表面的离子液体（EMIm + TFSI-）的纳米结构（见图4A）。此外，施加的偏压在开路电位附近有规律地变化，同时分子Stern层作为偏压的函数（以及离子组分的函数，例如Li +和Cl-）进行了重新整合。第二项研究[v]主要集中在观察吸附在六方氮化硼（hBN）和其他样品表面上的5,10,15,20-四（4-羧基苯基）卟啉（TCPP）的超分子结构，及分析该吸附现象对TCPP分子的光电子特性的影响。图4B显示了hBN上TCPP的正方晶格结构。第三项研究[vi]探讨了HOPG和hBN上高流动性的二辛基苯并噻吩并苯并噻吩（C8-BTBT）的少层二维分子晶体的范德瓦尔外延结构，这种材料可用于实现有机场效晶体管。图4C显示了在hBN上生长的C8-BTBT晶格的高分辨率形貌。图4. 2D分子晶格的AFM成像。 （A）吸附在HOPG基片上的纯EMIm + TFSI-Stern层的相位图 扫描边长为30nm，在块体EMIm + TFSI-离子液体中成像（参见参考文献[iv]）。 （B）组装在hBN基片上的TCPP的正方晶格的形貌图像 扫描边长为50nm，在空气中成像（参见参考文献[v]）。 （C）在hBN基片上生长的C8-BTBT晶格的形貌图像 扫描边长为10nm，在空气中成像（参见参考文献[vi]）。References[i] April Current Amplifiers Bring May Ultra-Low-Current STM[ii] Learn more about Cypher here: https://www.oxford-instruments.com/products/atomic-force-microscopy-systems-afm/asylum-research/highresolution-fast-scanning-afm.[iii] (a) Learn more about blueDrive at https://afm.oxinst.com/bluedrive and athttps://pdfs.semanticscholar.org/e807/9171fb282e6340f6813a0f6b8cee8b4bae74.pdf. (b) A. Labuda, K. Kobayashi,Y. Miyahara, and P. Grütter, Retrofitting an atomic force microscope withphotothermal excitation for a clean cantilever response in low Qenvironments, Review of Scientific Instruments, 2012 83, 053703.https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4712286.[iv] A. Elbourne, S. McDonald, K. Vo?chovsky, F. Endres, G. G. Warr, and R.Atkin, Nanostructure of the Ionic Liquid–Graphite Stern Layer, ACS Nano,2015, 9(7), 7608–7620. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b02921.[v] V. V. Korolkov, S. A. Svatek, A. Summerfield, J. Kerfoot, L. Yang, T. Taniguchi,K. Watanabe, N. R. Champness, N. A. Besley, and P. H. Beton, van der Waals-Induced Chromatic Shifts in Hydrogen-Bonded Two-Dimensional PorphyrinArrays on Boron Nitride, ACS Nano, 2015, 9(10), 10347–10355.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5b04443.[vi] D. He, Y. Zhang, Q. Wu, R. Xu, H. Nan, J. Liu, J. Yao, Z. Wang, S. Yuan, Y. Li, Y.Shi, J. Wang, Z. Ni, L. He, F. Miao, F. Song, H. Xu, K. Watanabe, T. Taniguchi, J.-B.Xu & X. Wang, Two-dimensional quasi-freestanding molecular crystals forhigh-performance organic field-effect transistors, Nature Communications,2014, 5:5162, 1–7. https://www.nature.com/articles/ncomms6162.*转载文章前请与牛津仪器联系，未获许可谢绝转载，谢谢。

p style="text-align: justify text-indent: 2em "Seeing is believing，光学显微镜自1590年由荷兰詹森父子创制伊始，即成为生命科学最重要的研究工具之一。进入21世纪，借助荧光分子，科学家将光学显微镜的分辨率提高了一个数量级，由约一半光波波长（250 nm）拓展至几十纳米，并兴起了超高分辨荧光成像技术，用于“看到”精细的亚细胞结构和生物大分子定位，相关工作荣膺2014年诺贝尔化学奖。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "9月9日，Nature Methods杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所徐涛院士研究组与科学研究平台纪伟正高级工程师研发团队合作研究论文，题为“Molecular resolution imaging by repetitive optical selective exposure”，为超高分辨光学显微镜家族再添新成员，使显微镜分辨率进一步被突破。该工作提出了一种基于激光干涉条纹定位成像的新技术，并据此研制出新型单分子干涉定位显微镜（Repetitive Optical Selective Exposure, ROSE），将荧光显微镜分辨率提升至3 nm以内的分子尺度，单分子定位精度接近1 nm，可以分辨点距为5 nm的DNA origami（DNA 折纸）结构。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 226px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/bcbdc347-2f8b-464e-9014-787a341c1e21.jpg" title="徐涛院士组与科学研究平台研发团队实现分子尺度分辨率光学成像.jpg" alt="徐涛院士组与科学研究平台研发团队实现分子尺度分辨率光学成像.jpg" width="450" height="226" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "strong图1 左侧，传统质心拟合定位方法，右侧，ROSE干涉定位方法/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "所谓干涉定位，是指采用不同方向和相位的激光干涉条纹激发荧光分子，荧光分子的发光强度与其所处条纹的相位有关，该技术即是通过荧光分子强度与干涉条纹的相位关系，来确定荧光分子的精确位置。为降低单分子发光时的闪烁和漂白对亮度和定位精度产生的不良影响，研发团队对显微镜光路进行了创造性地设计，分别为：基于电光调制器的干涉条纹快速切换激发光路，基于谐振振镜扫描的6组共轭成像光路，两种光路的同步实现了高达8 kHz的分时成像，确保在相机的单次曝光时间里把每个单分子发光状态均匀分配给6个干涉条纹，有效避免了荧光分子发光能力波动对定位精度的干扰。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "研发团队利用该技术对不同荧光位点间距的DNA origami阵列进行验证测试，证明干涉成像分辨率达到了3 nm的分子水平，可以解析5 nm的DNA origami阵列。后续的功能性实验结果显示，该技术在免疫标记的微管、CCP（clathrin coated pits，网格蛋白有被小窝）以及较致密的细胞骨架成像时展现出良好性能，该技术将为进一步解析精细亚细胞的组分和生物大分子的纳米结构提供有力工具。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 311px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/45780611-1a95-4748-a74e-d777d33bd780.jpg" title="分子尺度分辨率光学成像.jpg" alt="分子尺度分辨率光学成像.jpg" width="450" height="311" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "strong图2左侧，不同荧光位点间距的DNA origami成像，ROSE技术与传统的质心拟合方法进行对比验证。右侧，鬼笔环肽标记的微丝成像，ROSE技术与传统的质心拟合方法进行对比验证。/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "徐涛院士领衔的仪器研发团队近年来致力于显微成像仪器设备和技术方法的研究和开发，先后研制出偏振单分子干涉成像、冷冻单分子定位成像以及超分辨光电融合成像系统，开发了新的超分辨显微成像算法、探针和技术，申请有多项发明专利，上述成果被广泛应用于细胞生物学相关研究，支撑团队与合作者在该领域取得了系统性成果产出。纪伟正高级工程师所在的生命科学仪器研发中心是根据研究所发展新技术新方法的迫切需求而设立，隶属于科学研究平台，在提供技术服务的同时，聚焦生物显微成像仪器设备的研发与应用推广。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "徐涛院士和纪伟正高级工程师为该文章的共同通讯作者，谷陆生、李媛媛、张淑文为共同第一作者。李栋研究员、薛艳红、李尉兴参与了本课题。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "该工作受到中国科学院科研仪器设备研制项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金以及北京市科技计划等项目的资助。/p

《自然》选出将在未来一年对科学产生巨大影响的工具和技术。从蛋白质测序到电子显微镜，从考古学到天文学，本文将讲述七项有可能会在未来一年震动科学界的技术。　　单分子蛋白质测序　　蛋白质组体现了细胞或生物体制造的一整套蛋白质，可以提供关于健康和疾病的深入信息，但对蛋白质组的表征仍然是一项挑战性的工作。　　相对于核酸来说，蛋白质是由更多的分子砌块(building blocks)组成的，约有20种天然存在的氨基酸(相比之下，组成DNA和信使RNA等分子的只有4种核苷酸) 因此，蛋白质具有更大的化学多样性。有些蛋白质在细胞中的含量较少 并且与核酸不同，蛋白质不能被扩增 ——这意味着蛋白质分析方法必须使用任何能用的材料。　　大多数蛋白质组学分析使用质谱法，这是一种根据蛋白质的质量和电荷来分析蛋白质混合物的技术。这些谱图可以同时量化数千种蛋白质，但检测到的分子并不总能明确识别，并且混合物中的低丰度蛋白质常常被忽视。现在，能对样本中的许多(甚至全部)蛋白质进行测序的单分子技术可能即将问世，其中许多技术类似于用于DNA的技术。　　德克萨斯大学奥斯汀分校的生物化学家Edward Marcotte正在研究一种这样的技术，称为荧光测序(fluorosequencing)[1]。Marcotte的技术报道于2018年，该技术基于一种逐步的化学过程，在此过程中，单个氨基酸被荧光标记，然后从表面偶联蛋白的末端逐个被剪切下来，此时摄像机会捕捉到所产生的荧光信号。Marcotte解释道：“我们可以用不同的荧光染料标记蛋白质，然后在切割时逐个分子地观察。”去年，位于康涅狄格州的生物技术公司Quantum Si的研究人员描述了一种荧光测序的替代方法，该方法使用荧光标记的“粘合剂”蛋白来识别蛋白质末端的特定氨基酸(或多肽)序列[2]。　　其他研究人员正在开发模仿基于纳米孔的DNA测序技术，根据多肽通过微小通道时引起的电流变化来分析多肽。荷兰代尔夫特理工大学的生物物理学家Cees Dekker及其同事于2021年展示了这样一种方法，他们利用蛋白质制成纳米孔，并能够区分通过纳米孔的多肽中的单个氨基酸[3]。在以色列理工学院，生物医学工程师Amit Meller的团队正在研究由硅基材料制成的固态纳米孔器件，该器件可以同时对许多不同的蛋白质分子进行高通量分析。他说：“你可能可以同时观察数万甚至数百万个纳米孔。”　　尽管目前单分子蛋白质测序只是概念上的验证，但其商业化正在迅速推进。例如，Quantum Si公司已宣布计划今年推出第一代仪器，并且Meller指出，2022年11月在代尔夫特举行的蛋白质测序会议上有一个专门针对该领域初创企业的讨论组。他说：“这让我想起了第二代DNA测序技术面世前的那些日子。”　　Marcotte是德克萨斯州奥斯汀市蛋白质测序公司Erisyon的联合创始人，他对此持乐观态度。他说：“这已经不是个行不行的问题，而是这项技术几时能送到人们手上。”　　詹姆斯韦勃太空望远镜　　天文学家们从去年开始就翘首以盼，兴奋不已。经过20多年的精心设计和建造，美国国家航空航天局(NASA)与欧洲航天局和加拿大航天局合作，于2021年12月25日成功将詹姆斯韦布太空望远镜(James Webb Space Telescope，缩写JWST)送入轨道。因为仪器设备需要展开并确定第一轮观测的位置，全世界不得不等待了近七个月，JWST才开始正常工作。　　等待是值得的。马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科学研究所天文学家、JWST的望远镜科学家Matt Mountain表示，最初传来的图像超出了他的最高预期。“实际上天空并不空旷——到处都是星系，”他说，“理论上我们知道这一点，但真正看到这一景象带来了别样的情感冲击。”　　詹姆斯韦布太空望远镜(James Webb Space Telescope)的6.5米主镜片(图中展示了18片镜片中的6片)可以探测数十亿光年外的物体。资料来源：NASA/MSFC/David Higginbotham　　JWST的设计是为了接替哈勃太空望远镜的工作。哈勃望远镜可以看到令人惊叹的宇宙景象，但也有盲点：它基本上无法看见在红外范围内具有光信号的古老恒星和星系。要弥补这一点，需要一台高灵敏度的仪器，其灵敏度要能够探测到数十亿光年外发出的极为微弱的红外信号。　　JWST的最终设计包括18个完全光滑的铍质镜片阵列，当其完全展开时，直径为6.5米。Mountain说，这些反射镜的设计非常精密，“要是把一块镜面等比放大到美国那么大，上面的隆起也不超过几英寸(高)。”这些反射镜配有最先进的近红外和中红外探测器。　　这一设计使JWST能够填补哈勃望远镜的空白，包括捕获来自一个有135亿年历史的星系发出的信号，该星系产生了宇宙中最早的一些氧和氖原子。JWST也带来了一些惊喜，例如，它能够测量某些类型的系外行星的大气组成。　　世界各地的研究人员都在排队等待观察时间。英国卡迪夫大学的天体物理学家Mikako Matsuura正在用JWST进行两项研究，调查宇宙尘埃的产生和破坏，这些尘埃可能会导致恒星和行星的形成。Matsuura说，与她所在小组过去使用的望远镜相比，“JWST拥有完全不同的灵敏度和清晰度等级”。她说：“我们看到了这些天体内部正在发生的完全不同的现象——这真令人叹为观止。”　　体积电子显微镜　　电子显微镜(Electron microscopy，EM)以其卓越的分辨率而闻名，但观察的主要是样本的表面。深入研究样本的内部需要将样本切成非常薄的切片，这对于生物学家来说往往不够。伦敦弗朗西斯克里克研究所(Francis Crick Institute)的电子显微镜学家Lucy Collinson解释说，仅覆盖单个细胞的体积就需要200个切片。她说：“如果你只有一个[切片]，你就是在玩统计把戏。”　　现在，研究人员正在将EM的分辨率应用于包含多个立方毫米体积的3D组织样本上。　　此前，从2D的EM图像重建这样体积的样本(例如，绘制大脑的神经连接图)需要经历艰苦的样本准备、成像和计算过程，才能将这些图像转换为多图像堆叠。现在，最新的“体积电子显微镜”技术大大简化了这一过程。　　这些技术有各种优点和局限性。连续切面成像(Serial block-face imaging)是一种相对快速的方法，它使用金刚石刀片在树脂包埋样品上切下一系列薄片，并进行成像，可以处理约1立方毫米大小的样品。然而，它的深度分辨率较差，这意味着生成的体积重建将相对模糊。聚焦离子束扫描电子显微镜(Focused ion beam scanning electron microscopy，FIB-SEM)能制备更薄的薄片样品，因此深度分辨率更高，但更适用于体积较小的样品。　　Collinson将体积电子显微镜的兴起描述为一场“安静的革命”，因为研究人员专注于用这种方法得到的结果，而不是生成这些结果的技术。但这正在改变。例如，2021年，弗吉尼亚州珍利亚研究园区(Janelia Research Campus)从事电子显微镜中细胞器分割(Cell Organelle Segmentation in Electron Microscopy，COSEM)计划的研究人员在《自然》上发表了两篇论文，聚焦了在绘制细胞内部结构方面取得的重大进展[4,5]。“这是一个绝佳的原理论证。”Collinson说。　　COSEM研究计划使用精密的定制FIB-SEM显微镜，在保持良好空间分辨率的同时，可将单个实验中可成像的体积增加约200倍。将这些仪器与深度学习算法结合使用，该团队能够在各种细胞类型的完整3D体积中定义各种细胞器和其他亚细胞结构。　　这种样品制备方法费力且难以掌握，并且由此产生的数据集非常庞大。但这一努力是值得的：Collinson已经看到了该技术在传染病研究和癌症生物学方面产生的见解。她现在正在与同事们合作，探索以高分辨率重建整个小鼠大脑的可行性。她预计这项工作将需要十多年的时间，花费数十亿美元，并产生5亿GB左右的数据。她说：“这可能与绘制第一个人类基因组工作的数据量在一个数量级。”　　CRISPR无限可能　　基因组编辑工具CRISPR–Cas9作为在整个基因组的目标位点引入特定变化的首选方法，在基因治疗、疾病建模和其他研究领域取得了突破，无可非议地享有盛誉。但它的用途多受限制。现在，研究人员正在寻找规避这些限制的方法。　　CRISPR编辑由短链向导RNA(short guide RNA，sgRNA)协调，sgRNA将相关的Cas核酸酶导向其目标基因组序列。但这种酶发挥作用还需要在靶点附近有一种叫做原间隔序列邻近基序(protospacer adjacent motif，PAM)的序列 如果没有PAM，基因编辑很可能会失败。　　在波士顿的马萨诸塞州总医院，基因组工程师Benjamin Kleinstover利用蛋白质工程技术，从化脓性链球菌中制造出常用Cas9酶的“近乎不受PAM序列限制的(near-PAMless)”Cas变体。一个Cas变体需要由三个连续核苷酸碱基组成的PAM，其中腺嘌呤(A)或鸟嘌呤(G)核苷酸位于中间位置[6]。“这些酶现在几乎可以读取整个基因组，而传统的CRISPR酶只读取1%到10%的基因组。”Kleinstover说。　　这种对PAM序列不太严格的要求，增加了编辑“脱靶”的机会，但进一步的蛋白质工程设计可以提高其特异性。作为一种替代方法，Kleinstiver的团队正在设计和测试大量Cas9变体，每个变体对不同的PAM序列表现出高度的特异性。　　还有许多天然存在的Cas变体有待发现。自然条件下，CRISPR–Cas9系统是一种针对病毒感染的细菌防御机制，不同的微生物进化出了具有不同PAM序列偏好的各种酶。意大利特伦托大学的病毒学家Anna Cereseto和微生物组研究人员Nicola Segata梳理了100多万个微生物基因组，鉴定和表征了一组多样的Cas9变体，他们估计这些变体可能总共可以针对98%以上的已知人类致病突变[7]。　　然而，其中只有少数能在哺乳动物细胞中发挥作用。Cereseto说：“我们的想法是测试许多种酶，看看是什么决定因素使这些酶正常工作。”从这些天然酶库和高通量蛋白质工程工作中获得的见解来看，Kleinstiver说，“我认为我们最终会有一个相当完整的编辑工具箱，能让我们编辑任何我们想要的碱基。”　　高精度放射性碳测年　　去年，考古学家利用放射性碳测年技术的进步，对维京探险家首次抵达美洲的确切年份——甚至是季节——进行了研究。荷兰格罗宁根大学的同位素分析专家Michael Dee和他的博士后Margot Kuitems带领的一个团队在加拿大纽芬兰岛北岸的一个聚落中发现了一些被砍伐的木材，通过对这些木材的研究，确定这棵树很可能在1021年被砍伐，而且可能是在春天[8]。　　自20世纪40年代以来，科学家一直在利用有机人工制品的放射性碳测年法来缩小历史事件发生的时间范围。他们通过测量同位素碳-14的痕迹来做到这一点，碳-14是宇宙射线与地球大气相互作用的结果，在数千年中缓慢衰变。但这种技术的精确度通常仅为几十年左右。　　加拿大纽芬兰省兰塞奥兹牧草地(L'Anse aux Meadows)木材的精确放射性碳年代测定显示，维京人于1021年在此地砍倒了一棵树。图片来源：All Canada Photos/Alamy　　2012年，情况发生了变化，日本名古屋大学物理学家三宅芙沙(Fusa Miyake)领导的研究小组发现[9]，公元774到775年之间，日本雪松年轮中碳-14含量显著升高。随后的研究[10]不仅证实了这一时期世界各地的木材样本中都存在这种碳-14含量的显著升高，而且还发现历史上存在至少五次这样的碳-14含量上升，最早的一次可以追溯到公元前7176年。有研究人员将这些碳-14峰值与太阳风暴活动联系起来，但这一假设仍在探索中。　　无论其原因是什么，这些“三宅事件”的存在，能让研究人员通过检测一个特定的三宅事件，然后对此后形成的年轮进行计数，从而准确地确定木制文物的制造年份。Kuitems说，研究人员甚至可以根据最外圈年轮的厚度来确定树木被砍伐的季节。　　考古学家现在正在将这种方法应用于新石器时代聚落和火山爆发遗址的研究，Dee希望用它来研究中美洲的玛雅帝国。在接下来的十年左右，Dee乐观地认为，“我们将对这些古老文明中的许多历史事件有真正精确到年代的完全记录，我们将能够以相当精细的时间尺度谈论这些历史发展。”　　至于三宅，则还在继续寻找历史中的时间标尺。她说：“我们现在正在寻找过去一万年中与公元774到775年的事件相当的其他碳-14升高。”　　单细胞代谢组学　　代谢组学是研究驱动细胞的脂质、碳水化合物和其他小分子的科学，它最初是一套表征细胞或组织中代谢产物的方法，但现在正在转向单细胞水平。科学家们可以利用这些细胞水平的数据，理清大量看似相同的细胞的功能复杂性。但这一转变带来了艰巨的挑战。　　代谢组包含大量具有不同化学性质的分子。欧洲分子生物学实验室的代谢组学研究人员Theodore Alexandrov说，其中一些分子存在的时间非常短暂，代谢周转率为亚秒级别。它们可能很难检测：尽管单细胞RNA测序可以捕获细胞或生物体中产生的近一半的RNA分子(转录组)，但大多数代谢分析仅涵盖细胞代谢产物的一小部分。这些缺失的信息里可能包含了重要的生物学奥秘。　　“代谢组实际上是细胞的活性部分。”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的分析化学家Jonathan Sweedler说，“在疾病状态下，如果你想知道细胞状态，你真的要研究代谢产物。”　　许多代谢组学实验室使用分离的细胞，这些细胞被捕获在毛细管中，使用质谱法单独分析。相比之下，“成像质谱”方法获取了样本中不同位置的细胞代谢产物发生变化的空间信息。例如，研究人员可以使用一种称为基质辅助激光解吸/电离(MALDI)的技术，其中激光束扫过经特殊处理的组织切片，释放出代谢产物，用于随后的质谱分析。这种方法也能捕获样本中代谢物来源的空间坐标。　　Sweedler说，理论上，这两种方法都可以量化数千个细胞中的数百种化合物，但要实现这一目标通常需要顶级的定制硬件设备，成本在百万美元左右。　　现在，研究人员正在普及这项技术。2021年，Alexandrov团队报道了SpaceM，这是一种开源软件工具，它能用光学显微镜成像数据，使用标准商用质谱仪对培养的细胞进行空间代谢组学分析[11]。他说：“我们算是做了数据分析部分的体力活。”　　Alexandrov的团队使用SpaceM对数以万计人和小鼠细胞中的数百种代谢产物进行了分析，并转向标准的单细胞转录组学方法将这些细胞分类。Alexandrov表示，他尤为热情的是后一项工作，以及构建“代谢组学图谱”的想法——类似于为转录组学开发的图谱，以加速该领域的进展。他说：“这绝对是一个前沿领域，并将对科学起到巨大的推动作用。”　　体外胚胎模型　　研究人员现在可以在实验室中制造出人工合成胚胎(下图)，它与8天大的自然胚胎(上图)类似。来源：Magdalena Zernicka Goetz实验室　　科学家们已经在小鼠和人类的细胞水平上详细描绘了从受精卵到完全形成的胚胎这一过程。但驱动这一过程早期阶段的分子机制仍不清楚。现在，“胚状体”模型的一系列活动有助于填补这些知识空白，让研究人员更清楚地了解可以决定胎儿发育成败的重要早期事件。　　该领域一些最精细的模型，来自加州理工学院和英国剑桥大学的发育生物学家Magdalena Zernicka Goetz的实验室。2022年，她和她的团队证明，他们可以完全从胚胎干细胞(embryonic stem cells，ES细胞)中产生植入期的小鼠胚胎[12,13]。　　与所有多能干细胞一样，ES细胞可以形成任何细胞或组织类型，但它们需要与两种类型的胚外细胞密切相互作用才能完成正常的胚胎发育。Zernicka-Goetz团队研究出了诱导ES细胞形成这些胚外细胞的方法，并表明这些细胞可以与ES细胞共培养，以产生胚胎模型，该模型的成熟度是以前的体外实验无法达到的。“它就如你能想象的胚胎模型那样。”Zernicka Goetz说，“我们的胚胎模型发育出一个头部和心脏——而且还在跳动。”她的团队能够利用这个模型来揭示个别基因的改变如何破坏正常的胚胎发育。　　经过工程设计用于模拟胚胎8细胞期的细胞构成的胚状体。来源：M.A Mazid et al./Nature　　在中国科学院广州生物医药与健康研究院，干细胞生物学家Miguel Esteban和同事们正在采取一种不同的策略：重新编程人类干细胞，以模拟最早的发育阶段。　　Esteban说：“我们最初的想法是，实际上甚至制造合子也是可能的。”该团队没能完全实现这一点，但他们的确发现了一种培养策略，能使这些干细胞回到类似于8细胞期人类胚胎的状态[14]。这是一个至关重要的发育期里程碑，与基因表达的巨大变化相关，最终产生不同的胚胎细胞和胚外细胞谱系。　　尽管还不完美，但Esteban的模型展示了自然状态下8细胞期胚胎中细胞的关键特征，并凸显了人类和小鼠胚胎如何启动向8细胞期阶段转变之间的重要差异。Esteban说：“我们发现，一种甚至在小鼠体内都没有表达的转录因子，调节着整个转化过程。”　　结合起来，这些模型可以帮助研究人员描绘出仅仅几个细胞是如何发育为高度复杂的脊椎动物躯体的。　　在许多国家，对人类胚胎的研究只能在发育14天以内进行，但在这些限制条件下，研究人员仍有许多工作可做。Esteban说，非人类灵长类动物模型提供了一种可能的替代方案，而Zernicka-Goetz说，她的小鼠胚胎策略也可以产生发育到第12天的人类胚胎。她说：“在这个我们能研究的胚胎阶段，仍有很多问题有待提出。”　　参考文献：　　1. Swaminathan, J. et al. Nature Biotechnol.36, 1076–1082 (2018).　　2. Reed, B. D. et al. Science 378, 186–192 (2022).　　3. Brinkerhoff, H., Kang, A. S. W., Liu, J., Aksimentiev, A. & Dekker, C. Science 374, 1509–1513 (2021).　　4. Heinrich, L. et al. Nature 599, 141–146 (2021).　　5. Xu, C. S. et al. Nature 599, 147–151 (2021).　　6. Walton, R. T., Christie, K. A., Whittaker, M. N. & Kleinstiver, B. P. et al. Science 368, 290–296 (2020).　　7. Ciciani, M. et al. Nature Commun. 13, 6474 (2022).　　8. Kuitems, M. et al. Nature 601, 388–391 (2022).　　9. Miyake, F., Nagaya, K., Masuda, K. & Nakamura, T. Nature 486, 240–242 (2012).　　10. Brehm, N. et al. Nature Commun. 13, 1196 (2022).　　11. Rappez, L. et al. Nature Methods 18, 799–805 (2021).　　12. Amadei, G. et al. Nature 610, 143–153 (2022).　　13. Lau, K. Y. C. et al. Cell Stem Cell 29, 1445–1458 (2022).　　14. Mazid, M. A. et al. Nature 605, 315–324 (2022).　　原文以Seven technologies to watch in 2023为标题发表在2023年1月23日《自然》的技术特写版块上

目前，由于磁共振技术能够准确、快速和无破坏地获取物质的组成和结构信息，已被广泛用于基础研究和医学应用等多个领域。　　但是，当前通用的磁共振谱仪受制于探测方式，其研究对象通常为数十亿个分子，成像分辨率仅为毫米量级，无法观测到单个分子的独特信息。　　近日，中国科学技术大学教授杜江峰领衔的研究团队将量子技术应用于单个蛋白分子研究，利用钻石中的一种特殊结构做探针，首次在在室温大气条件下，获得了世界上首张单蛋白质分子的磁共振谱。该成果使利用基于钻石的高分辨率纳米磁共振成像诊断成为可能。　　该研究成果于3月6日发表在《科学》上，同期《科学》&ldquo 展望&rdquo 栏目专文报道评价&ldquo 此工作是通往活体细胞中单蛋白质分子实时成像的里程碑&rdquo 。　　此前的研究显示，基于钻石的新型磁共振技术能将研究对象推进到单分子，成像分辨率提升至纳米级。但实现这一目标面临诸多挑战，主要是单分子信号太弱难以探测。　　之后，杜江峰研究团队利用钻石中的氮&mdash 空位点缺陷作为量子探针(以下简称&ldquo 钻石探针&rdquo )，选取了细胞分裂中的一种重要蛋白为探测对象。首先将蛋白从细胞中分离并将标记物(氮氧自由基)固定在蛋白的特定位置，然后将此蛋白分子放置到钻石表面，此时标记物距离&ldquo 钻石探针&rdquo 约10纳米，会产生仅相当于地磁场十六分之一的极微弱的磁信号。&ldquo 钻石探针&rdquo 具有感知极弱磁信号的能力，在激光和微波操控下，它形成一个量子传感器，将单分子信号转化为光学信号而加以检测。　　经过两年多的努力，最终他们成功地在室温大气条件下首次获取了单个蛋白质分子的磁共振谱，并通过对比不同磁场下的多组磁共振谱的特征，获取了此蛋白质分子的动力学性质。　　随后，《科学》杂志将该工作选为当期亮点并配以专文报道，盛赞其&ldquo 实现了一个崇高的目标&rdquo &ldquo 能够有效克服以往测蛋白分子结构时需要提纯和长成单晶的困难，并且能够实现对单蛋白分子在细胞内的原位检测&hellip &hellip 是通往活体细胞中单蛋白质分子实时成像的里程碑&rdquo 。　　此前，杜江峰组已成功探测到金刚石体内两个13C原子核自旋，并通过刻画其相互作用强度以原子尺度分辨率解析出了这两个同位素原子的空间取向，向单核自旋磁共振谱学和成像迈出了重要一步。　　另外，杜江峰教授通过与德美研究组合作，检测到(5nm)3有机样品中质子信号，取得纳米尺度核磁共振技术的突破性进展。同期的《科学》&ldquo 展望&rdquo 栏目专文评论为&ldquo 基于钻石的纳米磁探针，将磁共振成像的可探测体积到单个蛋白质分子水平&rdquo 。　　据了解，该研究不仅将磁共振技术的研究对象从数十亿个分子推进到单个分子，并且&ldquo 室温大气&rdquo 这一宽松的实验环境为该技术未来在生命科学等领域的广泛应用提供了必要条件，使得高分辨率的纳米磁共振成像及诊断成为可能。　　&ldquo 这项技术最直接的用途是在不影响蛋白质性质的前提下检测其结构和动力学性质，直接在细胞膜上或细胞内研究蛋白质分子。&rdquo 杜江峰表示，这对生命科学研究来说有极大吸引力。　　因此，该技术有望帮助人们从单分子的更深层次来探索生命和物质科学的机理，对于物理、生物、化学、材料等多个学科领域具有深远的意义。　　据介绍，以此为基础，和扫描探针、高梯度磁场等技术结合，未来可将该技术应用于生命及材料领域的单分子成像、结构解析、动力学监测，甚至直接深入细胞内部进行微观磁共振研究。　　该研究获得了国家自然科学基金项目的支持。

近日，国家自然科学基金重大科研仪器项目《多核素同步一体化肿瘤分子成像仪器研制》启动会在黑龙江哈医大四院举行。　　 该项目的顺利实施，有望为恶性肿瘤基础科学及诊疗研究提供全新的设备平台及方法，提供新的科学依据及技术支撑，推动肿瘤研究的发展。　　国家自然科学基金重大科研仪器项目是国家基金委迄今为止资助强度最大的项目(额度8500万元)。该项目首次由医生(哈医大四院院长申宝忠教授)担任首席科学家组织实施。　　据悉，哈尔滨医科大学作为依托单位，联手北京大学、上海交通大学、华中科技大学等国内顶尖的大学及科研院所，通过在活体上实现多核素同步一体化成像，即通过研发全新的多核素同步一体化核素激发、采集、控制和成像等关键技术部件及系统，得到多核素在肿瘤内的图像，揭示肿瘤的关键分子靶点、能量代谢、离子动态平衡以及生长微环境等信息。　　该项目由于有重大理论创新及关键技术突破，仪器设计思想和实施方案得到国家基金委、国家科技部专家的高度评价 同时，中国医学影像仪器设备研发生产的龙头企业上海联影医疗集团迅速跟进，将此项目作为该公司合作的重点项目，寻求应用转化。

近年来，岛津公司着力于分子成像技术的发展与进步，推出了一系列创新性分子成像技术，为疾病早期诊断、药物研发水平新一轮的大幅提升，做好了充分的技术准备，引起业界专家学者高度关注。 7月16日、18日，100余位来自中科院、高校、医科院、药物所等国内相关研究领域的知名专家与岛津特邀海外学者，分别在上海和北京就岛津最新分子成像展开了广泛深入的交流。交流主题包括质谱成像技术新突破&mdash &mdash 微组织成像，以及岛津小动物活体成像全面解决方案。上海交流会现场北京交流会现场 本次交流会由岛津生命科学与临床医学部胡晓慧女士主持。生命科学与临床医学部部长刘志牛首先致欢迎词。刘部长在对前来参会的各位专家表达感谢后，特别期待岛津公司不断推出的极具特色的解决方案，通过此次与国内外专家的交流探讨，更全面地为中国生命科学与临床医学领域的发展做出贡献。岛津生命科学与临床医学部部长刘志牛先生致辞 本次交流会特别邀请了海外三位MS成像研究方面知名教授做大会报告。他们分别是，日本滨松医科大学Mitsutoshi Setou教授，岛津公司国际市场部Tsukasa Takeuchi先生及Bioscan公司总裁Van Cauter先生。Setou教授报告了质谱成像技术在临床研究中的应用进展。质谱成像研究近几年呈上升趋势。岛津公司的新产品质谱显微镜iMScope（显微镜+离子阱TOF）将光学成像与质谱成像相结合，为科研工作者提供更高的空间分辨率5um，更快的扫描速度，和卓越的成像数据分析软件。多级MS是鉴定物质结构的有力保障。使小分子成像，如脂类成像更容易。可直接观察生姜单细胞内有效物质成像分布等。日本滨松医科大MitsutoshiSetou报告 Takeuchi先生报告了深部荧光成像技术进展，以及岛津近红外荧光活体成像系统OPT plus。光学成像技术相比其他技术如PET或CT具有自己的独特优势。使用简单、快速。无需特殊设备或装置，可同时监测多组分物质。无需使用放射性同位素，对使用者来说更加安全。可以从5个方向深度观察小动物成像。光学成像市场正在稳步扩大中。岛津国际市场部 Tsukasa Takeuchi先生报告 Cauter先生报告了非侵入式全三维光学断层扫描及分子MRI技术在新药研发及基础医学领域的应用。Bioscan与岛津公司基于对分子成像技术发展进步的共同深入认识，达成战略合作伙伴，共同发展促进体内、体外成像技术。体内成像能够更为有效的观察药物在活体内的作用情况。高空间分辨率、深度组织检测是研究活体成像必备条件。Bioscan提供全面的解决方案和产品线。Bioscan公司总裁Van Cauter先生 在交流现场，参会专家极为关注岛津最新分子成像技术的动态。在每个报告结束时，多位知名专家就感兴趣的技术、应用与报告人做了长时间、高水准的探讨，现场气氛活跃，学术氛围浓厚。 关于岛津 岛津企业管理（中国）有限公司是（株）岛津制作所为扩大中国事业的规模，于1999年100%出资，在中国设立的现地法人公司。 目前，岛津企业管理（中国）有限公司在中国全境拥有13个分公司，事业规模正在不断扩大。其下设有北京、上海、广州、沈阳及成都5个分析中心；覆盖全国30个省的销售代理商网络；60多个技术服务站，构筑起为广大用户提供良好服务的完整体系。 岛津作为全球化的生产基地，已构筑起了不仅面向中国客户，同时也面向全世界的产品生产、供应体系，并力图构建起一个符合中国市场要求的产品生产体制。 以&ldquo 为了人类和地球的健康&rdquo 为目标，岛津人将始终致力于为用户提供更加先进的产品和更加满意的服务。 更多信息请关注岛津公司网站http://www.shimadzu.com.cn/an/。

磁学是物理学古老的研究领域之一，也是具生命力的发展领域，利用电子自旋的研究来推进数据的存储、传输和计算等多方面的应用进展一直是科研工作者执着追求且不断探索的方向。 在众多研究过程中，电子自旋结构的成像与可控操作成为磁学领域研究的巨大挑战。与之相关的电子自旋现象包括斯格明子、刺猬状自旋结构、磁通漩涡等，其中，磁通漩涡电子自旋结构是研究多位磁学存储介质的一个重要现象。以往关于磁通漩涡中心性反转的研究工作都是针对微米尺度开展的，纳米尺度的磁通漩涡中心性反转工作目前仍需进一步探索和研究。 Elena P. 等人利用德国attocube公司的低温强磁场磁力显微镜—attoMFM在实验中清晰的观测到了25nm尺寸单个分子中磁通漩涡中心性反转现象。为了实现纳米尺寸单分子中磁性研究，Elena等人选取的纳米尺寸磁性分子为K0.22Ni[Cr-(CN)6]0.74体系。该体系分子尺寸可控制调整，且具有易于制备的特点。研究单分子纳米尺度的磁性，具备低噪音、高灵敏度、以及较高的空间分辨率等特征的磁性表征技术就显得为重要。德国attocube公司的低温磁力显微镜attoMFM可提供可变磁场的环境，是实现纳米磁性分子在低温下磁通漩涡性质表征与操控的有力设备。如下图实验数据，只需通过施加很小的外加磁场（600 Ｏｅ左右），单分子中的磁通漩涡就可实现中心性反转。在４.２ Ｋ的低温环境中，通过施加连续变化的外加磁场与attoMFM成像的实验数据分析，可观察到纳米单分子磁通漩涡磁性随着外加磁场发生清晰的中心性反转。attoMFM实验观测到纳米分子中磁通漩涡中心性反转 下图为具有纳米别高分辨率的磁力成像结果。图中清晰显示了分子的磁力分布情况。原本分子磁通漩涡中心性导致在垂直方向磁力分布可被外加微小磁场改变（下图中的白色部分表明，经过磁场施加针样品由排斥力转变为吸引力）。另外，作者也详细分析研究了不同尺寸单个分子中的磁通漩涡中心性反转机制。attoMFM直接观察到NP4单分子磁通漩涡中心性反转 作者预见，该次实验结果中纳米尺寸单分子的磁通漩涡中心性转换的特性可能为未来数据存储开创新篇章，数据的读写可以通过很小的磁场来操纵。 相关产品：低温强磁场原子力/磁力/扫描霍尔显微镜 - attoAFM/attoMFM/attoSHPM系统：http://www.instrument.com.cn/netshow/C159542.htmAttocube低温强磁场扫描近场光学显微镜：http://www.instrument.com.cn/netshow/C81740.htm

岛津企业管理（中国）有限公司与美国Bioscan公司达成协议，于5月15日开始销售该公司的分子成像设备。 分子成像设备是通过对实验小动物（小鼠，裸鼠）注射分子探针，从而反应目标活体机能或和目标分子进行结合。并通过图像阐明疾病发生机理，加速新药开发。 美国Bioscan公司是分子成像设备的专业厂商，在欧美占有很高的市场份额。通过此次强强联手，岛津企业管理（中国）有限公司将通过销售Bioscan的产品进入中国的分子成像市场，以便为客户提供高品质的产品及相关服务。岛津中国· 古泽社长与Bioscan公司Staf van Cauter总裁合影 自本月起，岛津开始销售以下Bioscan分子成像产品。实验小动物用荧光断层装置BioFLECTBioFLECT/CT实验小动物用核磁共振成像装置（MRI）MRS 1500MRS 3000随着合作深入，双方将不断加强更多产品的合作。 此次合作的产品系列中，实验小动物用荧光断层装置　BioFLECT，BioFLECT/CT（注1）（FLuorescence Emission Computed Tomography） 作为小动物用光成像设备，是世界上第一台可以360° 断层扫描的设备。 实验小动物用光成像作为活体分子探针成像设备（体内成像设备）的一种，被广泛应用于生命科学领域。 以往的光成像设备很难得到活体的深部信息，体内成像很难得到解剖学的位置信息。BioFLECT通过360° 的荧光断层扫描，可以得到高分辨率的荧光断层图像。 BioFLECT/CT 在BioFLECT上配备了一体型X射线CT，可以得到X射线图像和荧光断层图像相融合的精确图像。 实验小动物用核磁共振成像设备MRS 1500（1.5特斯拉），MRS 3000（3特斯拉） MRS系列尽管使用超导磁体，紧凑机身设计无需液氮制冷、无需屏蔽设施即可进行检测的MRI设备。 生命维持系统（Minerve系统）可通用于Bioscan公司其他活体成像设备上，因此将小动物固定于生命维持架上，便可在Bioscan其他设备上进行成像观察。 Shimadzu Corporation Agrees to Represent Bioscan Molecular Imaging Products in China Washington, DC, USA and Shanghai, China - May 28, 2013 &ndash Earlier this month, Shimadzu Enterprise Management (China) Co., Ltd. (&ldquo Shimadzu&rdquo ) andBioscan, Inc. (&ldquo Bioscan&rdquo ) reached an agreement enabling Shimadzu to distribute Bioscan&rsquo s molecular imaging products in China. Shimadzu began representing the Bioscan product line on May 15th. Preclinical molecular imaging uses molecular biomarkers in animals to conduct in vivo studies that generate more relevant, consistent biological data while reducing research cost and complexity. The result is more efficient, effective research into disease characteristics, new diagnostics and new therapies. Washington, DC-based Bioscan is a well-established supplier of molecular imaging devices, with a strong market share in Europe and North America. Through its partnership with Bioscan, Shimadzu Enterprise Management (China) Co., Ltd. will provide Chinese research customers with high quality products and related services. Caption: Mr. Furusawa, President of Shimadzu China and Staf van Cauter, President and CEO of Bioscan shake hands after concluding the distribution agreement Shimadzu will be focusing on several of Bioscan&rsquo s molecular imaging products:BioFLECT and BioFLECT/CT small animal true-360° fluorescence tomography scannersMRS 1500 and MRS 3000 small animal molecular magnetic resonance imaging (MRI) scannersBioPET/MR combination positron emission tomography (PET) and MRI scannersThe two companies plan to extend the collaboration to more products over time.With the new BioFLECT (FLuorescence Emission Computed Tomography) scanner, Bioscan enables researchers to realize the full potential of in vivo optical imaging for the first time. With BioFLECT' s true 360° tomographic system, researchers no longer have to choose between imaging only near the surface of the subject and partial tomography solutions that distort the subject or create artifacts. Instead, the BioFLECT provides uniform sensitivity and resolution throughout the subject. For the first time, researchers will be able to examine deep tissue phenomena such as spontaneous metastases without sacrificing image quality or quantitative accuracy. With the optional upgrade to integrated, inline X-Ray CT, researchers will gain anatomical correlation data that will significantly improve the segmentation and resolution of the optical image. Caption: Bioscan&rsquo sBioFLECT/CT (FLuorescenceEmission Computed Tomography) Scanner. Bioscan&rsquo spreclinical molecular MRI systems, the MRS 1500 (1.5T) & MRS 3000 (3.0T), rely upon innovative, cryogen-free superconducting magnets that have virtually no fringe field, enabling safe use of the system in any facility and by any operator. Designed to work withBioscan' smolecular imaging modalities (PET, SPECT and FLECT), these MRI systems deliver powerful performance and ease-of-use. The MRS 1500 and MRS 3000 systems are compact with a small footprint design and can be placed within 1-2m of another imaging system. All Bioscan systems utilize common animal handling and image analysis solutions, enabling multimodality use with other Bioscan systems. About Bioscan Bioscan is a leading supplier of preclinical, nano-tomographic molecular imaging solutions that enable groundbreaking life sciences research. Preclinical imaging uses molecular biomarkers in animals to conduct in vivo studies that generate more relevant, consistent biological data while reducing research cost and complexity. Bioscan&rsquo s innovative nuclear (PET & SPECT), 3D optical, ultrasound, X-Ray CT and MRI imaging tools are used by more than 100 leading academic and government research institutions and life sciences companies worldwide to improve their disease, drug discovery and development research. The unique imaging performance enabled by Bioscan&lsquo s patented technologies makes it possible to translate research protocols and results directly from animal models of diseases to human clinical trials, enabling faster, more efficient development of new diagnostics and therapies. Bioscan is a privately held company based in Washington, DC, USA. www.bioscan.com 关于岛津 岛津企业管理（中国）有限公司是（株）岛津制作所为扩大中国事业的规模，于1999年100%出资，在中国设立的现地法人公司。 目前，岛津企业管理（中国）有限公司在中国全境拥有13个分公司，事业规模正在不断扩大。其下设有北京、上海、广州、沈阳、成都分析中心；覆盖全国30个省的销售代理商网络；60多个技术服务站，构筑起为广大用户提供良好服务的完整体系。 岛津作为全球化的生产基地，已构筑起了不仅面向中国客户，同时也面向全世界的产品生产、供应体系，并力图构建起一个符合中国市场要求的产品生产体制。 以&ldquo 为了人类和地球的健康&rdquo 为目标，岛津人将始终致力于为用户提供更加先进的产品和更加满意的服务。 更多信息请关注岛津公司网站www.shimadzu.com.cn/an/ 。