力学感知光镊系统

光学镊子简称光镊，顾名思义，它是利用激光作为操作手段，能够像镊子一样对微观物体进行抓取、捕获、操纵。2018年，阿什金教授在光镊技术领域的开创性贡献获得诺贝尔物理学奖。经过二十多年的发展，气溶胶光镊测量技术，完成了从实验室萌生，到光学技术平台的构建、测量方法的建立等一系列过程，英国目前已经推出了第一代气溶胶光镊仪器（2016，AOT100）。据了解，北京理工大学环境分子科学分子光谱实验室，自2008年开始搭建气溶胶光镊受激拉曼光谱仪器，经过十多年的积累，在仪器的测量精度、重现性、稳定性方面都取得很大进展，已经搭建3套光镊仪器。下面我们走进北京理工大学环境分子科学实验室，了解张韫宏教授实验室搭建的单光束光镊与受激拉曼光谱联合测量系统。第十二届光谱网络会议（iCS2023） 期间，张韫宏教授将在6月15 日下午分享《 单液滴原位物理化学过程的拉曼测量》， 立即报名 》》》 北京理工大学 张韫宏教授《单液滴原位物理化学过程的拉曼测量》（6月15日下午开讲 点击预约席位）张韫宏，北京理工大学化学与化工学院教授，霍英东优秀青年教师基金获得者，入选教育部跨世纪人才培养计划，《光谱学与光谱分析》常务编委；《光散射学报》编委，全国分子光谱专业委员会委员。研究方向为气溶胶物理化学，光谱分析，大气物理化学，分子谱学，胶体与界面化学，结构化学，超分子化学。张韫宏教授课题组多年来一直致力于与环境问题密切相关的大气气溶胶吸湿性的研究，完成国家自然科学基金重点项目1项，面上项目7项，承担国家自然科学基金重大研究计划重点项目1项，面上项目1项。课题组建立了气溶胶流管AFT（Aerosol Flow Tube）结合FTIR观测、气溶胶FTIR-ATR原位探测、压力脉冲技术-快速扫描真空FTIR检测、单液滴光镊悬浮探测、气溶胶液滴两次聚焦共焦拉曼探测等光谱学方法，开展了气溶胶吸湿性、风化动力学过程、非均相化学反应过程等方面的研究，实现了吸湿增长因子、风化结晶速率、分子扩散系数、反应摄取系数等基本理化参数测量。近十几年来在Atmospheric Chem Phys、Anal. Chem.、EST、J. Phys. Chem. A、Phys. Chem. Chem. Phys和化学通报等国内外高水平杂志上发表论文百余篇，被SCI他人引用1500余次。研究论文被EST（2019年11期）和PCCP（2005年14期）选为封页。【摘要】 微液滴是大气气溶胶的一种主要存在形式，与大气水分子、痕量气体时刻发生气液分配和气液化学反应过程，液滴内部也存在风化结晶、传质受阻等过程，本报告主要内容是如何利用拉曼光谱技术，开展气溶胶液滴的物理化学动态过程研究，包括过饱和状态下离子对的形成、风化相变过程、扩散系数测量、pH值测量、反应动力学摄取系数测量等方面的内容。由仪器信息网主办，中国仪器仪表学会近红外光谱分会、中国生物物理学会太赫兹生物物理分会等协办由仪器第十二届光谱网络会议（iCS2023）将于6月13-16日举办。iCS2023将聚焦最新、最前沿的光谱技术及应用，特别设立了超快/瞬态光谱最新技术及应用进展、高光谱技术及应用新进展、光谱快检及在线应用技术进展等专场。同时会议也会选择光谱技术在生命科学、环境、材料等领域的应用进展进行深入探讨，为国内外光谱科研工作者及专业技术人士提供一个全新、高效的沟通交流平台，以促进业内交流，提高光谱研究及应用水平。点击立即报名 》》》 报名链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/ics2023/

气溶胶是悬浮在大气中的固态或者液态的颗粒物，极大地影响气候变化、人体健康和大气化学反应过程。不同于伦敦雾和洛杉矶光化学烟雾污染，我国雾霾污染是复合型霾化学机制，存在成分复杂、机制不清状况，需要建立精确的测量方法，获得气溶胶的重要物理化学参数。面对气溶胶对太阳能辐射平衡的不确定性、雾霾关键理化参数的缺失，在迫切期待获得气溶胶的浓度、折射率、吸湿性、挥发性、反应性的数据时，气溶胶光镊应运而生。经过二十多年的发展，气溶胶光镊测量技术，完成了从实验室萌生，到光学技术平台的构建、测量方法的建立等一系列过程，英国目前已经推出了第一代气溶胶光镊仪器（2016，AOT100）。光学镊子简称光镊，顾名思义，它是利用激光作为操作手段，能够像镊子一样对微观物体进行抓取、捕获、操纵。2018年，阿什金教授在光镊技术领域的开创性贡献获得诺贝尔物理学奖。图1 光镊-受激拉曼光谱装置示意图气溶胶光镊如图1所示，以532nm激光作为光源，激光经过100倍油镜（1.25数值孔径），形成光阱能够稳定捕获悬浮单液滴，球形液滴作为一个光学共振腔能够产生很强的受激拉曼信号，即耳语回音模式（WGM），水的OH伸缩振动自发拉曼峰出现在620-660 nm，在水的自发拉曼峰上，会出现4-8组尖锐的受激拉曼共振峰，采用米氏散射模型对受激拉曼信号进行拟合，就能够精确给出悬浮液滴的半径和折射率，具有极高的精度。可以说，气溶胶光镊技术是当前大气气溶胶的物理化学参数最精确的测量技术，它的独特性和精准性，体现在以下几个方面：（1）激光悬浮单个微米尺度的液滴，能稳定悬浮几天的时间，特别适合气溶胶各种老化过程和反应过程的长时间检测；（2）受激拉曼的测量可以提供悬浮液滴半径、折射率、浓度的精准信息，半径的精度可以超过1nm、折射率可达± 2×10-4、浓度的精度可以达到千分之一水平半径（5微米的液滴）。目前，本课题组采用自行搭建的光镊-受激拉曼光谱装置开展了以下几个方面的研究：（1）半挥发性有机物（SVOC）的饱和蒸气压测量，测量范围在10-2到10-7pa；（2）气溶胶液滴中的相分离过程分析；（3）高粘态气溶胶非平衡态动力学传质；（4）痕量气体与液滴反应动力学速率常数测量，能判断痕量气体与悬浮液滴之间的反应，是表面反应还是体相反应。（光镊技术在气溶胶物理化学表征中的应用，中国光学，doi: 10．3788 /CO.20171005.0641 ）特别是，我国雾霾事件中二次硫酸盐生成速度严重被低估，不清楚低二氧化硫排放条件下，为什么还有大量硫酸铵形成。作为一个突出案例，我们通过光镊受激拉曼的测量发现，气溶胶的气液界面加快了过渡金属离子催化SO2氧化过程，痕量的Fe（III）和Mn（II）可以使转化速率提升1000倍。对各种条件如液滴的pH、反应场所、离子强度、氧化剂种类、温度、化学组成是如何影响转化速率的，光镊受激拉曼技术都可以给出明确的分析。（Directly measuring Fe(III)-catalyzed SO2 oxidation rate in single optically levitated droplets，RSC Environ. Sci: Atmos. 2023，https://doi.org/ 10.1039/d2ea00125j ）。另外一个案例，我们利用受激拉曼光谱的高精度，确定了氧化过程到底是发生在表面，还是液滴内部。我们观测了SO2与悬浮硫酸铵单液滴的自氧化反应过程，实现了单液滴中反应引起的纳米级尺寸变化的精确测量，进而给出了反应的动力学参数。通过精确控制环境相对湿度（RH）、反应气体（SO2、NH3）浓度，我们考察了液滴pH（~3.5-~5.5）、离子强度（最高~40 mol/kg）对SO2自氧化过程的影响。在RH、反应物浓度恒定条件下，反应速率在不同的pH区域内表现出不同的变化趋势：pH 4.5时，速率随pH的增大而增大，即与[H+]-1成正比；pH 4.5是反应速率维持恒定，不受pH的影响。据此我们推断在两个pH范围内，SO2自氧化通过不同的机制进行，前者为体相反应过程，后者为表面反应过程。为进一步验证此推断，我们进一步考察了体相、表面条件下，液滴反应过程中半径变化率（dr/dt）与液滴半径（r）的依变关系。结果表明：对于体相条件（pH = 5.04），反应过程中液滴的dr/dt随着液滴半径的增大而增大；而对于界面条件（pH = 3.83），不同半径液滴的dr/dt为常数。由此证明了在这两种条件下，SO2的自氧化过程确实是存在着体相、界面两种反应机制。上述发现不仅为深入认识大气溶胶诸如硫酸盐生成之类的气粒转化问题提供了新的理论视角，也再次证明光镊-受激拉曼光谱技术是研究气溶胶物理化学过程的一个优异手段。（Rapid sulfate formation via uncatalyzed autoxidation of sulfur dioxide in aerosol microdroplets. Environ. Sci. Technol. 2022, 56, 7637-7646） 气溶胶光镊测量液滴的质量在纳克级，液滴的半径精度优于1nm，折射率精度在10-4量级，该仪器在气溶胶计量科学中前景无量。北京理工大学环境分子科学分子光谱实验室，自2008年开始搭建气溶胶光镊受激拉曼光谱仪器，经过十多年的积累，在仪器的测量精度、重现性、稳定性方面都取得很大进展，已经搭建3套光镊仪器，应用于科学研究，培养了一批高水平人才队伍，2022年获得国家自然科学基金重大仪器项目资助，在高端仪器国产化方面进行孵化，力图形成具有自主知识产权的光学仪器。（作者：北京理工大学化学与化工学院 陈哲 曹雪 刘雨昕 刘湃 黄启燊 张韫宏 ）北京理工大学分子光谱实验室简介：北京理工大学分子光谱实验室成立于2003年，隶属于北京理工大学化学与化工学院化学物理研究所。实验室拥有Renishaw共聚焦拉曼光谱仪、Nicolet红外光谱仪、VERTEX 80V真空红外光谱仪、Nicolet iN10显微红外光谱仪、Tweez250si多光阱光镊系统、比表面仪、高速摄像仪等多种先进仪器设备，自主搭建了3台气溶胶光镊受激拉曼仪器。实验室在张韫宏教授带领下，科研队伍逐年壮大。现已经拥有博士生导师2名，副教授1名，预聘助理教授2名，博士后、在读博士、硕士研究生十余名。主要围绕大气物理化学，开展颗粒物形成机制研究。

4月28日，由河北省科技厅组织的“地震感知报警系统”科技成果鉴定会在秦皇岛市经济技术开发区举行。来自中国地震、建筑、电力电子与工程控制领域的专家一致认为，该系统可以提前10秒感知地震信息，为震前逃生和自救赢得宝贵时间。　　据悉，该系统由中国民企前景光电技术有限公司自主研发，鉴定委员会由中国地震局全国地震灾害评估委员会委员、国家自然科学基金委“重大工程动力灾变”重大科学计划指导专家组副组长杜修力等7位专家组成，并认定：该项目对于减灾防灾具有积极的作用，具有良好的社会经济效益和应用前景，技术达到国际先进水平。经河北省科技厅科技信息情报所科技查新认定，在国内外文献中未见报道。　　据介绍，该系统由地震感知工作站、地震应急救生器和城市地震信息收集统计分析中心三部分构成。根据不同地区的地壳厚度及震源深浅不同，可提前10—30秒感知地震信息，并自动报警提醒逃生。按照覆盖面的需要，地震感知工作站可区别家庭、小区、城市等各种范围进行装备。　　在随后举行的新闻发布会上，秦皇岛前景光电技术有限公司总经理陈忠林回答中外记者提问时透露，该企业研发的家用地震感知报警仪、地震应急救生器即将投放市场。地震应急救生器是集手机充电、广播、切割安全带等多功能为一体的救生器。一个家庭配备一个地震应急救生器，只需要人民币400到500元。　　此外，该公司自主研发的“电梯地震监测系统”同时通过专家鉴定。此系统基于第三代移动通讯技术研发，由电梯地震监测仪和电梯地震监测网两部分构成，采用角度自动智能判断技术及同城网络式地震信息综合分析技术，具有地震信息快速网络自动播报功能。经河北省科技厅科技信息情报所科技认定，在国内外也属首创。

长光辰英推出的SC-catcher单细胞显微光镊操纵与分选系统，集显微成像、光镊操纵与细胞分选于一体，为科研工作者带来前所未有的细胞操控体验。产品优势 超高精度显微操纵：应用光镊技术，在显微镜下精准实现单细胞/单颗粒的捕获，并操控其进行移动和分离，单细胞得率＞95%。 高活性单细胞分离：光镊技术具有低损伤的特点，能够最大程度保持细胞的原位状态、生长活性及代谢功能，单细胞培养成活率＞90%。 单液滴按需生成：可根据用户需求，有选择地将一个或多个目标细胞包裹在同一个液滴中进行下游实验，例如细胞互作研究。现在，我们正式向广大科研人员发出邀请，参与我们的Demo实验征集活动！活动时间：2024年5月11日至2024年5月31日目标人群：希望利用SC-catcher开展研究工作的科研人员参与方式1.在线提交一份SC-catcher单细胞显微光镊操纵与分选系统的应用需求表。2.辰英的小伙伴将即刻与您联系，送出辰英定制的精美礼品。3.长光辰英的应用科学家们将提供技术支持和咨询服务，协助实验方案的设计。4.您的Demo需求一旦通过审核，您还将享受价值5000元的光镊Demo实验服务。加入我们的SC-catcher Demo征集活动，开启您的微观世界探索之旅，与全球科研工作者一起，推动生命科学的新发展！扫描二维码，提交您的需求吧！

用于单细胞分析的微结构光纤探头如何才能实现在显微镜下捕获和控制类似生物分子甚至活细胞等微小物体？在过去的几十年里，光镊已经成为科学上的既定工具，用于捕获粒子或分析单个分子之间的最小作用力和相互作用。通过集成光纤和衍射微光学，可以推进光镊的进一步发展和小型化。在此基础下，斯图加特大学的研究人员使用Nanoscribe双光子聚合技术（2PP）实现在光纤上进行2.5D菲涅耳透镜和叠堆3D透镜系统的微纳加工。2018年，Arthur Ashkin因“光镊及其在生物系统中的应用” 荣获诺贝尔物理学奖。事实上，在过去几十年中，这项突破性技术不仅在生物学领域，在许多需要捕获、操纵微观和亚微观粒子或将其放置在特定位置的科学领域，都已成为一种成熟的工具。此外，科学家也使用这些光学陷阱来测量最小的分子相互作用和作用力，如DNA的弹性等。光镊的基本原理是通过光束的小吸引力和排斥力来捕获折射率与周围介质不同的粒子。 光纤端面上打印光镊通常情况下，光镊需要借助庞大且昂贵的设置，例如高数值孔径的物镜。而现在，斯图加特大学的科学家们已经开发了一种高效的小型化光镊，即通过基于双光子聚合（2PP）技术的Nanoscribe微纳加工系统直接打印到光纤末端。这些在光纤上打印的光阱被放置在双光束反向传播装置中。这意味着，两个带有附加光学捕捉系统的光纤端彼此直接相对对齐，并且可以在反向传播激光源的两个焦点相交处捕获粒子。利用光纤端面上打印光镊，研究人员证明了在水中1µm和500 nm聚苯乙烯珠的高效粒子捕获。 2.5D 菲涅耳透镜和堆叠 3D 透镜组设计科学家们设计并优化了三个工作距离分别为 50、100 和 200 微米的光纤粒子捕捉系统。使用 Nanoscribe Photonic Professional 微纳加工系统，他们将这些光学透镜直接打印在光纤的切割端。这些 3D 打印光学设备的主要架构由两部分组成。在第一部分扩展了在光纤中引导的光束，这对于达到目标工作距离和相关高数值孔径是必需的。然而，光镊的关键还是在微调的菲涅耳透镜，以确保实现有效地聚焦光线以将粒子捕获在预先计算的位置。出于现实原因，科学家们选择直接打印这些衍射设计元件，而非传统的球面透镜。光纤上打印折射透镜的设计具有挑战性曲率的问题。而菲涅耳透镜设计可以轻松调整到所需的工作距离和高数值孔径。研究人员在光纤末端直接打印了三种不同的衍射透镜，设计外缘的最小横向特征尺寸达到 1.67 µm，轮廓高度为 3.88 µm。单个 2.5D 菲涅耳透镜的设计和直接打印在光纤上的衍射透镜的 SEM 图像（上图）。两个堆叠菲涅尔透镜的设计，以及相对应在光纤上直接打印结果的 SEM 图像（下图）。基于 2PP 微纳加工所具备的极高设计自由度，轻松实现调整衍射元件的光学特性。对于具有高数值孔径的光镊，Nanoscribe的2PP技术证明了其真正的潜力。如果在光纤端部使用单个菲涅耳透镜则无法获得高数值孔径。科学家们另辟蹊径，将两个透镜打印在彼此的顶部，由支撑第二个透镜的六根柱子隔开。这种设计离不开真正的3D打印技术。由于所有的光镊都能够在低激光功率下稳定捕获（亚）微米大小的聚苯乙烯测试珠，因此这对于生物学应用中避免高激光功率损坏有机样品的软组织至关重要。 Nanoscribe科技打造未来应用斯图加特大学科研小组重要研究成果中的其一则是直接在光纤端面上进行菲涅耳透镜的微纳加工。基于2PP技术的微纳加工使这些2.5D透镜的设计迭代和修改变得十分容易。此外，该技术还可以实现复杂堆叠3D透镜设计的微加工。拥有2PP技术的Nanoscribe全新Quantum X shape系统为类似和更多创新应用奠定了基础。该系统集成了用于制作光滑表面2.5D光学元件（如所述菲涅耳透镜）的双光子灰度光刻（2GL）革命性技术，以及用于制作超高精度自由曲面微纳结构的强大3D打印功能。欢迎持续关注更多令人激动的消息。 科研项目团队：斯图加特大学第四物理研究所欢迎阅读相关科学出版物：Highly Efficient Dual-Fiber Optical Trapping with 3D Printed Diffractive Fresnel Lenseshttps://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.9b01024更多有关3D双光子无掩模光刻技术和产品咨询欢迎联系Nanoscribe中国分公司 - 纳糯三维科技（上海）有限公司 德国Nanoscribe 超高精度双光子微纳3D无掩模光刻系统： Photonic Professional GT2 双光子微纳3D无掩模光刻系统 Quantum X 双光子灰度光刻微纳打印设备 Quantum X shape 双光子高性能3D微纳加工系统

当地时间10月5日，在瑞典首都斯德哥尔摩卡罗琳医学院，诺贝尔奖委员会总秘书长托马斯佩尔曼宣布，2021年诺贝尔生理学或医学奖授予David Julius和Ardem Patapoutian，以表彰他们在“发现温度和触觉受体”方面作出的贡献， 他们的发现通过揭示了大自然的秘密之一——我们是如何感知并同内外环境进行互动的。 二位获奖者将分享1000万瑞典克朗奖金（约合740.9万人民币）。神经冲动是如何产生的？我们为什么可以感知到温度和压力？温度和压力，在我们的日常生活中非常常见，但大多人可能都不曾思考过，人类是如何感受到外界压力的。事实上，这样的感知对人类的生存至关重要，是我们同外界互动的基础。此次的诺贝尔生理学或医学奖解答了这个问题。任职于美国加州大学旧金山分校的David Julius， 利用从辣椒中提取的辣椒素，发现了皮肤神经末梢中可识别“热”的受体TRPV1。来自于美国斯克利普斯研究所的Ardem Patapoutian，则利用压力敏感细胞发现了一类新的受体Piezo，可对皮肤和内脏器官中的机械刺激做出反应。两位诺贝尔奖得主分别独立发现了 温度感受器和压力 感受器，弥补了人类对感官与环境之间复杂相互作用的理解中缺失的关键环节。他们的研究结果也 引发了 神经科学领域的 一场“变革”，大量的研究关注并阐明了相关通道在各种生理过程中的功能， 为人类生理健康和相关疾病治疗提供了新的研究思路。

今年6月8日，是第十四个“世界海洋日”和第十五个“全国海洋宣传日”，主题为“保护海洋生态系统 人与自然和谐共生”。目前，全球海洋治理领域还包括海水酸化、海洋微塑料污染和非法、不报告、不管制捕鱼等热点问题，而海洋生物多样性保护、国际海底区域和南北极治理，也是持续受到关注的重点议题。海洋区域范围大，需要大范围的快速监测，又需要局部的精细监测，因此，需要各种不同类型的仪器设备，来辅助人们监测海洋环境的变化。奥谱天成开发的生态环境立体感知与预警系统，采用天空 ( 无人机载 )、海面 ( 船载设备、智能浮标 ) 及海底 ( 水下无人船载 ) 立体监测方式，搭载了多种光谱融合技术的高端传感设备，实现对生态环境时间和空间全方位立体感知。应用场景演示系统亮点该系统创新性地采用高光谱成像技术、多光谱成像技术、远程深紫外荧光技术、远距离偏振成像技术、水下荧光技术、水下地物光谱、水下高光谱等多种光谱融合技术的传感设备，具备了工作性能稳定、自动化程度高、故障率低、分析速度快和维护成本低等特点。测量参数可视化信息平台奥谱天成“立体海洋感知与预警系统”可以实现海陆空三位一体的全方位海洋生态环境监测，不仅可以助力海洋生态环境保护，更是提升了我国海洋高端探测设备在全球市场的竞争力和占有率。奥谱天成“海洋项目”正是凭借着立体海洋感知与预警系统，通过厦门市海洋局审批，获批总经费4576万元！

6月10日，由聚光科技、江苏鼎泽、中国环境科学研究院、上海交通大学、华东理工大学等联合承担的水专项湖泊主题“湖泊水污染控制与治理关键技术与设备研发及产业化基地建设”项目“感知湖泊系统构建关键技术、核心传感器研发及平台建设”课题(课题编号：2011ZX07106-004)顺利通过水专项专家组评审，这是聚光科技近年来承担的第三项水专项课题。　　该课题拟通过突破湖泊重要生物要素——水生生物和浮游动物感知技术、湖泊底质(N/P释放)影响上覆水传感器技术、感知湖泊健康/灾变模拟与推演展示技术，开发系列湖泊生命观测传感器与应用解析软件包，构建湖泊生境观测一体化技术，建立地方感知湖泊平台，实现业务化示范运行，建立重点湖泊重要感知信息的国家湖泊感知平台。　　该课题的实施将为我国湖泊环境监测、污染控制与治理提供重要科技支撑，同时也将促进国内感知湖泊的技术进步与产业发展。

基于多年在纳米生命科学全球领先的光镊和原子力显微镜应用经验，德国JPK公司首次将这两种技术搭建在同一个倒置光学显微镜上面，推出全球第一款商用光镊-原子力显微镜联用仪OT-AFM。OT-AFM不仅具有AFM的表面成像与测力功能，还具有光镊系统最高灵敏度的三维测力性能。集光镊三维高精度力学测量与操控和AFM高分辨率成像于一身的这套系统将开启一个全新的应用领域。这套联用系统不仅能满足最严格的机械稳定性的要求，还有非常高的灵敏性，模块化的设计。独特设计的联用平台是能将JPK光镊与AFM与细胞力谱仪集成于研究级倒置显微镜的关键所在。JPK在硬件和软件上具有非常成熟的与高端先进光学（如TIRF, Confocal，STED等）联用技术经验，我们可以很简单地将先进光学数据与光镊和AFM数据关联起来。在动态实验中，JPK AFM与光学数据同步采集而不相互干扰，因此这套联用系统能在力学测量中提供更多维度的操作空间。这套联用系统OT-AFM可以应用于许多新的研究领域，包括：细胞内相互作用；细胞与细胞或细胞与基质相互作用；免疫反应；细菌\病毒感染和纳米颗粒的摄取过程等。JPK赖以成名的光镊和AFM技术，加上与荧光技术的联用，创立了活细胞研究领域的最高标准。 JPK公司首席技术官（CTO）Torsten Jahnke博士这样描述这个令人振奋的突破：“功能化颗粒或修饰的微生物触发细胞反应是常见的方法。基于AFM的方法也可以观察细胞的结构、动力学、机械性能的变化，但是将目标物运输到细胞特点区域还是非常难以实现的。光镊能在时间和空间上精准地操控细胞或触发细胞反应，从而能显著地提高这些研究的产出效率、重复性和灵活性。我们独特的OT-AFM系统已经应用于定量研究树突状细胞（DCs）与貝有调控性的T细胞（Treg）之间信号传导对一般性T细胞（Tconv）黏附于同一树突状细胞性能的影响。” 关于JPK公司JPK 在1999 年成立于德国柏林，是一家全球领先的高科技纳米分析仪器跨国企业，其产品包括享誉全球的高分辨快速原子力显微镜、全自动力谱仪、测力型光镊、细胞力谱仪等高水平、高精度分析仪器，广泛应用于生命科学、高分子、纳米材料等高科技研究领域。JPK于2014年在中国成立“杰评科精密仪器贸易（上海）有限公司”，并设立有分析实验室、耗材备件仓库以及售后服务中心，为广大中国用户提供高效完美的测试解决方案，迅捷专业的售后服务和全方位的技术支持。 更多信息，请访问JPK公司主页或关注JPK中国官方微信号：JPK_China。

9月27日，由国家文物局主办的全国首届文保装备应用展在重庆开幕。科技与考古、文保深度融合，技术装备日新月异。一颗遥感卫星，苍穹之下跨越山海。在全国文保装备应用展上，“天空地”协同感知系统集体亮相，让监测保护变得得心应手。 “天”的明星装备“立方星”，是我国第一颗服务于文物领域的小卫星，不仅可以采集可见光光谱，还采集覆盖红外线到紫外线的跨电磁波谱信息。　　“空”的主角则是无人机，巡航速度每小时可达几十公里，对遗址进行低空近景监测，可以获取更为清晰精细的三维状态、特征等信息。　　“天空地”协同感知系统不仅覆盖范围更广，而且看得更精细。通过实时反馈，可以让初露端倪的问题得到及时处置，为旷野无人看管的大遗址保护提供了高效、灵活、迅速的解决方案。　　西北工业大学文化遗产研究院院长 董文强：“地”主要是采用高清视觉平台，包括地面气象站等野外遗址监测感知仪器，对遗址和遗存的水文气象等自然环境以及游客流量进行全天候、全天时监测感知。　　一套由卫星、无人机和地面监测感知仪器组成的“天空地”协同感知系统，非常形象地展示了如何将数据采集、传输、呈现、分析等功能集成一体，从而为大型野外考古遗址提供全方位、多尺度的智能监测。

对栖息于这颗蓝色星球上的生命而言，光是一切生命产生的源动力，也是生命体最重要的感知觉输入之一。同时生命体根据外界环境条件控制体内营养物质的代谢平衡是生存的必须，而代谢紊乱会产生严重疾病，哺乳动物已经进化出了精确和复杂的调控网络用于持续动态调控血糖代谢。大量公共卫生调查显示夜间过多光源暴露显著增加肥胖和糖尿病等代谢疾病风险，那么光作为最重要的外部环境因素，其是否直接调控血糖代谢？其中涉及哪类感光的细胞、何种神经环路以及外周靶器官，这些方面的问题一直没有得到解答。 　　1月20日，中国科学技术大学生命科学与医学部教授薛天研究团队在《细胞》(Cell)上，在线发表了题为Light modulates glucose metabolism by a retina-hypothalamus-brown adipose tissue axis的研究成果。该工作发现了光直接通过激活视网膜上特殊的感光细胞，经视神经至下丘脑和延髓的系列神经核团传递信号，最终通过交感神经作用于外周的棕色脂肪组织，直接压抑了机体的血糖代谢能力。值得指出的是，这项工作不但在小鼠动物模型上系统回答了光调节血糖代谢的生物学机理，在人体试验上也发现了同样的现象，显示光调节血糖代谢可能广泛存在于哺乳动物界。 　　研究人员首先对小鼠和人执行葡萄糖耐受性检测(GTT)，发现数个小时的光暴露显著降低了人和鼠的血糖耐受性。哺乳动物光感受主要依赖于视网膜上的各类感光细胞。除了经典的视锥(Cones)视杆(Rods)细胞介导图像视觉感知之外，光也能直接激活视网膜上的第三类感光细胞视网膜自感光神经节细胞(ipRGC)，它依靠自身表达的视黑素(Melanopsin)对波长靠近480nm的短波长蓝光敏感。ipRGC支配诸多下游脑区进而调控如瞳孔对光反射、昼夜节律、睡眠和情绪认知功能。光降低血糖耐受性通过何种感光细胞介导？通过基因工程手段，研究人员逐一使视网膜各类感光细胞丧失感光能力，发现光诱发血糖不耐受由ipRGC感光独立介导(图1)。 　　接着研究人员进一步探究视网膜至脑内的哪些核团参与光调节糖代谢。下丘脑是调控机体代谢的重要区域，其中与ipRGC有较密集连接的是下丘脑视交叉上核SCN和视上核SON核团。已知数周异常光照模式能够通过影响节律中枢SCN，造成生物钟节律失调，进而间接影响到血糖代谢功能。研究人员分别损毁或利用化学遗传手段操控ipRGC投射的SCN和SON核团，发现了光急性降低血糖耐受性这一过程独立于生物钟节律系统，而由ipRGC-SON的神经环路直接介导(图1)。 　　结合大量神经环路示踪和操控手段，研究人员进一步发现ipRGC→SONOXT(视上核内催产素(Oxytocin)能神经元)→SONAVP(SON内抗利尿激素(Vasopressin)能神经元)→PVN(下丘脑室旁核)→NTSVgat(孤束核的GABA能抑制性神经元)→RPa(中缝苍白核)这样一条脑内六级长程神经环路介导光降低血糖耐受性(图1)。 　　光影响血糖代谢必然通过外周血糖代谢的器官来执行，考虑到在环路水平上光降低血糖耐受通过中缝苍白核RPa，该核团是调节棕色脂肪组织(BAT)活性的交感前运动神经的主要部位。因此研究人员将研究锁定在棕色脂肪组织，而棕色脂肪组织的重要作用之一是代谢葡萄糖或脂肪，直接产热以维持体温稳态。研究人员发现光能显著压抑棕色脂肪组织的温度，进一步通过阻断交感神经对棕色脂肪组织的投射、以及利用热中性环境温度压抑棕色脂肪组织活性的手段，确定了光降低血糖耐受性是通过压抑脂肪组织消耗血糖的产热所导致(图1)。 　　夜行性的小鼠和昼行性的人类在诸多光调控的生理过程中表现既有相反也有相同的效应。光是否同样降低人的血糖耐受？研究人员分别使用ipRGC敏感的蓝光与ipRGC不敏感的红光，测试人在不同波长光线照射下的血糖耐受性。结果显示在蓝光照射下人的血糖耐受性显著下降。进一步研究人员将被试者处于热中性温度环境中(热中性温度下棕色脂肪组织活性被压抑)进行了血糖耐受性测试，结果显示光不再压抑血糖耐受。上述实验提示光降低人的血糖耐受性可能也是由ipRGC感知光线且通过影响棕色脂肪组织的活性所介导(图2)。 　　对这项工作的几点启示： 　　Nothing in biology makes sense except in the light of evolution，光压抑血糖代谢这一神经生理功能可能用于动物快速响应不同太阳辐照条件，以维持体温稳态。在户外环境中太阳光可以为动物提供大量的热辐射，这可以满足部分的体温维持需求，而在动物进入洞穴或树荫等诸多太阳光辐照显著降低的环境中时，机体就需要迅速响应这种辐照减少带来的热量输入损失。光通过这条“眼-脑-棕色脂肪”通路快速减低脂肪对葡萄糖的利用以降低产热，在光辐照减少的时候，棕色脂肪不再被光压抑，快速代谢血糖来维持体温稳态。 　　冷暖光也许并非单纯心理作用，可能存在生理基础。日常生活中短波光环境(蓝)让人感觉到凉爽，而长波光环境(红)让人觉得温暖，因此它们才被赋予了冷暖光的定义。冷暖色一直被定义为心理上的冷热感受。这项研究发现对短波长光敏感的ipRGC在蓝光下压抑脂肪组织产热，而在红光下脂肪组织处于活跃状态。因此我们在进入蓝光环境下产生的那种“冷”的感觉，有可能是由于脂肪产热被压抑而产生的真实感受。 这条光调控脂肪组织活性的环路可能是心理上冷暖光的生理结构基础。 　　工业化时代的代谢疾病—人造光源增加机体代谢负担。该项工作在人体的研究结果显示，昼夜节律会造成夜间人体的糖代谢能力相较白天更低，而光压抑血糖代谢是直接叠加在节律造成的夜间血糖代谢能力下降之上的(图2)。因此在夜间同时有光暴露的条件下，人体血糖代谢能力最差。工业化社会中，人类长时间的在夜间暴露于人造光源之下，加上现代人夜间饮食习惯给机体带来双重代谢负担进而可能诱发代谢疾病。大量公卫卫生学证据已经证实了这一点，最近瑞金医院宁光院士团队涉及近10万人的研究显示，夜间长期暴露于人造光下会增加血糖紊乱及糖尿病的患病风险。 　　这项光调节血糖代谢的机制研究，提示现代人健康生活应关注光线环境的健康，针对夜间光污染造成的罹患代谢疾病风险提高，应考虑生活环境中夜间人造光线的波长、强度和暴露时长。这项工作发现的感光细胞、神经环路和外周靶器官可为将来干预此过程提供潜在靶点。 　　研究工作得到国家自然科学基金、科技部、科学探索奖、中科院稳定支持基础研究领域青年团队项目、中国科大等的支持。合肥学院科研人员参与研究。图1.在小鼠上，光激活ipRGC-SONOXT-SONAVP-PVN-NTSVgat，压抑RPa和支配脂肪的交感神经，进而压抑棕色脂肪产热降低血糖耐受性。图2.在人上，光可能通过同样的神经环路机制压抑棕色脂肪产热降低血糖耐受性。相较于白天，夜晚人的血糖耐受性更低。

p　　作者：甘晓 来源：科学网/pp　　9月2日，国家杰出青年科学基金(以下简称“杰青”基金)工作座谈会在北京召开。会议透露出的“风投基金”“包干制”等“杰青”新风向，引起高度关注。/pp　　“风投”要投什么、“包干制”怎么试点，让我们听听3位与会“杰青”的声音。/pp　　strong“国家风投”投原创/strong/pp　　座谈会上，国务院总理李克强指出，要探索把“杰青”基金当作国家“风投基金”来使用，既促进创新，又宽容失败，激励更多科技人员特别是青年人才勇闯科研“无人区”，催生更多科技“奇果异香”。/pp　　“把‘杰青’比喻成风投基金，很新颖、很贴切。”中国工程院副院长、中国工程院院士邓秀新告诉《中国科学报》。1996年，“杰青”基金启动的第三年，不到35岁的邓秀新参加答辩，得知结果后十分激动——他在激烈竞争中胜出，成为园艺学领域首位“杰青”基金获得者。/pp　　3年60万元，一大笔“杰青”基金带给邓秀新的不止有压力和责任，更让他在科学研究上有了谋划长远目标的动力和条件。/pp　　9月2日，在通往国务院第一会议室走廊上的“杰青”25周年成果展上，他看到了熟悉的“华柚2号”。这是他带领团队深耕柑橘领域20多年，以细胞工程培育的新品种，在不改变原来品种的优良性状前提下，只把种籽去掉，提升果实品质和可食率，育种周期缩短20年以上。/pp　　邓秀新感慨：“正是当年那笔现在看来并不算多的‘风投基金’，让我们去凝练、攻克柑橘产业中的关键问题，涵盖基础研究到产业这一创新‘全链条’，才有了如今种类繁多的柑橘全国‘飘香’。”/pp　　2013年获得“杰青”基金的国家纳米科学中心研究员聂广军是这支队伍里的小字辈。“‘风投基金’意味着对失败的宽容，符合基础研究的规律。”他告诉《中国科学报》记者。/pp　　2011年开始，聂广军一直从事肿瘤代谢和微环境研究，结合纳米生物技术，发展新型肿瘤干预策略，特别是通过阻断肿瘤血管血供“饿死肿瘤”的策略治疗肿瘤，“杰青”基金提供了条件让他钻进这个领域去“探险”。七八年时间里，聂广军没有再四处申请经费，相关的工作一直没有发表。/pp　　直到2018年，他们首次利用智能纳米机器人在活体实验动物血管内稳定工作，高效完成定点药物输运，研究成果在《自然—生物技术》上发表，并获得多项奖励。如今已有市场资本进入，推动这一成果走向产业化。这令聂广军感到欣慰：“‘这笔‘风投’让科学家完成了基础研究阶段的原始创新。”/pp　　截至2018年末，“杰青”基金累计资助3988位科研人员，他们逐渐成长为一批优秀的学术带头人，取得了引领世界科技前沿的成果。/pp　　2018年以来，国家自然科学基金委员会推行的改革中明确提出了科学基金新时期资助导向，即“鼓励探索、突出原创，聚焦前沿，独辟蹊径，需求牵引，突破瓶颈，共性导向，交叉融通”。在科研人员看来，把“杰青”基金当作国家“风投基金”来使用，正是对这一资助导向的最好体现。/ppstrong　　“练武功”最宜“包干”/strong/pp　　“年内推动项目经费使用‘包干制’改革试点落地。”此次会议放出对科研经费管理的新信号，令科研人员感到振奋。/pp　　邓秀新指出，实行“包干制”的前提是充分相信科学家能够用好科研经费，以良好的科研产出为纳税人的钱负责。/pp　　今年两会期间，李克强在政府工作报告中首提“包干制”。“进一步提高基础研究项目间接经费占比，开展项目经费使用‘包干制’改革试点，不设科目比例限制，由科研团队自主决定使用。”报告指出。/pp　　一直以来，我国科研项目经费使用采取预算制，即科研经费要严格按照预算要求来使用。但是，科学研究本身存在不确定性，项目进行的每个阶段及每个阶段的进度可能不同，所需经费多少也有所不同。/pp　　在全凭头脑思考的数学领域，现有预算制的不合理更加凸显。中国科学院数学与系统科学研究院研究员、中科院院士袁亚湘在此次会议上直言：“数学不像其他学科那样需要购买设备，重在学术交流，有时仅仅需要坐在一起喝喝咖啡、探讨探讨，就可能出思路。”他的意见在会场内引发热烈讨论。/pp　　李克强要求，“杰青”基金要打造改革“试验田”，大幅提高“杰青”基金间接费特别是“人头费”比例。/pp　　李克强同时提出，要持续深化科技领域“放管服”改革，进一步破除对科研人员的束缚，加快完善科研项目管理评价、收益分配等制度，年内推动项目经费使用“包干制”改革试点落地。/pp　　袁亚湘告诉《中国科学报》记者，“包干制”试点适合在数学、理论物理等学科中先行推行。“这些学科对学术交流有特别的需求，经费主要用于‘人员费’，是一种很典型的‘练武功’式的工作。”他表示，“把研究经费的管理权下发至项目负责人，在财务管理规定范围内，由科学家自己决定怎么花，最利于促进数学研究。”/p

精彩回顾丨「走进岛津 感知科学」高校开放日活动圆满举办导读开放日活动合影近期，岛津广州分析中心联合广东第二师范学院共同举办了“走进岛津，感知科学”主题开放日活动，由岛津营业姜华女士陪同学院的54名师生来到岛津广州分公司进行交流学习。广东第二师范学院是教育部校长领航工程基地、教育部教师国培计划基地，其体育教育、学前教育专业入选国家级一流本科专业建设点。在聚焦师范教育主业的同时，促进师范与非师范专业协调发展，为广东经济社会创新发展培养“人格健全、文化知识广、专业基础实、职业技能强”的应用型人才。仪器分析前沿讲座岛津广州分公司业务部李德波经理发表了欢迎致辞。李经理向来访客户介绍了岛津在中国的事业历程。随后，岛津PS团队王志红、王文龙和张文义三位工程师作了题为《引领科技创新，携手谱写未来-岛津色谱质谱的最新应用及技术进展》等三场讲座，向师生们详细介绍了岛津仪器的应用及科研成果，岛津仪器在各领域丰富的应用场景引起了广东第二师范学院师生们的强烈兴趣。王志红工程师作现场报告分析中心实验室参观学习现场报告环节结束之后，师生们来到岛津分析中心实验室参观学习。岛津公司在中国设立了上海、北京、广州、沈阳、武汉、西安、成都共七大分析中心。广州分析中心主要负责华南区域应用支持工作，配备了一个占地近2300平方米的实验室，分为培训、仪器展览、样品前处理三个区域，放置、展出了约80套/台分析仪器设备，每年接待培训学员和来访客户近2000人次。分析中心李婷、张施敬工程师向同学们介绍了液相色谱区域仪器的硬件结构和工作原理及相关应用案例。液相色谱区域目前有两台Q-TOF高分辨质谱，两台MALDI-TOF高分辨质谱、四台三重四极杆液相质谱，LC-20、30、40系列液相色谱仪以及全谱二维液相、离子色谱、氨基酸分析系统等特色机种，应用领域涵盖生物科学、医药、化工、食品、公安司法等行业，拥有丰富的液相色谱应用案例和专业的工程师团队，为岛津仪器用户提供持续支持，助力分析检测与科研工作。李婷工程师分享质谱成像在空间代谢组学检测中的典型案例张施敬工程师分享双进样系统在化妆品检测中的典型案例刘小华工程师向同学们介绍了气相色谱区域岛津Nexis GC-2030、GCMS-QP2020 NX、GCMS-TQ8050 NX及外围附件HS-20 NX、AOC-6000 Plus等仪器硬件结构、原理、性能特点、突出优势及这些仪器在环境领域的应用。刘小华工程师分享气相气质仪器在环境领域中的典型案例光谱区域仪器由王利华和唐国轩两位工程师进行介绍。王利华工程师对傅立叶变换红外光谱仪、原子吸收光谱仪和ICP-MS的硬件结构和工作原理进行了介绍，唐国轩工程师介绍了EDX的工作原理与应用特点，随后两位工程师现场取材对学生提供的物品分别进行了傅立叶变换红外光谱口罩材质鉴定和金首饰黄金纯度及镀金厚度EDX测定实验，同学们兴致勃勃地观看了演示，有趣的互动实验使同学们在快乐学习的同时也感受到日常生活中科技的力量。王利华工程师演示红外光谱口罩材质鉴定实验唐国轩工程师演示EDX测定首饰黄金纯度及镀金厚度实验最后，尹奕斌工程师向师生们介绍了试验机区域仪器，并现场进行了塑料样品的拉伸力学实验演示，让同学们更直观的了解了仪器的工作原理。尹奕斌工程师演示塑料样品的拉伸力学实验岛津分析中心实验室各类高端分析仪器让同学们大开眼界，如高分辨质谱等面向科研的高端仪器，有不少同学表示是第一次见到实物，很多同学对仪器的功能和应用产生了浓厚的兴趣，介绍过程中踊跃发言提问，在交流过程中获取知识、提升自我。本次的开放日活动，使同学们对仪器分析有了更为直观的认识，加深了对仪器分析和岛津仪器的了解。结语活动结束后，同学们纷纷踏上了返程的大巴，虽然窗外依旧细雨纷飞，脸上却都带着收获知识的喜悦。“以科学技术向社会做贡献”是岛津一直奉行的宗旨。本次高等院校开放日活动，也是岛津公司身体力行、服务社会的延续。岛津也将一如既往，用我们微薄的光亮为大家通往探索科学的学术征程引路。撰稿人：张施敬本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

单细胞多组学技术已成为生命科学的有力工具，但一个精准、低损伤、广谱适用、简捷的目标表型单细胞获取手段，是靶向性单细胞基因组、转录组、蛋白质组或代谢物组分析的先决条件。近日，青岛能源所单细胞中心发明了光镊辅助静态池成像分选技术（OPSI），能“所见即所得”、保持细胞原位活性、高通量地分选明场、荧光、拉曼成像下的目标单细胞，支撑高质量的单细胞基因组/转录组测序。该技术对于细菌、古菌、真菌、动植物、人体等各种大小的细胞均广谱适用。相关工作发表于微流控领域国际权威期刊《芯片实验室》Lab on a Chip。OPSI技术服务单细胞多组学研究明场图像、荧光图像、拉曼光谱均可反映细胞丰富的表型信息，汇集上述信息并具备单细胞精度索引、所见即所得特点的单细胞分选技术，在单细胞分析工作中具有广泛的适用性。单细胞中心前期基于单细胞拉曼光谱技术，开发出液相环境中测量与分选菌群中目标微生物单细胞的拉曼分选-测序技术RAGE-Seq（Raman-activated Gravity-driven Encapsulation and Sequencing；Xu et al., Small, 2020）。该技术可在无需标记条件下，通过拉曼光谱获得整个单细胞的化学物质指纹图谱，从而迅速识别活体单细胞的生理特性和代谢产物变化等，更重要的是借助其小体积分离反应的特点，可从单个细胞中得到几乎完整的全基因组信息，对微生物的功能鉴定和资源开发具有重要意义。然而该技术操作过程稍显繁琐，分选通量较低，对于大批量的单细胞分选与分析存在一定的难度。为解决上述问题，单细胞中心徐腾博士、李远东博士带领的研究小组，基于青岛星赛生物的单细胞微液滴分选系统EasySort Compact，在RAGE-Seq技术的基础上开发了基于OPSI的新一代的单细胞分选耦合培养/测序策略。不同于流式分选技术中细胞逐个流过窄通道后成像筛选的原理，OPSI提出了一种静态池成像分选的思路，即在微流控芯片中构建流速为0的稳定静态流场，对样本细胞进行限域，并在该流场内进行平面明场、荧光成像或拉曼扫描，选取目标细胞。之后通过低细胞损伤的1064 nm光镊将目标单细胞移出静态流场，并进行单细胞液滴包裹导出完成分选。该系统使细胞能够以精确索引的方式进行分类，“所见即所得”，并广泛适用于从细菌、古菌到人体细胞等不同尺寸大小的单细胞（直径1 ~ 40 μm）。验证试验表明，OPSI的单细胞分选准确率 99.7%，保证10~20细胞/min的分选通量，并高度保持了细胞活性。此外，OPSI继承了RAGE小尺寸分离反应的特点，显著降低了传统单细胞基因扩增中存在的歧化现象。例如，使用该系统分选人体MCF-7单细胞进行RNA-seq，可获得高质量和高可重复性的单细胞转录组谱。OPSI的通用性、方便性、灵活性和低成本等优势，为其在单细胞多组学研究中提供了广阔的应用前景。基于OPSI的上述特色，单细胞中心和青岛星赛生物合作推出了自动化、智能化的单细胞微液滴分选系统（EasySort Lego/Compact）系列产品，并与国际显微镜和显微光谱仪领军产商（如赛默飞Thermo Fisher Scientific、堀场HORIBA等）合作，在全球科学仪器市场进行推广。该工作由单细胞中心马波研究员和徐健研究员主持，与青岛星赛生物合作完成，得到了国家重点研发计划、山东省自然科学基金委和国家自然科学基金委的资助。（文/图 徐腾 刘阳）原文链接：https://doi.org/10.1039/D2LC00888BTeng Xu#, Yuandong Li#, Xiao Han, Lingyan Kan, Jing Ren, Luyang Sun, Zhidian Diao, Yuetong Ji, Pengfei Zhu, Jian Xu*, Bo Ma*. Versatile, facile and low-cost single-cell isolation, culture and sequencing by optical tweezer-assisted pool-screening. Lab on a Chip 2022.

“隔空取物”是人类的梦想。这种科幻超能力现被超声科技实现并可望用于治病救人。近日，中国科学院深圳先进技术研究院研究员郑海荣团队开发出一种相控阵全息声镊操控技术，在生物体及血流中实现了对含气囊细菌群的无创精准操控和高效富集，在动物模型中实现了肿瘤靶向治疗应用。相关研究成果以In-vivo programmable acoustic manipulation of genetically engineered bacteria为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。该相控阵全息声镊系统基于高密度面阵列换能器产生可调谐三维体声波，通过对空间声场在活体血管内等复杂环境中的时空精准调控，在活体血管内等复杂环境中操控了含气囊细菌团簇，使其精准地移动到目标区域并发挥治疗功能，有望为肿瘤的靶向给药和细胞治疗等提供理想手段。光、声、电、磁等经典物理手段是实现“隔空取物”非接触操控物体的可能途径。光镊操控技术于2018年获得诺贝尔物理学奖，在微纳尺度颗粒操控上展示出精准优势，但存在对非透明生物体穿透深度有限的问题；磁镊一般需要磁性颗粒的结合，易导致细胞活性受影响。相较而言，基于高频声波梯度声场设计的声镊技术是一种通过声波与目标物体相互作用产生辐射力以实现非接触操控物体的方法，在非透明生物体系中具有作用力大、穿透性强、操控通量高等优势。基于空间体波的相控阵全息声镊具有声场时空动态调控能力且实验架构灵活，是生物体等复杂环境内实现对目标进行靶向操控的理想手段。      郑海荣带领的深圳先进院医学成像团队，经过十多年声操控技术积累，基于超声辐射力作用原理，利用高密度二维平面阵列和多通道可编程电子系统，结合空间声场调制、超声成像和时间反演算法，提出并构建了可编程相控阵全息声镊理论、技术和仪器体系，为生物体等复杂环境下的精准声操控奠定了基础（图1）。该团队分析不同声对比系数粒子受到的声辐射力，完成初步的理论验证；模拟活体组织环境，利用时间反演矫正声波畸变，构建复杂环境中精准声操控的模型；交替发射超声成像与操控脉冲，实现非透明介质中超声成像实时引导的三维声镊。该团队继续在相控阵全息声镊领域深耕，推动了二维高密度超声阵列的微型化以及融合显微成像，初步实现了细胞、微生物等的离体三维声操控验证，进一步结合基因编辑等技术，推进了可编程相控阵全息声镊在各领域的关键应用。该工作推动相控阵全息声镊高精度高通量操控技术取得了生物医学应用的突破，实现了在体声操控细菌对于实体肿瘤的靶向治疗（图2）。     从理论研究层面，该团队提出了复杂声场环境中声辐射力离散表达与计算理论，解决了复杂声场的任意结构微粒受力量化表征的问题，并探究了复杂环境中空间声场作用下操控目标的动力学行为。从工程研发层面，该团队通过长期的技术探索与积累，攻克了高密度声镊换能器研发中声场设计和制造工艺等难题，研制了二维高密度超声换能器阵列，利用全息元素构建和时间复用的方法，结合多通道高精度时间反演超声激励，实现了强梯度声场生成和复杂声场的时空动态调控。从生物医学应用层面，该团队利用基因编辑技术，在细菌细胞中产生了亚微米气体囊泡，提升了细菌的超声敏感性，增强了其受到的声辐射力，使得含气囊细菌可以克服流体拉力，驱使它们在焦点区域聚集形成团簇（图3）。     当工程菌被聚集成团簇后，通过电子控制声束沿着预设可编程的轨迹移动，如在分叉微流腔中的细菌团簇可以选择性地通过分叉口，或在无边界条件下沿着字母A形进行移动，或同时操控两个团簇沿着矩形路径移动。整个团簇的轨迹与预设路径匹配。利用全息声元素构架法，阵列可以产生具有不同拓扑电荷的聚焦涡旋。当预设的拓扑荷数发生变化时，含气囊细菌团簇所显示的涡旋场模式随之发生变化。由于角动量的存在，团簇可以围绕涡旋中心连续旋转。     生物体组织结构复杂易引起声波畸变，且高速血流的存在阻碍了血管内的声操控。该团队结合相控阵全息声镊与显微成像，构建动物模型，实现了在活体动物水平通过电子控制声束对含气囊工程细菌进行可编程操控。在小鼠尾静脉注射工程菌后，该研究利用小鼠透明背脊皮翼视窗模型进行观察，打开相控阵全息声镊，使得工程菌在声束焦点处聚集。研究通过对含气囊工程菌和普通大肠杆菌分别在小鼠背部浅表血管中进行声捕获比较发现，只有含气囊工程菌可以被捕捉在聚焦声束中心，并在血管中形成簇状。进一步，研究在不同直径的血管也尝试对含气囊工程菌进行声捕捉。进一步，通过电子偏转声束，研究实现了含气囊工程菌的体内声操控。在声镊操控下，含气囊工程菌可以沿着血管前后移动，还可以选择性地穿过血管分叉。声镊可以同时操控两个工程菌团簇在同一条血管中，将其彼此靠近或远离。上述研究表明，相控阵全息声镊系统操控含气囊细菌团簇的运动可严格按照程序设置进行，展示出优异的时空操控精度，使这些细菌能够逆流或按需流动到活小鼠的预设血管中。     进一步，高通量相控阵全息声镊操控技术可以显著提高肿瘤中工程细菌的聚集效率，并结合细菌的肿瘤杀死活性，抑制了肿瘤的生长速度，延长了荷瘤小鼠的生存期（图4）。     本研究证明了相控阵全息声镊仪器系统可以作为活体内非接触精准操控细胞的新工具。以相控阵全息声镊为手段，功能细胞及细胞球为载体，在免疫细胞治疗、组织工程、靶向给药等方面颇有应用前景。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院和深圳市科技创新委员会等的支持。 图1.相控阵全息声镊系统示意图（Research，2021）图2.相控阵全息声镊系统在体操控细胞示意图（Nature Communications，2023）     图3.声聚集基因编辑细菌和普通细菌对比图4.声操控基因编辑细菌治疗肿瘤实验

在满足目前各种应用需求的前提下，光谱分析仪器和方法也在不断的创新发展中，不论是分子光谱还是原子光谱都涌现了一系列创新的成果，特别是拉曼光谱、近红外光谱、激光诱导击穿光谱、太赫兹、超快光谱、荧光相关光谱、高光谱等相关技术彰显了极具诱惑的市场活力，引领着行业发展的方向。第十二届光谱网络会议（iCS 2023）中，近50位专家报告充分彰显了光谱创新潜力，纷纷展示了一系列的创新成果：从仪器整机到关键部件；从系统集成到方法开发；从大型科研仪器，到用于现场的便携、手持设备；从实验室检测设备，到过程分析技术……为了更好的展示这些创新成果，同时也进一步加深专家、用户、厂商之间的合作交流，会议主办方特别策划《光谱创新成果“闪耀”iCS2023》网络专题成果展，集中展示本次光谱会凸显的创新成果，包括但不限于仪器、部件、技术、方法、应用等。南通智能感知研究院（简称“感知院”）坐落于风景秀美的紫琅湖畔，依托星载高光谱团队，结合南通创新人才培养、高科技产业转型升级的需要，于2019年11月1日揭牌成立，设置有数十个专业实验室，拥有5位院士和多位国家级专家组成的人才队伍，以光机电核心元部件、规模化光电探测系统、集群化商业卫星为主要发展方向，推动南通光电及航天产业发展。感知院充分发挥专家团队多年在红外、高光谱等成像探测感知领域的技术优势和航空航天有效载荷方面雄厚的研发积累，在南通建立高光谱遥感产业发展基地。在光机电核心组部件、规模化光电仪器研发和集群化商业卫星领域，补齐南通航天全产业链中的“载荷、数据”两个重要环节，促进航天遥感产业中光谱类载荷及数据的规模化制造与获取。聚焦“智能感知”领域技术研发、人才培养及产业转化，探索科研体制机制创新，提供感知探测及其配套技术、材料、部件、应用数据、软件与设备的研发等相关服务，推动光电感知和遥感技术的产业转化，进行相关学科研究生培养、继续教育与学术交流，支撑国家航天产业和空天信息技术规模化发展。以光栅微纳部件、精密光机、数字化光电仪器制造、天空地一体化即时探测、遥感大数据处理应用等核心部件和技术的研发为主，集聚多方资源，构建核心软硬件、数据获取、信息处理、信息应用全链路光电仪器研发、数据收集中心和智能遥感云服务平台，形成面向终端客户不同层级的“共建、共享、共用”智能遥感产业体系。以智能化微光/红外感知组件、微小型制冷机、精密测角装置等核心部件的研发为基础，发挥红外探测技术优势，研制高性能可迭代的“云台+嵌入式+红外/微光仪器+自动处理提取+远程传输操控”系列高端产品。应用于边防管控、城市监控、森林火灾监控、夜间生态监测、油气泄漏监控、智能预警探测等领域，开拓智能安防市场，构建面向系统应用的智能安防产业体系。一、成果简介成果一：高精密凸面闪耀光栅成像光谱仪将成像技术和光谱技术结合在一起，可同时获取目标物体的空间信息和光谱信息，具有高分辨率、测量范围广等优点，被广泛的应用于地质观测、矿物识别、水体水质监测、土壤土质监测、农作物长势与病虫害监测、碳排放监测、植被覆盖、环境污染监测、灾害应急监测等行业领域。分光系统是成像光谱仪的关键部件，直接决定了光谱仪的结构与性能。成像光谱仪的光谱分辨率越高，对地物的分辨能力就越强；当光谱分辨率需要细分到“纳米”量级时，基于多刻槽衍射效应的凸面光栅分光的难度急剧增大，然而高性能凸面光栅的制备技术受制于国外，严重制约我国自主星载高光谱相机的发展。为解决该技术瓶颈，感知院项目团队开展了：电子束抗蚀剂涂布、槽形角度变化及低深宽比槽形控制技术、高精度光栅槽形不同介质转移技术、均匀性金属反射膜镀膜技术、高精度检测等核心技术研究攻关，填补了电子束凸面光栅国内技术空白，与同类型的进口光栅比较，性能达到了国内领先、国际先进水平，面型加工精度及部分波段衍射效率等指标优于进口光栅，实现了可见光/红外宽谱段高精密凸面光栅制备核心技术的自主掌握。目前已经制备了一系列凸面/凹面光栅，已经应用到星载、机载、手持设备上。成果二：轻小型制冷机在红外光电载荷中，核心红外探测器件及光学系统需要工作于低温环境下，需要针对整个仪器及其关键部件进行科学的热规划、热设计和热实施，提升仪器性能，保障仪器可靠工作。因此，低温制冷机、高效传热元件及以此为基础的载荷仪器热管理系统是当代先进红外仪器载荷应用的核心支撑技术。特别是随着商业航天的蓬勃发展，卫星载荷趋于小型化、模块化、标准化，要求服务于商业小卫星的红外光电系统朝着低成本、紧凑化方向发展，亟需低温制冷机向着小型化、规模化、通用化方向予以发展。同时，低温集成技术是降低红外光学系统背景噪声、提高探测灵敏度的重要保障；也是红外探测仪器核心竞争力之一。感知院在产业化需求的牵引及其技术孵化下，突破了轻小型制冷机核心关键技术，形成制冷机数字化设计仿真分析平台，实现轻小型、超低温制冷机样机及制造工艺规范。开发了轻小型线性斯特林制冷机产品，性能指标达到国际先进水平；具备全周期免维护的超高可靠性，冷指接口标准化设计、集成式耦合结构，通用性强，热流密度高、温差小、能耗极低，适应性好等优点。目前已逐步实现产品规模化生产，处于行业领先水平，能有效支撑红外光电载荷产业化发展！成果三：光电芯片模组红外探测器和光学镜头组成的红外光电探测系统可以突破人类视觉局限，能在完全黑暗、烟雾、粉尘等环境下观测物体，实现全天候、全天时工作，广泛应用在军事和民用的诸多领域。探测器模组是高端红外光电探测系统的核心部件之一，直接决定了探测系统的结构和性能。相较于非制冷型探测器模组，制冷型探测器模组在探测物体信号时具有灵敏度更高、精度更高、误差更小、检测温度范围更广的优势。近几年我国的红外产品市场发展很快，但由于核心器件(如制冷型探测器)一定程度上依靠进口，价格、质量和维护等因素严重地制约了国内红外产业的发展和市场的广泛推广，远不能适应国内日益增长的市场需求。感知院基于上海技物所成熟的红外技术，以院内的VOC气体检测、中海油等项目所需的高性能制冷型长波红外机芯为设计输入，开展长波红外探测器组件项目的研发，旨在打破国外对红外技术垄断局面，解决国外进口限制、价格高昂、供货周期无法保证等问题，突破关键核心技术，实现高性能制冷型红外机芯国产自主和批量化生产。成果四：遥感大数据处理随着遥感数据在空间、时间、光谱和辐射等维度的分辨率越来越高，数据类型越来越丰富，海量数据呈井喷式爆发增长。另一方面，虽然全球尺度的遥感大数据设施蓬勃兴起，但是面向区域发展的区域高分辨遥感大数据设施和服务体系较为缺乏，严重制约遥感信息与社会经济数据的综合利用程度，导致相关产业链不够完善，不能满足行业发展的需求。当前遥感大数据发展主要存在以下两个方面的制约，一是遥感大数据设施的缺位，二是遥感数据吞吐速度、处理能力、算法效率与精度稳定性等瓶颈问题。这两方面均为当今区域遥感大数据建设中亟需解决的技术难题。感知院遥感大数据处理系统对遥感数据进行横向光谱偏差处理，盲元判别与修复、Etalon效应测试与处理、非均匀性校正和低信噪比波段的降噪处理，利用大气校正辐射计定标及数据处理联合应用技术对日数据预处理、对地数据预处理、大气参数反演，遥感应用复查等等一系列处理流程，生产出横向光谱偏差、盲元修复率、相对辐射校正精度的数据产品。目前已研制出相对辐射校正、盲元判别和修复、光谱横向偏差校正等核心算法一套；研制出GF-5星高光谱数据从L0到L1级产品生产软件一套；成果五：高端光电探测系统现有的自主国产高端仪器无法实现行业对高精度定量化遥感的需求，目前民用高光谱设备或核心部组件绝大多数都是进口产品，全面自主可控的高端仪器研发和需求是当下行业相关单位急迫需要解决的问题。感知院研制出的高精度、高性能、轻小型机载轻型高光谱相机，可模块化组装，适用于低空/高空，轻型/大型飞机高光谱遥感作业，可选择机上定标装置、惯导、嵌入式数采终端，并具有良好的温适性；研制出的多功能地物快筛扫描仪，采用高精密凸面闪耀光栅、光谱纯度高、畸变小、信噪比高、光源稳定无杂光干扰、分辨率高、数据精准；协同启东光电遥感中心自主研发出高精准、高性能、定标、反演、照明、测距一体专业级全反射波段手持式光谱仪，内置激光测距模块，实时显示被测物体观测范围，具备快速自定标及反演、终端互联远程支撑、超长待机功能；研制出多模态、大动态微光红外监测相机，可应用于边防哨所、口岸海岸、各种重要区域。二、产业化探索经过三年多的发展，感知院已在高精密光栅、红外探测器、轻小型成像光谱仪、微小型低温制冷机、微光夜视红外系统、遥感大数据等核心组部件仪器与遥感数据处理方面，形成了系列产品。1.高精密闪耀光栅产品方面，具备球面闪耀光栅产品自主研发能力，突破国外进口元器件的“卡脖子”技术，掌握自主的核心工艺控制方法。目前承担众多国家项目及课题，包括：国家重点研发计划凸面光栅课题、静止轨道全谱段卫星凸面光栅研制、产业化凹面光栅项目、核工业研究院凸面光栅项目、环保部生态环境检测凸面光栅项目。所研制光栅涉及可见、近红外、短/中/长波红外、甚长波红外，刻线密度覆盖十几线至一千多线。在中科院上海技术物理研究所以及相关航天工程单位牵引下，持续开展高精密光栅的国产化、低成本化制备技术研究和星载凸面光栅产品研制，预计未来三年产品销售额可达到1.2亿元至1.8亿元。2.微小型制冷机方面，形成不同应用场景下微型斯特林制冷机系列产品（例如：WS50090微型斯特林制冷机、WS100080微型斯特林制冷机等产品），突破了轻小型制冷机关键研制技术，形成了微小型制冷机规模化研制能力。未来3-5年，预计市场销售可达到8000万元—1.2亿元。在已有的企事业单位合作基础上，开展相关规模化、低成本化制造技术研究，在不断扩大红外探测微型制冷机市场需求的同时，将先进仪器热管理技术逐步推广到医疗低温冷箱领域，以及大数据中心散热节能减排领域，为碳中和碳达峰、绿色低碳数字经济提供技术支撑。至2025年，完成研制轻小型斯特林制冷机产品化定型、工艺体系建立，市场销售额不少于3000万元/年；至2030年，打通制冷机上下游产业应用，实现商业化推广，形成轻小型制冷机组件、热管、散热模组等产品的规模化生产，市场销售额不少于1.5亿元/年。3.光谱仪产品方面，感知院先后与国家、省、地方等40多家单位形成了广泛的技术研发和市场合作关系，如生态环境部卫星环境应用中心、上海航天电子技术研究所、核工业北京地质研究院等。目前已达到覆盖太阳辐射波段（可见、近红外、短波）的高光谱相机及软件算法的自主研发能力。未来3-5年，结合重点示范区域高光谱探测仪系统的需求，逐步扩大应用场景，拓展和实现后期全国范围内600-1000个典型区域的实地应用，相关产品的产能提升到400-500套/年的规模化生产，年销售额达1.2-1.5亿元以上，从行业应用产品转向民用高光谱产品，实现产品的规模化、批量化生产，向年销售3-4亿元迈进。4.商业遥感卫星方面，积极推动航天遥感商业卫星的整体规划和研制工作，协同江苏高分产业联盟和相关单位，积极争取实现1-2颗遥感商业卫星的研制及发射工作，通过有效获取和分析数据，重点服务江苏省和南通遥感应用及大数据等相关领域和单位，逐渐推行航天遥感商业产业链在南通当地的宏观/微观形式集聚。未来，感知院将持续推进批量化和低成本化，持续开展相关技术创新，持续扩大光电遥感仪器产能，持续拓展核心技术服务领域，实现从政府行业部门牵引式应用扩大到民品市场普适性应用，争取实现产品销售和市场达到4亿。商业遥感卫星方面，持续推进和实现星空地一体化、遥感大数据的全面服务和应用，并以行业应用为基石，实现百余颗航天遥感商业卫星的研制和发射，满足天级重访周期的全方位遥感数据覆盖，打造遥感大数据服务云平台，凝聚国内乃至国际遥感相关领域专家和团队，有效推动和实现航天遥感产业集聚，全面实现全国各省市、核心国企（例如北大荒集团、银河航天）、政府资本、民营资本等不同领域的联盟合作和分工协作，助力和推动航天遥感大产业的落地，切实提升南通百亿级光电产业集群的影响力和社会效益，争取实现产品业务体量15-30亿元。三、未来研究计划最看好的光谱技术是高光谱成像技术。高光谱成像就是收集并识别物质光谱指纹的技术，是以精细的光谱分辨率表征物质不同光谱吸收或发射特征的重要探测手段，是人类实现从“看到”到“识别”物质的得力“探针”。这些“探针”对不同光线波长的感知程度可细微到“纳米”级，能够帮助人类从一公里外看到米粒大小物体上的300多种颜色，而人眼能看到的颜色一般只有7种。与可见光相比，高光谱技术增大了波段幅宽的同时，减小了光谱弯曲畸变、提升了探测灵敏度，已经在水体水质监测、大气排放、探物找矿等领域实现了精细化分辨和大覆盖范围的业务化实用化的应用。未来感知院重点主攻方向如下：1.微纳光栅领域，未来三年内，计划将凸面光栅应用由太阳反射波段扩展至地球辐射波段，即拓展至紫外和甚长波红外波段；同时突破人工智能AR设备的核心元件“波导光栅”的研制工艺，缩短波导光栅元件的定制周期，完成小型AR样机的研制，实现AR设备数字化生产。2.制冷机领域，未来三年内，建立制冷机设计多物理场耦合的联合仿真模型，进一步改进微型杜瓦封装技术，建设低成本、批量化制冷机中试工艺线；至2025年持续进行技术突破，完成研制轻小型斯特林制冷机产品化定型、批量生产。在上述基础上，引入3D增材制造等新型工艺技术，建立通用标准件库、在线质量监测、柔性自动化装配等批量化制造工艺规范，实现低成本轻小型制冷机研制生产线，进一步实现产业化，形成轻小型制冷机组件产品规模化生产。3.探测器领域，将成熟的星载探测器技术进一步向民用化、市场化、规模化转化，突破探测器驱动及信息获取电路模块化设计关键技术；开发高性能、低功耗、低噪声、大动态范围、轻小型探测器模组，形成特有的多功能、多系列“拳头”产品，进一步降低制造成本，形成批量化生产能力。4.遥感数据处理领域，在现有基础上，搭建由高性能服务器和高容量存储设备组成的基础设施，系统数据运算能力每秒可达到1560万亿次，数据存储能力达到PB级。开展天空地一体化遥感大数据处理算法和应用软件的研发，攻克多源数据高精度配准难题，攻克遥感大数据高效训练与算法提升关键技术。在未来5年内形成面向行业大众的遥感云服务平台，形成多个行业的业务化应用示范。5.高端光电探测系统领域，在已开发出的光电探测系统基础上，采用“销售一代，预研一代”的推广模式，专注于自主迭代升级的技术研究，开展多模态一体化技术、多模信息融合、大动态范围自适应以及模块化设计的研究，建立系统全链路数字化孪生模型，为已有的用户提供各类增值迭代服务，不断拓展潜在应用领域。四、合作需求希望与多方合作：1.光谱仪的各组部件供应商（包括元器件、机械加工件、镜头、整机组装定标调试等厂商）；2.遥感数据应用团队（农业土壤有机质氮磷钾、杂草、水质检测）联合开发面向农业、水质监测、环保方向的应用示范平台；3.面向土壤应用、水质检测、环保检测等研发团队开展高光谱设备的租赁合作；4.创投类和科技创新类基金的支持。（联系人：李先生 17712225916）附：专家简介和团队介绍经过三年多的发展，形成了院士领衔指导发展。形成多位院士（业内具有崇高的威望和影响力的匡定波、童庆禧、薛永祺、沈学础、褚君浩等院士）和顶尖专家领衔的高层次、高水平专业人才团队。专业覆盖遥感技术、光电仪器、微纳光学、微电子、电子信息、机械结构、制冷工程，计算机和数据处理等与光电遥感技术及应用相关的学科领域。专家团队具有多年丰富的机载/星载多光谱、高光谱及红外相机的研制经验，在国际上率先解决了星载高光谱成像载荷难以同时兼顾宽谱、宽幅、高光谱分辨率和高探测灵敏度的技术难题，打破国外在核心关键技术上的长期封锁，性能指标国际领先，成果已广泛应用于国家相关行业部门、科研院所和骨干企业，以及国外相关知名机构。匡定波：南通智能感知研究院特别顾问。中国科学院院士，红外及遥感专家，1991年当选中国科学院学部委员（院士）。现任中国科学院上海技术物理研究所研究员，博士生导师。是我国红外与遥感技术的领路人，他的学术思想和科学成就开创了中国红外应用及遥感技术领域的新纪元。童庆禧：南通智能感知研究院特别顾问。中国科学院院士、联合国科学院院士、国际欧亚科学院院士，遥感技术与应用专家，1997年当选为中国科学院院士。我国遥感技术应用领域的最早开拓者之一。长期致力于气候学、太阳辐射和地物遥感波谱特征研究。薛永祺：南通智能感知研究院技术发展委员会主任。中国科学院院士，红外和遥感技术专家,1999年当选为中国科学院院士。现任中国科学院上海技术物理研究所研究员、博士生导师，中科院空间主动光电技术重点实验室学术委员会主任。长期致力于多光谱和成像光谱技术研究，为中国建立机载实用遥感系统提供了多种先进的遥感手段，并推动了中国遥感技术的应用。先后研制成功多光谱扫描仪、成像光谱仪、超光谱成像仪。沈学础：南通智能感知研究院学术发展委员会主任。中国科学院院士，物理学家，1995年当选为中国科学院院士。现任上海技术物理研究所研究员，博士生导师，复旦大学教授，上海大学理学院名誉院长，国际巴登奖评定委员会委员和多个国际杂志编委。主要从事固体光谱和固体光谱实验方法等方面的科学研究。褚君浩：南通智能感知研究院产业发展委员会主任。中国科学院院士，半导体物理和器件专家，2005年当选为中国科学院院士。现任中国科学院上海技术物理研究所研究员、博士生导师，SCI期刊《红外与毫米波学报》主编，复旦大学光电研究院院长和上海虹口区科协主席等职。长期从事红外光电子材料和器件的研究，开展了用于红外探测器的窄禁带半导体碲镉汞（HgCdTe）和铁电薄膜的材料物理和器件研究。刘银年：南通智能感知研究院院长/首席科学家。中国科学院上海技术物理研究所研究员，博士生导师，所学术委员会副主任；中国遥感应用协会高光谱遥感技术与应用专业委员会主任；上海市十大科技英才，全国优秀科技工作者，国家级人才计划入选者；是我国星载高光谱遥感载荷的主要开拓者，先后主持了国家级重大项目10余项，是多个国家级项目的首席科学家、首席专家。带领团队率先突破了国际上光谱成像难以同时兼顾宽谱、宽幅、高光谱分辨率和高探测灵敏度的技术瓶颈，建立了星载光谱成像载荷技术研发体系，研制出国际上首台星载宽谱宽幅高光谱相机，实现了国际上4颗高光谱卫星在轨组网观测，技术水平大幅领先国际在轨和在研的同类载荷，推动了水体土壤微克量级大范围探测、数百万平方公里以上矿物填图、复杂地物精细识别、甲烷点源排放精准监测等一系列重大应用难题的突破。相关研究成果发表于《IEEE GRSM》和《Science Advances》等国际顶级期刊。孙德新：南通智能感知研究院执行院长/首席专家。中国科学院上海技术物理研究所研究员、博士生导师，中国遥感应用协会高光谱遥感技术与应用专业委员会秘书长。长期致力于红外高光谱光电遥感技术的研究，在空间信息获取与处理技术、成像技术、光电信息处理等方面具有深厚的理论功底和丰富的实践经验。先后负责或参与完成了红外及高光谱载荷研制相关国家重大科研项目及型号任务十余项。环境减灾二号A/B卫星主任设计师，国家重点研发计划“静止轨道全谱段高光谱探测技术”项目负责人。陈效双：南通智能感知研究院学术发展委员会副主任兼秘书长/微纳光电子首席科学家。中国科学院上海技术物理研究所研究员、博士生导师，红外物理国家重点实验室主任。研究领域为红外光学，微纳光子学，人工量子结构和量子操控，光电子材料与器件。先后承担国家重点研发计划量子调控与量子信息重点专项项目，国家自然科学基金重大研究计划重点项目，国家自然科学基金重大项目和重点项目，中国科学院创新工程项目，上海市科学技术委员会基础重大和重点项目等国家和省部级科研项目10余项。吴亦农：南通智能感知研究院空间制冷技术首席专家。中国科学院上海技术物理研究所研究员、博士生导师。长期致力于空间低温制冷机研发、制造和应用，以及制冷装置可靠性和长寿命技术、空间载荷低温系统集成和热管理技术等研究。负责并完成四十余项航天预研及工程型号任务，以及国家重大专项中的制冷器研制及载荷热管理技术服务项目。陈永平：南通智能感知研究院微电子技术首席专家。中国科学院上海技术物理研究所研究员、博士生导师。长期致力于硅基光电器件的研究，在CMOS图像传感器、PN/APD光电传感器、CMOS与红外MEMS集成器件等方面具有深厚的理论功底和丰富的实践经验。先后主持完成航天遥感用系列化硅基光电传感器研制、硅基光电子前沿研究、红外MEMS关键技术研发等十余项国家级重点项目。现为国家重点研发计划“超大规模红外MEMS组件”项目负责人、首席科学家。尹忠海：南通智能感知研究院人工智能首席专家。高光谱遥感与应用技术专业委员会委员。长期致力于遥感影像、自组织网络及人工智能方面的研究工作，主持或参与项目近20项。曾任卫星地面分发系统数字指纹追踪子系统的主任设计师，建立了遥感影像数据分发的追踪机制；主持了国家重点型号项目数据链分系统的总体设计工作，形成跨代新体制下的网络架构，设计了高效分簇管控机制和传输协议并予以实现；为国家973项目课题负责人、总师组主要成员，面向事件驱动的“激励与响应”机理，提出了用于复杂事件处理的事件代数系统，相关成果应用于不同场景集群系统的智能涌现和逻辑控制建模。此外，感知院已形成高层次人才占比达80%的研发团队。其中，全职人员53人，外部专家34人。

瑞士Cytosurge公司的多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT，是将原子力系统、微流控系统、纳米位移台系统合为一体的单细胞操作系统，能够在单细胞水平上为研究者提供很大的便利，可应用于单细胞力谱、单细胞质谱、单细胞基因编辑、细胞系构建、药物研发、医疗等领域。本文将从单细胞实验方法和多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT结构出发，详细介绍多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT在单细胞力学实验中的应用。 一. 单细胞实验方法简介 在细胞生物学实验中，由于细胞的异质性，每个细胞互相之间都存在一定差异，因此在单细胞层面研究细胞性质可以获得更加准确的结果。近年来，多种单细胞研究技术不断涌现，应用于医学诊断、组织工程和药物筛选等领域。 对于细胞力学测定，原子力显微镜（AFM）能够对单个细胞或生物分子进行高分辨成像和力谱测定，但是细胞与探针的结合过程不可逆，无法实现连续、快速的检测。 对于细胞分离/分选技术，可选的有玻璃细管、光镊、流式细胞分选和磁珠分选等方法，然而有的从表面分离细胞时容易损伤细胞，有的无法从同类细胞群中分离出单个细胞。 对于细胞注射与提取，可选用纳米喷泉探针、纳米针和碳纳米管等，然而这些方法无法实现飞升以下量的含量注射，且注射时间较长。 多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT，针对细胞力学测量、分离/分选、注射与提取等应用，在结合以上技术的优势的同时克服了这些技术固有的问题，是一套多功能的单细胞研究系统，在单细胞研究领域发挥着巨大作用。 二. 多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT结构 简单来说，多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT是AFM与微流控的结合，主要由AFM扫描头、压力控制器与微流控探针组成（图1）。AFM扫描头装载于倒置显微镜上，整体结构大致与普通AFM相同，主要区别是探针中间有微流通道，后端连接液体池，前端探针有一小孔，用于液体的流入流出。微流通道内径小于细胞，防止细胞进入堵塞；探针则有多种不同孔径和不同的弹性，可根据不同应用以及不同样本更换所需探针。图1 FluidFM BOT系统图示。（a）微流控系统与AFM的结合应用；（b）（c）（d）探针的特殊设计。 三. 单细胞力学应用 传统AFM用于单细胞力学测量时，需要对探针进行一定处理以粘附细胞，后再与需要和细胞相互作用的表面、分子或其他细胞相结合，有时会产生多个细胞粘附，且反复测力会导致细胞被破坏，使得每次测量都必须准备新的探针，实验效率较低。 多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT通过将AFM与微流控相结合，使单细胞力学实验更高效，更简洁。对于已经结合在表面的固定细胞，可根据细胞尺寸安装适用的探针，从上方接触需要测量的细胞，通过微流控系统施加负压吸起细胞，获得力-距离曲线；也可以吸取悬浮细胞，与表面或其他固定细胞接触后，测量力-距离关系。这种方法能够提供远比蛋白结合牢固的多的吸附力，能够将细胞牢固的固定在探针上面，因此能够用于直接从基质上分离；另一方面，由于没有生物处理，这种方法不会改变任何细胞表面的通路，从而能够得到接近细胞原生的数据。 单个细胞测量完成后可移动探针至细胞板其他孔内，施加正压将其释放，再回到实验孔吸取下一个细胞，意味着单个探针可以进行多次测量。 细胞粘附是许多生理过程的重要步骤，细胞粘附力的测定可以为组织形态发生、胚胎发育、肿瘤、免疫反应和微生物膜等研究提供重要信息。多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT支持真核和原核细胞与细胞板/培养皿表面、抗菌/粘性/抗体包被的表面或其他细胞的粘附力测量（图2）。图2 不同细胞在不同环境下的粘附力-距离曲线。（a）探针接近、暂停、吸取并拉伸细胞的过程中探针偏转随时间的变化；（b）Hela细胞与纤连蛋白包被的表面的粘附力-距离曲线；（c）不同接触时间下大肠杆菌与PLL表面的粘附力-距离曲线；（d）大肠杆菌与PLL表面的分离距离与接触时间的关系；（e）酿脓链球菌与玻璃表面的粘附力-距离曲线，表示多个球菌的连续分离；（f）单个细胞与单细胞层的粘附力-距离曲线。 Sankaran等人[1]使用多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT来研究在共价和非共价的表面整合素受体对细胞粘附力的影响。通过测定发现两者均可有效增加细胞的粘附能力，并且效果近似（图3）。图3使用FluidFM BOT测定共价键与非共价键的整合素受体之间RGD的区别。（a）实验示意图；（b）粘附力测定前后示意图；（c）粘附力-距离曲线；（d）大粘附力。 多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT还可用于测量细胞的应力以研究细胞骨架的性质。Sancho等人[2]将10μm的小胶球吸附于探针上，之后使用探针去压细胞直到探针压力达到2 nN，通过压痕曲线来分析细胞骨架变化。通过对比发现过量表达MSX1的细胞硬度显著高于普通细胞（图4）。图4 使用FluidFM BOT测定HUAEC中MSX1过表达对细胞骨架的影响。（d）实验示意图；（e）吸附10μm珠子；（f）下压时空白细胞的力学谱线；（g）下压时MSX1过表达细胞的力学谱线，凹陷更深、斜率更高，表示其刚度相对更高；（h）胶体压痕法的测量结果。 四. 其他应用 多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT可用于细胞内注射与提取（图3），通过力学测量，可以控制探针刺入细胞质或细胞核内进行飞升别含量的液体注射或提取。此外，FluidFM BOT系统还可用于细胞分离以及细胞延展性研究。图5 FluidFM BOT系统的细胞内注射过程。（a）探针对准细胞；（b）探针刺破细胞膜，注入含荧光染料的目标液体；（c）探针与细胞分离，注射完成。 多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT克服了现有单细胞技术的短板，将多种单细胞应用相结合，高通量、高效率地获取单细胞层面的详细数据，研究多种细胞性质，尤其适合应用于医疗、单细胞生物学、单细胞质谱、单细胞基因编辑、药物研发等领域。 多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT在Quantum Design中国子公司与北大生科院共建实验室成功安装，为了更好的服务客户，Quantum Design中国子公司提供样品测试、样机体验机会，还等什么？赶快联系我们吧！ 电话：010-85120277/78 邮箱：info@qd-china.com，期待与您的合作！ 参考文献：[1]. Cell Adhesion on Dynamic Supramolecular Surfaces Probed by Fluid Force Microscopy-Based Single-Cell Force Spectroscopy, ACS Nano 2017, 11, 4, 3867–3874.[2]. A new strategy to measure intercellular adhesion forces in mature cell-cell contacts. Sci Rep 7, 46152 (2017).

近日，刊登在国际杂志Scientific Reports上的一篇研究论文中，来自诺丁汉大学的研究人员通过研究构建了一种新型微观细胞，其可以帮助开发治疗疾病的新型疗法，这种微观细胞可以被操作，并且可以利用高强度的红外线来进行3D模式的研究。文章中研究者发现如何利用全息光镊技术(Holographic Optical Tweezers)来控制微小的细胞，从而在3D显微镜下对其进行移动来使其按照研究者的意愿进行排列；Glen Kirkham教授说道，人类机体的基础就是由无数个细胞所构成，但问题是我们如何控制小世界内细胞的生存和生长，如果我们可以更好地理解细胞的工作机制并且检查出细胞出错的地方，那么或许就可以帮助开发出新型治疗疾病的疗法。在机体中干细胞存在于骨髓中，其可以为机体提供所需的血细胞，并且可以修复损伤，但其存在于名为干细胞生境的小世界中，在那里功能细胞存活、生长以及发挥功能，但研究者并不知道这个小世界具体发生着些什么，因为目前无法在实验室中对这种小环境进行重建。这项研究中，研究人员利用了一种新技术实现对了对这种细胞结构生境的重建，这样研究者就可以学习干细胞是如何被组织、彼此沟通以及完成多种细胞功能的。短期来讲，研究小组想利用这些微观细胞来检测新型药物及疗法的作用效果，将来他们将会深入去研究者中微观细胞来解释特定的细菌如何在一定水平下对其进行破坏，并且揭示其所涉及的分子机制。最后研究者Kirkham说道，在此前我们并没有开发出一种新型工具来研究细胞，此前研究者是利用物理控制方法来研究细胞；利用全息光镊技术研究人员就可以对大量细胞进行同时移动并且研究，而移动过程中产生的激光能量并不会损伤细胞的功能。研究者希望通过对细胞微环境的深入研究可以帮助开发出治疗疾病的新型靶向疗法。hz-E10182中文名称：人内吗啡肽-2(EM-2)ELISA试剂盒英文名称：Human endomorphin-2,EM-2 ELISAkit规格：48T/96Thz-E10183中文名称：人α-内吗啡肽(α-EP)ELISA试剂盒英文名称：Human α-Endomorphin,α-EP ELISAkit规格：48T/96Thz-E10184中文名称：人抑制素(INH)ELISA试剂盒英文名称：Human Inhibin,INH ELISAkit 规格：48T/96Thz-E10185中文名称：人神经元凋亡抑制蛋白(NAIP)ELISA试剂盒英文名称：Human neuronal apoptosis inhibitory protein,NAIP ELISAkit规格：48T/96Thz-E10186中文名称：人食欲素/阿立新B(OX-B)ELISA试剂盒英文名称：Human Orexin B,OX-B ELISAkit规格：48T/96Thz-E10187中文名称：人促睡眠肽(DSIP)ELISA试剂盒英文名称：Human delta sleep-inducing peptide,DSIP ELISAkit规格：48T/96Thz-E10188中文名称：人6-羟多巴胺(6-OHDA)ELISA试剂盒英文名称：Human 6-hydroxydopamine,6-OHDA ELISAkit规格：48T/96Thz-E10189中文名称：人心纳素(ANF)ELISA试剂盒英文名称：Human atrial natriuretic factor,ANF ELISAkit规格：48T/96Thz-E10190中文名称：人神经髓鞘蛋白(p2)ELISA试剂盒英文名称：Human myelin protein 2,p2 ELISAkit规格：48T/96Thz-E10191中文名称：人精氨酸加压素(AVP)ELISA试剂盒英文名称：Human arginine vasopressin,AVP ELISAkit规格：48T/96Thz-E10192中文名称：人垂体腺苷酸环化酶激活肽(PACAP)ELISA试剂盒英文名称：Human pituitary adenylate cyclase activating polypeptide,PACAP ELISAkit规格：48T/96Thz-E10193中文名称：人微管相关蛋白2(MAP-2)ELISA试剂盒英文名称：Human microtubule-associated protein 2,MAP-2 ELISAkit规格：48T/96Thz-E10194中文名称：人神经丝蛋白(NF)ELISA试剂盒英文名称：Human neurofilament protein,NF ELISAkit规格：48T/96Thz-E10195中文名称：人利钾尿肽(KP)ELISA试剂盒英文名称：Human kaliuretic peptide,KP ELISAkit规格：48T/96Thz-E10196中文名称：人神经降压素(NT)ELISA试剂盒英文名称：Human Neurotensin,NT ELISAkit规格：48T/96Thz-E10197中文名称：人神经激肽B(NKB)ELISA试剂盒英文名称：Human Neurokinins B,NKB ELISAkit规格：48T/96Thz-E10198中文名称：人强啡肽(Dyn)ELISA试剂盒英文名称：Human dynorphin,Dyn ELISAkit规格：48T/96Thz-E10199中文名称：人脑啡肽(ENK)ELISA试剂盒英文名称：Human enkephalin,ENK ELISAkit规格：48T/96Thz-E10200中文名称：人γ肽(Pγ)ELISA试剂盒英文名称：Human Peptide γ,Pγ ELISAkit规格：48T/96Thz-E10201中文名称：人C型钠尿肽(CNP)ELISA试剂盒英文名称：Human C -type natriuretic peptide,CNP ELISAkit规格：48T/96Thz-E10202中文名称：人阿立新A(Orexin A)ELISA试剂盒英文名称：Human Orexin A ELISAkit规格：48T/96Thz-E10203中文名称：人神经肽Y(NP-Y)ELISA试剂盒英文名称：Human neuropeptide Y,NP-Y ELISAkit规格：48T/96Thz-E10204中文名称：人脑肠肽(BGP/Gehrelin)ELISA试剂盒英文名称：Human brain-gut peptides,BGP/Gehrelin ELISAkit规格：48T/96Thz-E10205中文名称：人乙酰胆碱(ACH)ELISA试剂盒英文名称：Human acetylcholine,ACH ELISAkit规格：48T/96Thz-E10206中文名称：人脑钠素/脑钠尿肽(BNP)ELISA试剂盒英文名称：Human brain natriuretic peptide,BNP ELISAkit规格：48T/96T

以极限感知确立“中国精度”之江实验室以人工智能为骨干支撑，以智能感知、智能计算、智能网络和智能系统为主要方向开展基础研究和核心技术攻关，目标建成世界一流的人工智能基础研究中心。朱世强主任认为，“之江实验室要打造全新的人工智能技术生态体系，不能简单的停留在算法研究的层面，更不能单纯利用国外开源开放的算法做应用开发。未来人工智能领域的核心竞争在于更前沿的基础研究，从科学的角度来看，真正的智能起源于对外部世界信息的精确感知，培育超级感知能力是之江实验室打造人工智能技术生态的重要基础。这也是我们谋划建设量子精密测量大科学装置的初衷。”之江实验室首席科学家房建成院士介绍说，“我们将投入15亿元建设量子精密测量科学装置，基于原子自旋效应、原子干涉效应、光子动量效应等原理，实现超高灵敏惯性、极弱磁、极弱力、绝对重力等多种物理量的超高精度测量，突破传统测量方法的理论极限，确立‘中国精度’。”要实现国际领先水平的超高精度传感与测量，之江实验室的科研团队有底气。量子精密测量科学装置集结了北京航空航天大学、浙江大学等国内最顶尖的专家团队，在极弱磁测量、惯性测量等研究领域多次获得国家级奖励。促进基础研究与应用研究融通发展据介绍，量子精密测量大科学装置将支撑科学家开展诺奖级前沿科学问题的探索，如在验证宇宙空间CPT对称破缺、新的相互作用力、非牛顿引力，研究纳米间距Casimir效应、量子—经典转换问题等前沿物理学方面发挥重要作用。“建设大科学装置不仅仅是实验室自己的科研需要，我们更希望依托重大装置吸引全世界最优秀的科学家到之江实验室探索前沿科学问题，同时做好技术的转化应用，服务于产业发展。”之江实验室主任朱世强表示。量子精密测量大科学装置不仅可以帮助拓展人类的认知边界，还具有很广阔的应用前景，如大幅提升导航、激光制导、水下定位、医学检测和引力波探测等的准确性和精度。科技进步最终用于改善民生，也是建设这一大科学装置的主要任务之一。子项目新型无损被动高分辨率心脑磁研究装置负责人说，“量子传感研究中心正在研究的新型被动式原子磁强计（fT级），能在屏蔽外界磁场环境下直接测量大脑发出的磁场，有望实现脑神经系统的功能测量。SERF极弱脑磁心磁测量可能带来变革性技术，破解目前核磁共振等观测设备对婴幼儿、体内含金属部件患者等特殊人群无法使用的问题。”之江实验室将建成国际一流的心磁和脑磁两类研究装置，结合医学成像技术，攻关心脑极弱磁测量。“体制机制创新就是生产力”“如果从零开始谋划的话，一个大科学装置往往需要十几年的时间，才能从构想到建成落地。之江实验室成立不到两年的时间，已经有两个大科学装置通过论证，这主要源于我们在科研体制机制创新上的优势，后续我们还将启动一个、筹划一个，再培育一个。”朱世强介绍。实验室最先通过论证的就是量子精密测量大科学装置。房建成院士对于该装置的快速启动给出了干脆利落的回答：“体制机制创新就是生产力。”“之江实验室从项目发现、团队组建，再到论证立项和过程管理都进行了一系列的制度创新，大兵团作战的协同攻关推动科研提质增速。半年多的时间，我们完成了项目各种环节的多轮论证，在提升效率的同时保证科研的严谨性。”房建成院士说据介绍，量子精密测量大科学装置的目标是引领国际。在2020年底之前，项目组将结合之江实验室新园区建设工作，开展关键技术研究平台搭建，完成装置的总体设计。到2023年，在条件设施更优化的新建实验室中继续优化提升指标，持续引领国际水平。

北京时间10月3日17时50分许，在瑞典首都斯德哥尔摩，瑞典皇家科学院宣布，将2023年诺贝尔物理学奖授予美国俄亥俄州立大学名誉教授皮埃尔阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、匈牙利-奥地利物理学家费伦茨克劳斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大学教授安妮呂利耶（Anne L’Huillier），以表彰他们在阿秒光脉冲方面所做出的贡献。2023年每项诺贝尔奖的奖金也由去年的1000万瑞典克朗，增加到1100万瑞典克朗，约合人民币720万元。“阿秒”是时间单位，即10-18秒。按照时间长短划分，从秒开始依次是毫秒(10-3秒)、微秒(10-6秒)、纳秒(10-9秒)、皮秒(10-12秒)、飞秒(10-15秒)、阿秒(10-18秒)。而“阿秒光脉冲”就是指持续时间在阿秒量级的光脉冲。如此短的脉冲持续时间也为其带来了重要的应用。对此，诺贝尔奖给出的获奖理由如下：获奖理由：三位2023年诺贝尔物理学奖获得者因其实验而获得认可，这些实验为人类探索原子和分子内部的电子世界提供了新的工具。Pierre Agostini、Ferenc Krausz和Anne L’Huillier已经证明了一种制造超短光脉冲的方法，可以用来测量电子移动或改变能量的快速过程。当人类感知到快速移动的事件时，它们会相互碰撞，就像一部由静止图像组成的电影被感知为连续的运动一样。如果我们想调查真正短暂的事件，我们需要特殊的技术。在电子的世界里，变化发生在十分之几阿秒——阿秒如此之短，以至于一秒钟内的变化与宇宙诞生以来的秒数一样多。获奖者的实验产生了短到以阿秒为单位测量的光脉冲，从而证明这些脉冲可以用来提供原子和分子内部过程的图像。1987年，Anne L’Huillier发现，当她将红外激光传输通过稀有气体时，会产生许多不同的光泛音。每个泛音是激光中每个周期具有给定周期数的光波。它们是由激光与气体中的原子相互作用引起的；它给一些电子额外的能量，然后以光的形式发射出去。Anne L’Huillier继续探索这一现象，为随后的突破奠定了基础。2001年，Pierre Agostini成功地产生并研究了一系列连续的光脉冲，其中每个脉冲只持续250阿秒。与此同时，Ferenc Krausz正在进行另一种类型的实验，这种实验可以分离出持续650阿秒的单个光脉冲。获奖者的贡献使人们能够对以前无法遵循的快速过程进行调查。诺贝尔物理学委员会主席伊娃奥尔森表示：“我们现在可以打开电子世界的大门。阿秒物理学让我们有机会了解电子控制的机制。下一步将利用它们。”。在许多不同的领域都有潜在的应用。例如，在电子学中，理解和控制电子在材料中的行为很重要。阿秒脉冲也可以用于识别不同的分子，例如在医学诊断中。魏志义：我国激光产业发展迅速，未来可期实际上我国也一直在阿秒激光领域深耕，培养了一批杰出的科研人员。当前国内研究超快激光和阿秒激光的主要代表人物是来自中国科学院物理研究所的魏志义研究员，主要研究领域为超短超强激光物理与技术，包括飞秒激光放大的新原理与新技术、阿秒激光物理与技术、光学频率梳及应用等。魏志义研究员长期致力于超短脉冲激光技术与应用研究，主要成果有：提出了高对比度放大飞秒激光的一种新方法，得到同类研究当时国际最高峰值功率的PW（1015瓦）超强激光输出，创造了新的世界纪录；发明了同步不同飞秒激光的新方案，研制成功综合性能国际领先的同步飞秒激光器；建成国内首个阿秒（10-18秒）激光装置，得到了脉冲宽度小于200阿秒的极紫外激光脉冲；发展了新的光学频率梳技术，研制成功综合性能先进的系列飞秒激光频率梳；利用新的脉冲压缩技术与国外同事一起获得了亚5fs的激光脉冲，打破了保持10年之久的超短激光脉冲世界纪录；研制成功系列二极管激光直接泵浦的新型全固态超短脉冲激光，开发成功多种飞秒激光产品并提供国内外多家用户。仪器信息网在世界光子大会上有幸采访了魏志义研究员。魏志义表示，超快激光（即超短脉冲激光）领域激光领域前沿研究主要关注如何实现越来越窄的激光脉冲宽度，窄的激光脉冲可以用于物质中分子、原子甚至电子的运动过程研究，因为运动过程决定了物质的一些规律和属性。科研人员关注的另一方面是激光功率，更高功率的激光可能用于武器、加工、医疗等领域。功率方面的研究主要包括峰值功率和平均功率，其中峰值功率研究我国处于世界前列。魏志义在采访中表示其对高频功率非常关注和感兴趣。谈到国内在相关领域的前沿研究进展时，魏志义表示，我国在激光领域具有比较好的基础，与国外水平接近，虽然在整体上还有较大差距,但在部分领域有所领先。在超快脉冲激光方面，我国上世纪八九十年代与国际水平差距并不大，如西安光机所、天津大学、中山大学做得都非常不错。当前超快激光脉冲突破到阿秒量级，国内包括物理所在内的一些单位也拥有产生阿秒脉冲激光的能力，可以用来开展研究工作。在激光高频功率方面，上海光机所等单位在峰值功率研究上已达国际领先水平，并将国际水平推向了新的高度。据介绍，物理所十多年前在峰值功率方面取得了很好的研究成果，做到了当时国内最好也是国际上最高的的峰值功率。但在高频功率方面我国还是与国外有较大差距，特别是在产业方面。魏志义建议，接下来不仅要在极端指标方面，还要在可靠稳定性、高频功率方面做出突破，更好的提供给广大用户开展应用工作。魏志义也强调，我国当前在超快激光研究方面有些落后，但也在奋起直追，跟国际最高水平相比有一定差距，在高频物理方面，工业应用方面差距更大。但同时，魏志义表示这些年我国激光产业发展非常迅速，未来可期。

【研究背景】富镍三元层状材料NMC(LiNixMnyCo1−x−yO2，x0.6)因具有能量密度高，成本低等优点成为锂离子电池中应用前景广阔的正极材料。但其较差的结构稳定性导致循环性能不理想，极大地限制了该类材料在的广泛应用。目前商业化的富镍正极材料大多是由纳米级别一次颗粒团聚而成的几到十几微米左右的二次球型多晶材料。在实际使用时反复脱嵌锂过程中，尤其是在深度充放电中，由于一次颗粒各向异性的体积变化引起的机械应力会诱导NMC沿着内部晶界产生晶间裂纹，导致二次颗粒破碎而失去电化学活性，阻碍离子扩散和电子传输，引起电池性能衰退。这种正极材料体相行为已经受到研究者的广泛关注，但其中针对单个颗粒内部的充放电性能和内部裂纹形成与演变之间的关系一直难以窥探。近年来，原位透射电子显微镜(in-situ TEM)表征手段已被广泛用于研究电池纳米电极材料中的电化学和力学之间关联耦合问题，并获得了原子尺度下耦合效应导致的表面相转变以及裂纹形成扩展的微观结构信息，加深了对电极材料失效机制的理解，但该方法研究的单体电极材料在百纳米厚度范围，引入的原位电化学反应也并不符合实际的电池工况环境（粘结剂/颗粒接触）。而原位扫描电子显微镜(in-situ SEM)兼具较大的样品安装空间，低损伤，对环境真空度要求低等优点，通过构建接近锂离子电池实际工况条件，可以在微纳米尺度原位观察块体电极在循环过程中的形貌和结构演变。目前已经少量报道关于运用原位SEM技术研究锂离子电池电极块体结构变化的实验方法和结果，但是在接近锂离子电池实际工况条件下能够用到单颗粒电极行为的研究方法还未见报道。更重要的是，目前普遍认为二次颗粒级NMC内部裂纹的产生是性能衰退的主要原因之一，但是单颗粒NMC在电池循环中裂纹形成早期阶段以及扩展路径还未被直接观察到。【成果简介】为了探究循环过程中富镍二次颗粒内部体相微结构的演变过程，近日，北京工业大学材料与制造学部张跃飞研究员和吕俊霞副研究员等人通过构建扫描电镜-电化学工作站联合测试系统，以LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NMC-811）正极为研究对象，开展了电池工况条件下的原位扫描电子显微学研究。在纳米级分辨水平实时观察到了富镍正极NMC-811二次颗粒在充放电循环过程中内部微裂纹形成与扩展的演变过程，表征了不同电压窗口下正极材料裂纹的产生过程，发现了高电压充放电裂纹更容易形成，初始裂纹均形核于颗粒内部，并沿着晶界向外扩展。直接的实验证据研究表明NMC-811二次颗粒内部裂纹形成后随充放电循环次数呈现“生长-暂停-生长”的周期性扩展规律。这些结果在纳米分辨水平展示了层状正极材料充放电早期裂纹产生的全景图像，对进一步提升NMC-811的循环寿命提供了直接实验依据。这项工作以题为“Real-Time Observation of Chemomechanical Breakdown in a Layered Nickel-Rich Oxide Cathode Realized by In Situ Scanning Electron Microscopy” 发表在国际顶级期刊ACS Energy Letters，IF：19。博士研究生程晓鹏为本文第一作者，共同第一作者为李永合博士（德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）洪堡博士后），其他主要参与作者曹天赐，吴睿，王明明均为北京工业大学在读博士生。【图文导读】图1图1扫描电镜(SEM)-电化学工作站观察真实电池循环中单个富镍NMC-811正极颗粒内部变化的装置示意图。该原位电池结构和组成与真实扣式电池一致，包括锂负极，隔膜，和NMC正极。两侧的Cu和Al集流体通过特制接口连接到外部电化学工作站。为保持更加接近商业化电池的液态反应环境，采用饱和蒸汽压极低的离子液作为电解质，从而能够维持在电镜高真空环境中稳定传输锂离子。同时采用特制夹具固定电极施加压力，装置上方敞口，用于原位扫描观察形貌，颗粒截面通过聚焦离子束(FIB)技术切割制备得到。图2图2 (a) NMC-811电极恒流充放电曲线。(b-d) 在截止电压为4.1V时，充放电循环第1圈和第3圈时对应的颗粒截面SEM图像，显示低电压下循环近4000分钟，颗粒保持完好状态。(e-g) 将截止电压提高到4.7V，充放电循环第5圈和第6圈时对应的颗粒截面SEM图像，箭头指示将电压提高后循环过程中颗粒中心形成裂纹。图3图3 在高截止电压4.7V下对NMC-811电极在循环过程中的原位观察。(a) 充放电曲线。(b-h) 不同充放电循环圈数下颗粒内部的SEM图像，对应(a)图中的箭头所示位置，比例尺为5µm。(i) 基于灰度直方图得到的分割图像，红色代表裂缝区域。(j) NMC-811二次颗粒内部形成的裂纹长度和总裂纹面积随循环次数变化关系。(k)电化学循环过程中NMC-811二次颗粒裂纹生长扩展的理论模拟结果。图4图4 (a，b，c) 初始NMC-811颗粒的HAADF-STEM表征以及层状结构的晶格示意图。(d，e，f) 在4.7 V下，循环10圈后NMC-811颗粒的HAADF-STEM表征以及岩盐石结构的晶格示意图。可以看到高电压循环后明显的树枝状裂纹出现在颗粒中心，并沿一次晶粒的晶界扩展。 图5图5 (a) NMC-811二次颗粒在4.1V和4.7V截止电压下内部微观结构演变的示意图。(b) 有限元模拟不同荷电状态下的等效应力分布示意图。核心区域随机排列的晶粒之间产生相对较大的失配应变，使更高的应力集中在晶界。这种高集中应力(1.5 Gpa)对于弱晶界很难维持，从而导致晶间裂纹的萌生和扩展。【总结和展望】充分理解电池材料中复杂的反应机制，才能有效促进开发高能量密度和长寿命的锂离子电池，在这里我们利用in-situ SEM先进表征手段对富镍正极材料的衰退机理进行了深入挖掘。通过在SEM中搭建接近工况条件的液态原位电池，以富镍正极NMC-811二次颗粒为研究对象，实现了单个NMC-811颗粒体相微结构变化的可视化观察，揭示了其内部电化学循环诱发力学失效引起的裂纹形成及扩展机制。实验结果表明二次颗粒在循环过程中内部裂纹产生与电压窗口有着密切关系：在较低的循环电压 4.1 V 条件下，颗粒内部不易有微裂纹产生，然而将循环电压提高到 4.7 V，在循环的初期颗粒内部已经逐渐产生裂纹，并且裂纹从二次颗粒中心区域开始形成，逐渐延伸扩展到表面。有限元模拟结果表明颗粒内部核心区无序排列的晶粒之间会在晶界处产生相对较大应力集中，脱嵌锂过程中会诱导核心区域率先开裂，并在后续重复循环过程中扩散到整个颗粒。通过对裂纹长度和面积的统计，结果表明裂纹生长呈现“生长-暂停-生长”的机制，与理论模拟结果一致。进一步结合透射电镜测试表明在裂纹尖端处存在明显的阳离子混排，形成厚度约为10 nm相变层，是诱导裂纹的进一步扩展的主要原因。该研究工作测试了锂离子电池体相失效的关键驱动因素，将进一步丰富对富镍三元正极材料在长循环过程中失效行为的认知。同时本工作构建的in-situ SEM-电化学工作站联合测试实验方法，可进一步推广到全固态电池，锂金属电池等体系中，可以在微纳米尺度定量化揭示在不同工况条件下相关材料的失效机制，为全面理解高性能电池材料的充放电工作机制提供重要的参考依据。Xiaopeng Cheng, Yonghe Li, Tianci Cao, Rui Wu, Mingming Wang, Huan Liu, Xianqiang Liu, Junxia Lu, and Yuefei Zhang. Real-Time Observation of Chemomechanical Breakdown in a Layered Nickel-Rich Oxide Cathode Realized by In Situ Scanning Electron Microscopy. ACS Energy Lett. 2021, DOI:10.1021/acsenergylett.1c00279

心血管系统是脊椎动物胚胎发育的第一个功能器官系统，其主要功能是运输、控制和维持全身的血流。由于不断暴露在来源于血流量和压力的多种机械力下，心血管系统是最容易受到机械力学刺激的系统之一。在这种情况下，心血管系统中的细胞由于心脏跳动产生的脉动变化以及血流产生的剪切应力等永久地受到力学刺激。一方面，流体剪切应力、血管壁机械牵张力、细胞与细胞之间的胞间力等外力组成了心血管系统的力学刺激。另一方面，心血管细胞力学描述了心血管的细胞或组织弹性的动力学。 心肌组织是由心肌细胞、心脏成纤维细胞、细胞外基质、血管等组成的复杂和高度层次化的组织，其组织结构与心脏的宏观力学和形态特性密切相关。随着心脏从单腔结构演变为多室结构，心脏瓣膜开始控制心脏周期中的单向血流。在此期间，心室肌细胞以纤维的形式排列，在心脏壁内形成复杂的层流模式，赋予了心脏包括各向异性、黏弹性在内的多种力学性能。此外，细胞外基质维持了心脏完整性并支持其功能。心脏间质外基质主要由成纤维细胞样细胞产生和维持，为心肌提供了必要的结构支持，保留了心室的力学特性。血流和基质成分的改变都将在一定程度上影响整个心脏的结构和功能。血管在组织结构较高，特别是大组织和器官结构的产生中发挥着重要作用。所有组织生长需要建立足够的血管结构。血管主要由血管内皮细胞（endothelial cells，ECs）和周围的平滑肌细胞（smooth muscle cells，SMCs）或周细胞组成。这些特殊组分维持了血管的黏弹性、各向异性等力学特性。EC排列在血管的内表面，其在循环和周围组织之间提供选择性结构屏障，调节血管通透性和血流。血管内皮功能可以通过血流速率、血管直径或动脉力学特性变化来评估，这些特性与血管收缩和舒张活动有关。此外，SMCs是构成血管壁组织和维持血管张力的主要细胞成分。血管SMCs在组织发育过程中，不断暴露于脉动牵张力等力学刺激中，这种力学作用至少在一定程度上促进了血管组织成分的发育。心血管结构或可替代性的改变可以对心脏功能、血管收缩和扩张能力产生重要影响。特别是在病理情况下，了解心血管结构和力学特性的变化是阐明心血管疾病发生的必要条件，因为这些特性是正常心血管功能的关键决定因素。2022年，关于心血管的生物力学与力学生物学研究主要集中在心血管组分、结构和功能方面。在生理或病理条件下，对心脏和血管壁的生物力学特性、血管内的血流动力学参数、以及响应力学刺激后的生物学改变进行了广泛研究。此外，在微流体技术、纳米技术和生物成像技术等新技术的应用以及心血管生物力学建模领域也取得了进步。然而，机体自身存在的复杂力学环境导致体内心血管力学生物学相关的研究较少。因此，体内环境中不同力学条件下心血管损伤修复的力学生物学研究是未来重要的研究方向。1 心血管生物力学研究1.1 心脏结构和功能的生物力学特征心脏具有复杂的三维结构，在整体器官水平上的功能来自于细胞亚结构到整个器官的内在结构-功能的协调作用。然而，对人体心脏结构中细胞生物力学特征的研究还处于早期阶段。在最近的报道中，Chen等[1]通过空间维度剖析了心肌细胞的异质性，并明确了心肌细胞和血管细胞的空间和功能分区。该项研究表明心房或心室内存在明显的空间异质性，为心脏不同分区的功能异质性提供了理论基础。心脏的基本功能是收缩功能，由此产生的收缩力是心脏独特的力学特性。心脏收缩是一种复杂的生物力学过程，需要心肌细胞的收缩和松弛协同作用，产生足够的收缩力，将血液推向体循环和肺循环。以往研究更多的关注心脏的形态结构、心室大小和室壁厚度等因素对心脏收缩功能的影响，而缺乏对心脏收缩功能的直接表征。Salgado-Almario等[2]构建了一种新的斑马鱼品系，可用于斑马鱼心脏收缩期和舒张期钙水平的成像。该研究通过将Ca2+水平和心脏收缩功能关联起来，可实现对收缩功能的表征，有利于心力衰竭和心律失常等疾病病理生理学机制的阐明。此外，在心脏周期中，心脏收缩或舒张引起的血液流动与发育中的心脏壁不断地相互作用，从而调节心脏发育的生物力学环境。因此，确定整个心脏壁的力学特性是十分重要的。Liu等[3]在健康的成年绵羊模型中研究了左心室和右心室的生物力学差异，观察到右心室在纵向上比左心室顺应性强，在周向上比左心室硬，这表明不同心室的力学特性对舒张期血液充盈的影响不同。未来的研究应该根据不同室壁的生物力学原理开发对应的特异性治疗方法。值得注意的是，心脏瓣膜是控制心脏血流的重要组成部分，其力学特征对心脏功能和心脏瓣膜疾病的发展都有重要影响。瓣膜的生物力学特征包括瓣膜的弹性和变形能力等。这些特征可以影响瓣膜的开合和阻力，进而影响心脏血液流动和血液循环。因此，揭示心脏瓣膜的生物力学特性具有重要意义。软组织的力学性能是由其复杂、不均匀的组成和结构所驱动的。在一项二尖瓣小叶组织研究中，Lin等[4]开发了一种具有高空间分辨率的无损测量技术，证明了厚度变化可引起二尖瓣异质性的存在。此外，Klyshnikov等[5]利用数值模拟方法分析了主动脉瓣瓣膜移动性对瓣膜瓣叶装置的应力-应变状态和几何形状的影响，从应力-应变状态分布的角度出发，该研究的仿真方法可以优化心脏瓣膜假体的小叶装置几何形状。由此可见，心脏结构和功能的生物力学特征是多方面因素的综合反映，评估和解析心脏的结构和形状有利于对心脏功能作用的阐明。1.2 血管结构和功能的生物力学特征血管包括心脏的血管和周围的血管系统，这些血管的生物力学特征对心脏功能有重要影响。血管结构取决于血管的类型，其功能可分为血流动力学功能和血管功能两部分。血管的弹性和柔韧性可以影响血管的阻力和血液流动速度，从而影响心脏负荷和排血量。此外，血管的厚度和硬度也会影响血压和血液流动的速度。从生物力学和力学生物学角度去解析血管的结构和功能是目前研究的重要方向。在心血管疾病相关药物的开发中，需要精确定位和分离冠状动脉以测量其动态血管张力变化。然而，如何记录离体血管的动态生物力学特性一直困扰着人们。Guo等[6]建立了一种冠状动脉环张力测量的标准化和程序化方案，通过多重肌电图系统监测冠状动脉环沿血管直径的收缩和扩张功能，确保了生理、病理和药物干预后血管张力记录的真实性。ECs和SMCs是血管结构和功能完整性所必需的主要细胞类型。ECs可调节血管张力和血管通透性，而SMCs负责维持正常的血管张力和结构的完整性。ECs可以分泌多种生物活性物质，如一氧化氮、血管紧张素等，对血管张力和血流动力学产生调节作用。ECs还能响应外部力学刺激，如流体剪切应力和压力变化等，从而改变ECs的形态和功能，影响血管壁的生物力学特征。SMCs可以收缩和松弛，调节血管的管径和血管阻力。除细胞因素外，血管的力学性质还受到血管壁中胶原和弹性蛋白的性质、空间排列等因素的影响。这是因为SMCs是高度可塑性的，它能响应细胞外基质（extracellular matrix，ECM）固有的力学信号。最近的一项研究显示，现有的微血管网络在力学刺激的加入或退出时表现出明显的重塑，并且排列程度出现相应的增加或减少。在这个过程中，纵向张力可导致纤维蛋白原纤维的纵向排列[7]。正是这些细胞和细胞外组分赋予了血管的黏弹性、各向异性等力学特性。总体而言，血管的结构和功能是复杂而多样的，涉及到多种生物力学特性的相互作用。研究血管的生物力学特征可以帮助人们更好地理解血管疾病的发生和发展，为疾病的治疗和预防提供科学依据。1.3 心血管疾病与生物力学关系的研究进展心血管疾病是一类常见的疾病，包括动脉粥样硬化、动脉瘤、心肌梗死等。这些疾病的发生和发展与心血管系统的生物力学特性密切相关。在心血管生物力学与力学生物学领域，近年来对心血管疾病与生物力学关系的研究取得了许多进展。1.3.1动脉粥样硬化的生物力学特征研究动脉粥样硬化是一种常见的动脉疾病，其特征为动脉壁上的脂质沉积和炎症反应，导致血管壁逐渐增厚和失去弹性。动脉粥样硬化的发生和发展是一个复杂的过程，涉及多个生物力学因素的相互作用。在动脉粥样硬化中，SMCs从收缩表型转变为合成表型，而影响SMCs表型变化的因素尚未完全阐明。Swiatlowska等[8]发现基质硬度（stiffness）和血流动力学压力（pressure）变化对SMCs表型具有重要影响。在动脉粥样硬化发展过程中，在高血压压力与基质顺应性（matrix compliance）共同的作用下，才会导致SMCs完整的表型转换[8]。提高对冠状动脉微结构力学的认识是开发动脉粥样硬化治疗工具和外科手术的基础。虽然对冠状动脉的被动双轴特性已有广泛的研究，但其区域差异以及组织微观结构与力学之间的关系尚未得到充分的表征。Pineda-Castillo等[9]利用双轴测试、偏振光成像和前室间动脉共聚焦显微镜来描述了猪前室间动脉近端、内侧和远端区域的被动双轴力学特性和微结构特性，为冠状动脉旁路移植术中吻合部位的选择和组织工程化血管移植物的设计提供指导。动脉粥样硬化斑块的破裂是引起患者死亡的主要原因；但目前尚不清楚这种异质的、高度胶原化的斑块组织的破裂机制，以及破裂发生与组织的纤维结构之间的关系。为了研究斑块的非均质结构和力学性质，Crielaard等[10]研制了力学成像管道（见图1）。通过多光子显微镜和数字图像相关分析，这条实验管道能够关联局部主要角度和胶原纤维取向的分散度、断裂行为和纤维斑块组织的应变情况。这为研究人员更好地了解、预测和预防动脉粥样硬化斑块破裂提供了帮助。图1 在拉伸测试过程中斑块组织样本中的破裂起始和扩展[10]除SMCs以外，最近的一项研究揭示了动脉粥样硬化中ECs表面力学性质的变化。Achner等通过基于原子力显微镜的纳米压痕技术发现内皮/皮层僵硬度的增加[11]。事实上，内皮功能障碍在血管硬化中的作用一直是一个重要的研究方向。ECs的可塑性在动脉粥样硬化的进展中起关键作用，暴露于扰动、振荡剪切应力区域的内皮细胞功能障碍是动脉粥样硬化的重要驱动因素[12]。由此可见，未来的研究如能进一步明确ECs和SMCs对血管硬化相关心血管疾病的贡献，则可能为恢复动脉粥样硬化中的血管内皮和平滑肌功能提供重要的靶点。1.3.2动脉瘤的生物力学特征研究主动脉SMCs在维持主动脉机械动态平衡方面起着至关重要的作用。动脉瘤主动脉的SMCs表型受到力学因素的影响，但是主动脉瘤中SMCs的骨架硬度的改变情况缺乏相关的数据。Petit等[13]以附着在不同基质硬度上的动脉瘤或健康SMCs为对象，通过原子力显微镜纳米压痕技术研究了细胞骨架硬度的区域差异性。该研究结果表明，动脉瘤SMCs和正常SMCs的平均硬度分布分别为16、12 kPa；然而，由于原子力显微镜纳米压痕硬度检测值的大量分散，两者之间的差异没有统计学意义。在腹主动脉瘤中，Qian等[14]采用基于超声波镊（ultrasonic tweezer）的微力学系统探究了SMCs的力学特性（见图2）。结果发现，动脉瘤病理发展中细胞骨架的变化改变了SMCs的细胞膜张力，从而调节了它们的力学特性。图2 基于超声波镊的微力学系统检测腹主动脉瘤中SMC的力学特性[14]a使用超声波激发微泡通过整合素结合到PDMS微柱阵列上的SMCs膜上的微力学系统示意图；b基于微柱的力学感受器和单细胞的超声波镊系统示意图二尖瓣主动脉瓣经常与升胸主动脉瘤相关，但目前尚不清楚瓣尖融合模式对生物力学和升胸主动脉瘤微观结构的影响。Xu等[15]通过双向拉伸试验对具有左右瓣尖融合以及右冠窦和无冠窦瓣尖融合的升胸主动脉瘤的力学行为进行了表征。此外，将材料模型与双轴实验数据进行拟合，得到模型参数，并使用组织学和质量分数分析来研究升胸主动脉瘤组织中弹性蛋白和胶原的基本微观结构和干重百分比。其结果发现，两种瓣尖融合模式对双轴加载表现出非线性和各向异性的力学响应；在弹性性能方面，左右瓣尖融合的弹性性能劣化得更严重。由此可见，心血管结构自身生物力学特性的改变可能对动脉瘤的进展有很大影响。然而，主动脉血流动力学对升主动脉瘤动脉壁特性的影响尚不清楚。在最近的一项研究中，McClarty等[16]探究了升主动脉瘤血流动力学与主动脉壁生物力学特性的关系。其结果发现，血管壁的剪切应力与动脉壁黏弹性滞后和分层强度的局部退化有关，血流动力学指标可以提供对主动脉壁完整性的深入了解。因此，从血管自身结构特性以及血流动力学两方面探究动脉瘤的形成机制具有重要意义。1.3.3 心肌梗死的生物力学特性研究心肌梗死是心肌细胞死亡的结果，通常是由于冠状动脉阻塞引起的。心肌梗死可导致心力衰竭并降低射血分数。生物力学研究发现，冠状动脉阻塞会导致心肌的缺血和再灌注损伤，这些过程涉及血流动力学和细胞力学等因素。在体循环过程中，心肌梗死后的血流动力学改变如何参与并诱导心力衰竭的病理进展尚未完全阐明。Wang等[17]采用冠状动脉结扎术建立了Wistar雄性大鼠心肌梗死模型。术后3、6周分别对左心室和外周动脉进行生理和血流动力学检测，计算左心室肌纤维应力，并进行外周血流动力学分析。结果表明，心肌梗死明显损害心功能和外周血流动力学，并改变相应的心壁和外周动脉壁的组织学特性，且随时间延长而恶化。综上所述，心功能障碍和血流动力学损害的相互作用加速了心梗引起的心衰的进展。急性心肌梗死后，左室游离壁发生重塑，包括细胞和细胞外成分的结构和性质的变化，使整个左室游离壁具有不同的模式。心脏的正常功能受到左心室的被动和主动生物力学行为的影响，进行性的心肌结构重构会对左心室的舒缩功能产生不利影响。在这个过程中，左心室游离壁形成纤维性瘢痕。尽管在心肌梗死背景下对左室游离壁被动重构的认识取得了重要进展，但左室游离壁主动属性的异质性重构及其与器官水平左心功能的关系仍未得到充分研究。Mendiola等[18]开发了心肌梗死的高保真有限元啮齿动物计算心脏模型，并通过仿真实验预测梗死区的胶原纤维跨膜方向对心脏功能的影响（见图3）。结果发现，收缩末期梗死区减少的及潜在的周向应变可用于推断梗死区的时变特性信息。这表明对局部被动和主动重构模式的详细描述可以补充和加强传统的左室解剖和功能测量。图3 代表性的啮齿动物心脏计算模型在心肌梗死后不同时间点的短轴和长轴截面显示收缩末期的周向、纵向和径向应变[18]上述研究表明，心脏疾病的发生和发展与心脏结构和功能的生物力学特征密切相关。任何影响心脏收缩和舒张过程的因素，都可能调控心脏的泵血功能和心脏负荷。这些因素可以影响心脏收缩的能力、心肌细胞的代谢和血流动力学参数，从而影响心脏的整体功能和疾病的进展。总之，通过深入研究这些生物力学特征，可以为心血管疾病的诊断和治疗提供重要的理论和实践基础。2 力学生物学在心血管细胞水平上的研究进展2.1 ECs水平上的研究进展细胞的凋亡、通讯和增殖异常等表型变化是心血管疾病的一个重要机制。通过力学生物学的方法，研究人员可以模拟不同的细胞应力环境，探索细胞生长和凋亡的调控机制，并研究细胞在受外界力学刺激作用下的反应。由于ECs直接暴露于血流中，因此ECs表型变化的力学生物学机制一直是心血管领域的研究热点之一。紊乱扰动的血流改变了ECs的形态和细胞骨架，调节了它们的细胞内生化信号和基因表达，从而导致血管ECs表型和功能的改变。在颈动脉结扎产生的动脉粥样硬化模型中，Quan等[24]研究发现，在人和小鼠动脉和ECs的振荡剪切应力暴露区，内皮MST1的磷酸化被明显抑制。该研究揭示，抑制MST1-Cx43轴是振荡剪切应力诱导的内皮功能障碍和动脉粥样硬化的一个基本驱动因素，为治疗动脉粥样硬化提供了一个新的治疗目标。另外一项研究从表观修饰角度探究了剪切应力对ECs功能的影响[20]。Qu等[20]研究显示，层流切应力通过增加内皮细胞CX40的表达而诱导TET1s的表达，从而保护血管内皮屏障，而TET1s过表达则可能是治疗振荡剪切应力诱导的动脉粥样硬化的关键步骤。另一方面，病理性基质硬度可使ECs 获得间充质特征[21]。动脉生成（arteriogenesis）在维持足够的组织血供方面起着关键作用，并且与动脉闭塞性疾病的良好预后相关，但涉及动脉生成的因素尚不完全清楚。Zhang等[22]研究发现，在动脉阻塞性疾病中，KANK4将 VEGFR2偶联到 TALIN-1，从而导致VEGFR2活化和EC增殖的增加。除参与疾病病理进展以外，作用于ECs的化学和力学信号可协同地调节血管生成；然而血管生成的力学生物学机制尚不清楚。在伤口血管生成过程中，Yuge等[23]发现血流驱动的腔内压力负荷抑制了血流上游部位受损血管的伸长，而下游受损血管则主动伸长。分子生物学机制研究发现，F-BAR 蛋白的 TOCA 家族是ECs迁移和力敏感细胞拉伸调节伤口血管生成所需的关键肌动蛋白调节蛋白。上述研究表明，由生物力学所触发的细胞信号转导对血管功能的调节具有重要作用。2.2 SMCs水平上的研究进展最近的一项研究发现，内皮祖细胞（endothelial progenitor cells, EPCs）参与血管修复并调节SMCs的特性,与EPCs对损伤后新内膜的形成有关。通过建立损伤和脂质诱导的动脉粥样硬化模型，Mause等发现EPCs与SMCs在CXCL12-CXCR4轴的作用下共同参与血管表型的调控和血管平衡的维持[24]。冠状动脉旁路移植术通过在阻塞的动脉周围建立血管通路来恢复心脏的正常血流。既往的研究已经证明力学刺激在静脉移植术后的新生内膜增生中起着关键作用；然而，在该过程中关于机械力调控SMCs表型变化的研究相对较少。Tang[25]等将单轴循环拉伸（15％，1Hz），以及单轴循环拉伸（5％，1 Hz）或静态条件应用于培养的SMCs，以探究由拉伸力引起SMC表型变化的力学生物学机制。结合代谢组学分析、RNA测序以及等离子体共振分析等技术方法，作者发现MFN2过表达或药物抑制PFK1能够抑制15%牵张诱导的SMCs增殖、迁移并减轻移植静脉的新生内膜增生。另外，SMCs可以响应细胞外基质（extracellular matrix, ECM）固有的力学信号而呈现出高度的可塑性。Wang等[26]探究了聚丙烯酰胺底物上由可变弹性模量所致SMCs表型变化的力学生物学机制。该研究发现，基质硬度通过DDR1-DNMT1力学信号转导轴加剧了SMCs的促炎症反应（见图4），这对于工程人造血管移植物和血管网络的优化具有潜在的意义。图4 DDR1-DNMT1机械转导轴调控SMCs促炎症表型转换示意图[26]Liu等[27]使用不规则排列与周向排列的血管移植物来控制三维生长中的细胞几何形状，证明了DNMT1与细胞几何形状、血管收缩性密切相关。自噬是一种维持细胞稳态的适应机制，其失调与多种心血管疾病有关。静脉移植术后，血流动力学因素在新生内膜增生中起关键作用，但其机制尚不清楚。2022年的一项研究探索了动脉循环拉伸对静脉SMCs自噬的影响及其在静脉移植后新内膜形成中的作用。Chen等[28]在静脉SMCs上加载 FX5000拉伸系统的（10%，1.25 Hz ）循环拉伸，结果显示这样的力学参数加载在体外阻断了细胞自噬流，调节了内膜增生，而该过程是由p62/nrf2/slc7a11信号通路介导。2.3心血管其他细胞水平上的研究进展心血管环境的硬度在衰老和疾病过程中发生变化，并导致疾病的发生和发展。心脏成纤维细胞和心肌细胞是心血管系统中的重要细胞，它们也在心脏病和心血管疾病中扮演重要角色。研究表明，心脏成纤维细胞能够感知力学环境的变化，从而分泌细胞因子参与心脏损伤或修复。Ebrahimighaei等发现YAP 介导的 RUNX2激活对心脏成纤维细胞具有促增殖作用，以响应增加的 ECM 硬度变化[29]。在另一项YAP的相关研究中发现，YAP 协同 TGFβ1信号促进人心肌纤维化三维模型中肌成纤维细胞活化和基质硬化[30]。然而，在生理硬度的工程化心脏基质中，Ploeg等[31]研究显示，培养的成纤维细胞降低了肌成纤维细胞标志物基因表达，而成纤维细胞对拉伸或 TGFβ1的反应维持不变，表明这种新型心脏基质结构为研究心脏成纤维细胞功能和肌成纤维细胞分化提供了良好的生理模型。在心肌细胞中，纤维连接蛋白的存在与纤维化区域增强的硬度相结合，将强烈影响心肌细胞的行为，并影响疾病的进展[32]。Lin等[33]使用选择性HDAC6抑制剂处理的成年小鼠心室肌细胞表现出增加的肌原纤维硬度。而HDAC6在心肌细胞中的过度表达导致肌原纤维僵硬度降低，表明靶向 HDAC6可操纵心脏的弹性特性以治疗基质硬度改变相关的心脏疾病。有趣的是，Pioner等[34]评估了刚度调节心肌细胞功能的另一种机制，即在缺乏肌营养不良蛋白的 hiPSC-CM 中，较硬的底物不能改变动作电位和钙瞬变。这些发现强调了肌营养不良蛋白缺陷型心肌细胞不能调节其钙稳态以响应细胞外间质硬度的增加。此外，细胞牵引力对于功能性心肌细胞的分化和发育很重要。鉴于刚度感应机制是由整合素相关蛋白受体所介导，Rashid等[35]通过DNA 张力探针发现，心肌细胞成熟与整合素传递的牵张力有关。综上所述，心血管中的不同类型细胞通过各种信号通路感知了周围的力学环境变化，从而介导心血管的病理生理过程。阐明细胞的力学生物学机制，有利于揭示生物力学作用下的表型改变。3 研究方法与技术方面的进展心血管生物力学和力学生物学的研究方法不断发展，主要包括计算模拟在体内实验或体外实验中的应用进展。体内实验是研究者通过对动物模型或人体进行实验，获取心血管系统的生物力学特性和疾病机制的信息。这种方法可以直接观察心血管系统的生理和病理变化，并且具有较高的生物学可靠性。体内实验的缺点在于它可能有一定的伦理问题，而且成本高昂。体外实验是指利用细胞、组织或器官进行实验，以研究心血管系统的生物力学特性和疾病机制。这种方法可以更加精细地研究心血管系统的某些方面，例如力学信号感受及转导、血管内皮功能等。此外，由于其可重复性较强，体外实验成为了心血管生物力学研究中重要的一环。总体而言，涉及体内和体外实验的模拟相关研究技术和方法的创新都是为了了解组织结构、健康状况和力学性能之间的相关性。本文从组织和器官两个角度总结2022年心血管生物力学与力学生物学相关的研究方法与技术进展。在心血管组织的力学特性研究中，利用生物力学等方法，可以研究心血管组织的力学特性，包括组织的弹性模量、硬度、黏性等参数。这对于改进材料模型和开发组织工程支架至关重要。由于基于结构的材料模型缺乏实验获得的结构参数，Pukaluk等[36]对人腹主动脉的内层进行了等双轴加载和多光子显微镜观察。结果发现，胶原纤维和弹性蛋白纤维的波浪度参数都显示出作为组织强度指标的潜力（见图5）。这些数据解决了目前材料模型中的不足，并在主动脉中膜建立了多尺度机制。图5 在所有测试样品的双轴拉伸期间，每个拉伸步骤的胶原蛋白（绿色）和弹性纤维方向（红色）的归一化相对强度[36]动脉粥样硬化治疗的标准方法是通过搭桥手术进行血管置换；然而，自体血管来源并不总是可行的。因此，组织工程血管正在成为一种潜在的替代来源，基于细胞治疗和/或促血管生成的组织工程策略可以在一定程度上改善心脏功能。但缺乏能够承受持续变形性和适应性机械力学特性的适当心肌组织材料，严重影响了心肌壁完整性、心脏的收缩-舒张周期和再生能力。最近，Bosch-Rué等[37]通过同轴挤压方法在内层和外层使用高浓度的胶原蛋白来开发组织工程血管样结构，目的是将ECs和SMCs分别包裹在两个不同的层面中。其结果显示，两种细胞均显示出良好的活性；而20 mg/mL的胶原组织工程血管具有足够的力学特性，能够承受相当于动脉剪切应力的生理流速[37]。为了支持心肌壁结构的机械性能，调控心肌功能的电传导特性并维持心脏功能的完整性，Zheng等[38]基于改性透明质酸、明胶和Fe3+，通过离子相互作用和化学共价性，开发了一种具有良好处理性能的单一“一体式”原位双交联型导电水凝胶。该水凝胶不仅提供了自我修复和适应心肌收缩-舒张周期的机械性能，而且同时向纤维岛和正常组织传输电信号（见图6）。更为重要的是，该双交联导电水凝胶介导的协同肽和细胞疗法使受损心肌的结构和功能得到部分恢复和再生，从而显示出巨大的临床转化潜力。图6 具有多功能性的双交联导电水凝胶用于心肌修复示意图[38]再生疗法是治疗严重受损心肌的一种新的策略；而功能性心肌细胞的保有率是获得良好治疗效果的关键。因此，构建和移植一个类似于人类心肌的工程化成熟的三维心脏组织是至关重要的。Nakazato等[39]构建了一个旋转壁血管生物反应器，用于生长大量的功能性心脏构筑物，以恢复受损大鼠心脏的功能。具体而言，研究人员将诱导的人多能干细胞来源的心肌细胞种植在聚乳酸-羟基乙酸共聚物纤维片上，以构建三维心脏组织，并在旋转壁血管生物反应器中培养，随后将组织移植到心肌梗死裸鼠模型中，然后进行心功能评价。其结果显示，生物反应器处理组的细胞存活率、收缩特性和电学特性显著改善，并可见成熟的心肌细胞。移植后4周，处理组的组织存活率和左心室射血分数显著改善。由此可见，生物反应器中的动态培养可以为心肌的性能提供良好的培养环境，为治疗心肌细胞损失所致的心力衰竭提供了一种功能性心肌生成手段。此外，开发水凝胶补片来修复受损的心肌，也是弥补心肌再生能力受限的关键方法。尽管基于水凝胶的贴片在心肌梗死中已经显示出良好的治疗效果，但机械、电和生物的协同作用与心脏电传导和舒张期-收缩期功能之间的关系尚未完全阐明。Yu等[40]通过动态共价/非共价交联方式开发了一种可注射的机械-电耦合水凝胶贴片，适合于细胞封装和微创植入心包腔。其结果显示，心包固定和水凝胶的自黏性能使该贴片能够与周期性变形的心肌高度顺应地进行界面耦合。不仅如此，自适应的水凝胶贴片能抑制心室扩张，同时协助心脏的搏动功能（见图7）。图7 心包内注射机械-电耦合水凝胶贴片用于心肌修复示意图[40]除上述方法外，3D工程心血管组织在替换受损结构方面显示出巨大的前景。具体地说，组织工程血管移植物具有取代生物和合成移植物的潜力。Mayoral等通过3D打印、混合熔融沉积建模、静电纺丝技术和干细胞接种制作了一种组织工程化体外血管贴片（见图8），用于评价3D生物技术在再生医学中是否具有广泛的应用潜力[41]。该研究获取的参数是基于一名2个月大的患有主动脉弓发育不良患者的医学图像；其结果发现，患者特异性贴片显示足够的血流动力学特征、力学性能、生存力和功能。因此，这种创新的3D生物技术具有广泛应用于再生医学和预防心脏病的潜力。此外，该研究也为基于组织工程技术的个性化治疗提供了理论依据。图8 基于3D 打印和静电纺丝技术的组织工程化血管贴片制备[41]由此可见，利用生物力学相关方法，可以评估不同种类的组织工程学技术的效果，并进一步优化组织工程学的设计和构建。利用力学生物学方法则可以评估不同材料的力学特性以及材料与细胞间的相互作用，以选择合适的生物材料和细胞类型来构建功能性的心血管组织。总之，心血管力学生物学在组织水平上的应用有助于深入了解心血管组织的力学特性和动态行为，为心血管疾病的研究和治疗提供了理论和实验基础。在器官水平上，心脏是一个高耗能的结构，由4个形态和功能上不同的腔室组成。心脏功能的执行依赖于其内部力学特性。从整体上评价力学特性改变所致的心脏病理生理反应，对于研究心脏疾病的发病机制以及新型心脏病诊治手段的开发都有重要意义。心脏移植术一直是终末期心脏病患者的最佳选择，但是由于供体源的匮乏和手术成本的高昂，心脏移植术并非是所有患者都适合和能够接受的治疗方式。随着科技的不断发展，心脏辅助装置提供了一种心脏移植的替代治疗方法。左心室辅助装置已成为治疗严重心力衰竭越来越重要的方法。Amstad等[42]基于一项回顾性分析，探讨了心室辅助装置患者在心脏康复过程中运动能力和生活质量的变化。其结果发现，心脏辅助装置植入患者的运动能力和生活质量在统计学和临床上呈现显著的改善。在最近的一项离体猪心脏研究中，Dort等[43]描述了一种能够提高离体跳动猪心脏泵血功能的新型室内膜泵。通过研究血流动力学参数、动脉和冠状静脉血氧含量变化情况发现，室内膜泵在生理条件下提高了机械效率，因为心功能的显著提高仅导致耗氧量的适度增加。此外，室内膜泵在急性泵衰竭的情况下能迅速恢复心脏功能，这表明心脏辅助装置在一定程度上能够提高心脏的使用效率。在一项临床研究中，Krauss等[44]发现心室辅助装置的存在能够改善儿科心脏移植患者的预后，为围手术期患者带来了帮助。当然，还需要更多的临床和实验室研究来验证上述这些发现。人工心脏等替代治疗方法也逐渐成为了心脏病患者的治疗选择。作为一种机械循环支持装置，人工心脏可用于双心室性心衰患者。尽管人工心脏于2004年在美国被批准用于临床移植，但大多数中心不采用人工心脏作为双心室衰竭患者的标准治疗策略。因此，关于全人工心脏移植的研究相对较少。Aeson全人工心脏已经开发用于双心室衰竭死亡风险患者。为评估该装置的治疗效果，Peronino等[45]在1年多的时间里评估了9个植入Aeson全人工心脏受试者的炎症状态，主要包括植入前后白细胞计数、炎性细胞因子测定和外周血单核细胞变化等指标。结果发现，心脏植入后的12个月内，受试者外周血中没有明显的炎症信号。另外一项研究证实了该人工心脏不会引起溶血，具有良好的血液相容性[46]。除Aeson人工心脏外，美国克利夫兰医学中心的连续流动全人工心脏也得到了广泛研究。据报道，连续流动全人工心脏采用重新设计的右叶轮和马达。然而，其脉动血流的评价尚未在体内进行测试。Kuroda等[47]以小牛为对象，进行了为期30天的实验研究。通过脉动研究发现，泵的最大流量和最小流量与基线相比都有显著变化，而泵的平均流量没有变化。连续流动全人工心脏显示了正弦泵调速脉动循环的可行性。总之，心血管生物力学在器官水平上的应用可以帮助我们深入了解心血管系统的力学特性，为心血管疾病的研究和治疗提供了理论和实验基础。由此可见，基于计算机程序进行的心血管系统建模和仿真的计算模拟在未来可能会得到广泛应用。这种方法可以定量分析心血管系统的生物力学特性，并预测器官和组织在不同疾病状态下的行为。例如，心肌缺血的模拟可以帮助研究心肌缺血时的血流动力学特性，预测心肌缺血范围和程度，优化诊断和治疗方案。此外，心肌力学性能的体内评估对于患者特异性诊断和心脏疾病的预后至关重要，涉及心肌重塑，包括心肌梗死和心力衰竭。目前的方法使用耗时的逆有限元方法，包括重建心脏几何结构和划分网格、施加测量载荷和进行计算代价高昂的迭代有限元模拟。因此，亟需寻找更多的体内计算模拟方法。Babaei等[48]构建了一种机器学习模型，根据所选定的几何、结构和血流动力学指标，可以准确地预测被动心肌特性，从而绕过了心脏逆有限元方法中通常需要的详尽步骤。该项研究弥补了舒张末期压力-容积关系和内在组织级特性之间的差距。相对于传统的心功能指标，这些属性提供了增量信息，改善了心脏疾病的临床评估和预后。总体而言，计算模拟在心血管生物力学领域的应用越来越广泛，研究者们利用多种软件和方法，例如如有限元法、多物理场耦合模拟、计算流体动力学，进行心血管系统的建模和仿真。这些方法和工具不仅可以研究心血管系统的生物力学特性和疾病机制，还可以指导临床诊断和治疗。随着心血管生物力学领域的发展，相关的研究技术不断更新和完善，包括成像技术、材料测试技术和仿真软件等。成像技术方面，包括超声成像、磁共振成像、计算机断层扫描等技术，可以非侵入性地获取心血管系统的结构和功能信息，如血流速度、动脉壁厚度、血管直径等。近年来，随着技术的发展，例如超高频超声成像和功能性磁共振成像等技术的应用，使得心血管成像技术更加精细和灵敏。在材料测试技术方面，原子力显微镜、拉伸试验和压缩试验等可以对心血管材料的力学特性进行测量和分析。这些技术的应用，有助于研究心血管组织的本质力学特性，并为材料模型的建立提供数据支持。有限元软件、多物理场耦合等仿真软件可以建立心血管系统的数学模型，并通过计算机仿真对其进行分析和优化。这些软件的应用，可以预测和模拟心血管系统的结构和功能，包括血流动力学、血管壁应力和应变分布等，为疾病机制的探究和新型医疗器械的设计提供基础。4 结论与展望2022年，心血管生物力学和力学生物学的研究取得了许多重要的进展。在血管壁结构和功能的生物力学特征方面，研究已经深入探索了血管壁中不同成分的作用，以及它们对血管弹性和稳定性的贡献。在心血管疾病与生物力学关系的研究中，人们已经发现了许多与心血管疾病相关的生物力学特性，如动脉瘤形成和动脉粥样硬化等。在心血管细胞水平上的应用方面，力学生物学已经被广泛应用于细胞形态学、细胞黏附和迁移等方面的研究。在心血管组织和器官水平上的应用方面，力学生物学已经在心肌梗死、动脉瘤和动脉粥样硬化等方面取得了显著的进展。在研究方法方面，成像技术、材料测试技术和仿真软件的发展为心血管生物力学和力学生物学的研究提供了有力的支持。然而，心血管生物力学和力学生物学的研究仍面临着许多挑战和问题：① 数据获取难度是一个重要的问题。心血管系统具有高度复杂的结构和功能，而获取准确的生物力学数据是非常具有挑战性的。例如，测量血管壁的厚度、硬度和应力分布需要使用高端的成像技术和仪器，并且需要在实验中处理一些复杂的因素，如流动和应力变化等；② 模型精度不足是另一个需要解决的问题。尽管现代计算机模拟技术已经取得了很大的进展，但是仍然存在模型过于简单、假设过多和参数选择不准确等问题。这些问题可能会导致模拟结果与实际情况之间的差异，从而影响研究的可靠性和有效性；③ 个性化医疗也是一个需要解决的挑战。随着心血管生物力学和力学生物学研究的深入，未来的研究方向包括但不限于：① 多尺度建模：当前的研究主要集中在细胞、组织和器官水平；但是在未来，研究将会更加关注不同尺度之间的相互作用。例如，如何在心脏水平上对细胞和组织力学特性进行建模，以及如何将这些模型应用于疾病预测和治疗方案的优化等问题，都是未来研究的重点。此外，未来还将加强多尺度建模与数据挖掘技术的结合，利用大数据分析和机器学习算法，将不同尺度的数据整合起来，以更好地理解心血管系统的生物力学特性和疾病机制；② 个性化医疗：由于每个人的心血管系统结构和功能都有所不同，因此在未来，研究将更加关注个性化医疗的实现。这意味着，基于个体的医疗方案将会更加精确和有效，包括个性化的预防措施、诊断方法和治疗方案等。为了实现个性化医疗，需要采用多种技术，包括医学影像学、基因组学、蛋白质组学、计算机模拟等，以建立个体化的心血管系统模型，并将其应用于治疗方案的优化和预测；③ 数据科学：未来的研究将更加注重数据科学的应用，例如，如何从大量的生物医学数据中提取有用的信息，以辅助心血管生物力学和力学生物学的研究。总之，心血管生物力学和力学生物学的研究将为心血管医学领域的发展提供重要的支撑和推动，未来有望在心血管疾病的预防和治疗中发挥重要作用。

人类获取的信息83%都来自视觉，由听觉、触觉和其他的渠道获取信息的占比仅有17%，所以视觉对于人类的重要性溢于言表。而机器视觉作为机器人的“高精密眼睛”，其之于机器人的作用就像视觉之于人类一样重要。近日，中国工程院院士王耀南在2022世界VR产业大会关键共性技术主题论坛上围绕“高光谱机器视觉感知技术应用及发展趋势”发表演讲。他指出，高光谱机器视觉技术正在迅速普及，在制药行业的产品检测、食品生产的安全识别、建筑材料的质量控制、医学成像等场景中广泛应用，但距离真正实现“高精准、看得清、更好用”仍面临挑战。智能机器人的“高精密眼睛”在日常生活中，人们通常是通过视觉器官（眼睛）获取信息，再通过大脑来分析、处理这些信息，从而识别出物体。而高光谱成像的目标是获得包括从可见光到长波、红外光谱的精细光谱“指纹”，精确反映物质独特的光谱特性。作为智能机器人的“高精密眼睛”，高光谱机器视觉的发展对机器人的控制具有重要作用。受不同生物的感光细胞具有差异启发，高光谱成像与感知可将丰富的、不同波段的图像信号映射到数字世界，是机器智能的重要支撑技术。“高光谱图像能够精准反应出物质特征的光谱信息，这是它最大的优势，”王耀南表示，“近几年，高光谱的发展非常迅速。过去高光谱主要是在遥感应用里面，今天我们把高光谱用到机器视觉，使机器人装上了明亮精准的眼睛，可以感知到可见光、红外光。”据了解，机器人的高光谱视觉研究主要包含两部分内容，一部分是成像感知，另一部分是自动的光谱信息分析。成像技术实质上是感光元件把光信息转化为数字图像信息，最早的光谱成像来自感光设备，目前低成本、小体积、高速率、低功耗的感光元件成为发展趋势。近年来高光谱机器视觉的发展态势从感知智能进入到了认知智能，从过去的 RGB 图像变成今天的光谱图像，已然进入到一个计算智能成像的时代。目前高光谱相机及其相关技术已成为智能机器视觉领域研究的前沿方向。高光谱机器视觉仍面临挑战分析与认知能力是机器人能否对环境中的有效信息加以处理与理解的重要标志，是智能化发展的必经途径。王耀南认为，高光谱机器视觉分析与认知面临着三大挑战，主要涉及图像特征提取、语义知识理解和自主适应学习。“首先要突破图像特征的提取，过去我们主要是像素特征的提取，今天扩展至边缘、纹理、光谱等空间几何等方面；第二，它已经走向了图像的推理，涉及语义知识的理解、语义的描述、高维的图像特征等技术的突破。第三，要突破自适应的学习，传感器要具有学习性、能感知，还要能理解、能分析，让人工智能真正融入到机器视觉里。”王耀南说道。近年来，通过大量研究，高光谱视觉传感器的发展突破了两项关键技术。第一项技术面向成像系统，成像系统围绕复杂的目标，能够解决在多空间、大尺度下的成像问题，可以同时捕捉三维空间和光谱维度的成像。第二项技术面向三维光谱数据分析，比如空间-光谱联合分析、大数据分析和处理等。快速突破这两项关键技术，有助于实现高光谱机器视觉技术的广泛应用。“高光谱广泛装载在机器视觉以后，不仅能应用到工业、农业，还能应用到无人驾驶、机器人、新药研发、新产品质量检测等领域。”王耀南表示。比如为了加速工业检测速度，我们开发了高光谱图像处理的硬件系统，研制了工业高光谱仪器，包括高光谱的成像，成像仪器的处理特征识别等。再比如，高光谱机器视觉也被用在异物检测方面，应用于疫苗生产的柔性智能化工厂。而不同的应用场景对高光谱成像的复杂性、多样性提出了更大的挑战。未来首先要解决数据传输与处理问题王耀南指出：“随着科学技术的进步，未来高光谱机器视觉的发展首先需要解决的，也是最重要的一个问题，就是数据传输与处理。”比如，高光谱仪器是联网的，如此庞大规模的光谱图像信息怎么同时传输，这就是一个需要解决的难题。第二是光谱成像高分辨率问题。高光谱最大的弱点就是分辨率比较低，不像可见光成像的分辨率比较高。合成孔径雷达图像的分辨率也比较低，但是它的探测精度比较高。每一种传感器都有优点和缺点，因此未来一个重要的研究方向就是新的成像方法和机理探索。第三个是所有的高光谱成像仪器都向小型化和高可靠性转变，要能够装载在不同的设备上，从单一的传感器进入到多传感器信息融合，从数据处理方面到光谱数据处理，从模型驱动向数据驱动、知识驱动的方向发展。

压缩感知成像作为一种计算成像技术，具有突破奈奎斯特采样极限、高通量测量、单像素成像等优势，在对地遥感、激光雷达、生物医学等领域具有重要应用价值。然而，传统压缩感知成像在空间、时间动态范围上与普通成像相比均存在不足。一方面，压缩感知成像对探测器提出了过高的动态范围要求，导致在有限探测器位数条件下的成像质量较低；另一方面，由于压缩感知成像需要多次调制与测量获取信息，因此难以满足实时成像的应用需求。针对空间、时间高动态压缩感知成像的实际需求，中国科学院国家空间科学中心复杂航天系统电子信息技术重点实验室的刘雪峰团队开展了一系列研究工作，并不断取得新进展。在空间高动态成像方面，该研究团队提出了一种稀疏测量结合并行抖动的压缩感知成像方法，利用稀疏调制降低待测信号动态范围，并以叠加随机抖动信号的多像素探测提升光学测量的有效动态范围，显著提高了探测器位数受限时的压缩感知成像质量，并将对探测器的动态范围需求降低至1比特（图1）。相关工作发表在光学领域国际学术期刊Optics Express（IF:3.833）上，并于近日被全球工程领域著名科技网站Advances in Engineering（AIE）遴选为关键科学文章进行专题报道。在时间高动态成像方面，该研究团队与北京理工大学量子技术研究中心合作开展了并行压缩感知成像技术的研究，提出基于并行调制采样的系统标定与图像重建方法，使压缩感知成像达到实时成像速度，同时具备像素超分辨成像能力。基于此原理，研制高分辨率中红外成像样机，可利用320×256像素中波红外探测器实现1280×1024分辨率实时成像（图2），该技术对于解决高性能红外传感器分辨率不足对红外成像设备发展的制约具有重要意义。相关工作发表在光学领域国际学术期刊Optics and Laser Technology（IF:4.939）上。图1. 不同探测器动态范围条件下的压缩感知成像结果对比图2. (a) 中红外像素超分辨成像样机示意图 (b) 对分辨率靶标及远距离目标的超分辨成像结果

2月26日，广州市南沙区北科光子感知技术研究院正式揭牌成立。据悉，该研究院未来将打造成为北京信息科技大学科研力量在大湾区实现成果转移转化的桥头堡。　　北科光子感知技术研究院由北京信息科技大学与广州市南沙区于2022年3月合作成立。北京信息科技大学先期依托光电测试技术及仪器教育部重点实验室、智能感知技术与系统国防科技重点实验室等科研平台，致力于新一代红外探测、光纤传感、智能感知等应用基础研究和成果产业化在南沙区落地，将同时大胆探索创新驱动发展的组织模式和体制机制创新。　　记者了解到，北科光子感知技术研究院依托北京信息科技大学教授祝连庆团队在新一代半导体红外光电子材料与芯片、光纤传感与智能感知系统、光学视觉检测与测量领域、智能微系统领域的核心技术和科研成果、科研平台资源，面向国家和区域发展战略需求和航空航天、智慧城市、新能源装备检测监测等领域的产业应用需求，开展光纤传感系统、视觉测量系统、新型半导体红外光电材料与芯片、集成红外光电系统产品样机的开发，打造“半导体红外光电子技术创新中心”和“光纤传感产业化应用推广中心”。　　在北京信息科技大学副校长陈昕看来，粤港澳大湾区在国家科技创新战略中具有突出的地位和优势，南沙区地处湾区核心，是创新创业、举国关注的热土。　　据介绍，北科光子感知技术研究院未来将通过联合相关上下游研究机构、产业单位开展技术合作和重大项目联合开发、协同攻关，建立产学研用联合实验室，加快成果工程化迭代和转移转化，形成光子感知技术特色研究与应用研发团队，并以核心技术吸引投资，在南沙区孵化光子感知新技术和新产品，逐步构建科研集群和成果转化集群。

自充能、可持续力致发光力致发光是指材料在力学刺激下产生的一种发光行为。由于其独特的力学-光学响应特性，力致发光为实现力学传感及其可视化提供了新思路和新途径。目前发现的力致发光材料多数仅表现出动态力学刺激下的瞬态发射行为，极大地限制了其在力学的可视化显示和成像方面的应用。可持续力致发光材料能够在力学刺激停止后继续保持发光行为，对可持续力致发光材料的开发是应对上述问题的有效方式。此前，研究人员通过陷阱工程设计，在特定材料体系中获得了力学刺激后可持续的力致发光现象。然而，该类可持续力致发光材料在使用前必须经历预辐照，在其结构内部预先储存能量，这不仅增加了实际应用时操作的难度，也难以实现该类材料的循环稳定使用。因此，实现无需预辐照的自充能、可持续力致发光成为当前研究的热点之一。中国科学院兰州化学物理研究所王赵锋团队在国际知名期刊Advanced Science上发表的题为“Self‐charging persistent mechanoluminescence with mechanics storage and visualization activities”的研究论文。本文研制出一种自充能、可持续力致发光材料——Sr3Al2O5Cl2:Dy3+/PDMS（SAOCD/PDMS），该材料在力学的刺激下，无需预辐照即可产生明亮的长寿命力致发光，有效避免了此前材料在使用时的预辐照需求，极大提升了长寿命力致发光材料的应用便利性。本工作通过将SAOCD (SAOCD) 粉末复合到PDMS基质中，创建了一种新型的力致发光材料，即自充能、可持续力致发光材料。无需任何预辐照，所制备的SAOCD/PDMS弹性体可以直接在力学刺激下表现出强烈且持久的力致发光，这极大地促进了其在力学照明、显示、成像和可视化中的应用。通过研究基体效应以及热释光、阴极发光和摩擦电特性，界面摩擦起电诱导的电子轰击过程被证明是机械刺激下SAOCD中自充能能量的原因。基于独特的自充电过程，SAOCD/PDMS进一步展现出力学存储和可视化读取行为，为机械工程、生物工程和人工智能领域 处理力学相关问题带来了新颖的思路和方法。 自激活、长寿命力致发光材料的设计制备与性能研究 图1 SAOCD/PDMS复合弹性体的制备流程、性状及力致发光性能 当施加拉伸、摩擦、压缩等力学刺激时，复合弹性体呈现出直接的自激活力致发光，不需要额外的预辐照（图1c）。复合弹性体的力致发光性能随SAOCD颗粒中Dy的含量增加呈现出先增后减的趋势（图1d）。随着施加应变的增加，SAOCD/PDMS弹性体的ML强度随之增加，其在应力/应变传感方面表现出良好的应用价值。此外，该复合弹性体的力致发光还表现出良好的热稳定性（图1f）。图2 （a）SAOCD的力致发光和余辉示意图；（b）SAOCD/PDMS复合弹性体在拉伸、摩擦、压缩条件下的力致发光和余辉照片；（c）不同浓度Dy离子掺杂SAOCD/PDMS复合弹性体的摩擦余辉光谱图。 该材料在力学的刺激下，无需预辐照即可产生明亮的长寿命力致发光（图2），有效避免了此前材料在使用时的预辐照需求，极大提升了可持续力致发光材料的应用便利性。图3 SAOCD的自激活力致发光及余辉机理明确了SAOCD/PDMS的自激活力致发光和余辉的物理过程，即在外力刺激下SAOCD与PDMS产生界面摩擦电作用，SAOCD的电子转移到PDMS表面，SAOCD与PDMS间形成高能电场，PDMS表面电子被加速，轰击SAOCD，使得SAOCD中的电子受激从价带跃迁至导带，一部分直接和发光中心结合产生力致发光，另一部分被陷阱捕获，外力撤除后自发释放转移至发光中心产生余辉。机械力学信息的存储与可视化读取器件研究图4 （a）力致发光复合材料的应力存储和可视化读取示意图；（b）SAOCD/PDMS复合弹性体对机械力学信息的存储、读取原理及功能展示。 通过利用SAOCD/PDMS材料中特有的自充能物理过程，进一步发展出了一种力学信息的存储与可视化读取技术（图4）。在机械刺激下，力学信息将会以陷阱捕获载流子的方式在材料内部进行存储，随后，在热刺激下，所存储的力学信息将以可视化的形式得到读取，所存储和读取的力学信息主要包括力学强度、发生时间及其空间分布等。作者简介王赵锋简介：中国科学院兰州化学物理研究所研究员，博士生导师，2006年毕业于兰州大学材料化学专业，获理学学士学位，2011年毕业于兰州大学材料物理与化学专业，获工学博士学位。2011年至今，先后于中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室、美国德克萨斯州立大学化学与生物化学系、美国康涅狄格大学材料科学研究所进行科学研究。主要研究方向为摩擦/力致发光材料及应用，在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct.Mater., Nano Energy, Mater. Horiz., Adv. Sci.等期刊发表论文100余篇（被引用5000余次，h因子40），编写书籍章节两部，申请/授权国家发明**10余项，研究成果被国内外知名媒体如中国科学报、中国科普博览、人民日报、中科院之声、New Scientist、Nanowerk、Science Trends等专题报道。现为国内知名期刊《稀土学报（英文版）》、《材料导报》、《发光学报》青年编委，以及中国机械工程学会表面工程分会青年学组特邀专家。2015年获美国环境保护署P3提名奖，2017年获甘肃省自然科学二等奖，2018年获中科院高层次人才计划择优支持，2020年获甘肃省杰出青年基金支持，所带领的研究团队获2021年度甘肃省“青年安全生产示范岗”荣誉称号，2022年获中科院区域发展青年学者称号。相关产品推荐 本研究的力致发光光谱数据采用卓立汉光搭建的组合荧光系统采集，配置Omni-λ300i系列“影像谱王”光栅光谱仪对光谱进行分光。目前，该组合荧光系统已经升级为OmniFluo900 系列稳态瞬态荧光光谱仪，如需了解该产品，欢迎咨询。 免责声明 北京卓立汉光仪器有限公司公众号所发布内容（含图片）来源于原作者提供或原文授权转载。文章版权、数据及所述观点归原作者原出处所有，北京卓立汉光仪器有限公司发布及转载目的在于传递更多信息及用于网络分享。 如果您认为本文存在侵权之处，请与我们联系，会*一时间及时处理。我们力求数据严谨准确， 如有任何疑问，敬请读者不吝赐教。我们也热忱欢迎您投稿并发表您的观点和见解。

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).

仪器信息网讯 2016年8月20-21日，中国仪器仪表学会分析仪器分会2016学术年会暨第九次会员代表大会在湖北宜昌召开，此次大会上有多位专家和企业家都以“创新”为题分享了观点和经验。武汉四方光电科技有限公司(以下简称“四方光电”)董事长熊友辉博士以三个具体案例展示了四方光电的创新理念。武汉四方光电科技有限公司董事长熊友辉博士　　目前传感器及仪器仪表产业的发展趋势为：一是创新驱动发展。采用新材料、新机理、新技术的传感器与仪器仪表实现了高灵敏度、高适应性、高可靠性，并向嵌入式、微型化、模块化、智能化、集成化、网络化方向发展 二是企业形态呈集团化垄断和精细化分工的有机结合。一方面大公司通过兼并重组，逐步形成垄断地位，引领产业发展方向，另一方面小企业则向“小(中)而精、精而专、专而强”方向发展，技术和产品专一，独占细分市场。　　四方光电以传感器为主要业务，2003年至2012年期间，我国在建材、冶金、石化、煤化工等领域有大量投资，也带动了监测仪器的发展，可谓“黄金十年”。但随着产能过剩，供给侧改革，工业企业大量停产、停建，四方光电该如何发展呢?熊友辉博士说：“我们对自己的分析仪器进行了转型升级，一方面是对核心传感器进行应用开发，一方面是打造行业应用整体解决方案。”之后，熊友辉以三个具体案例展示了四方光电的创新理念。　　第一个案例是沼气流量计。“最初，我们都认为我们的沼气流量计是做的最好的产品，因为销售量超过六万台，遍布全国，但很少有返修服务。后来经过深入的市场调查发现，我国的沼气工程虽然投资巨大，但是实际应用并不多，没有使用的仪器自然不会需要维修。我国沼气实际应用不多的原因之一就是缺少一套监督管理体系，但是随着养殖业的发展和环保意识的增强，考虑天然气的运输成本，沼气工程在农村还是具有一定的社会效益和经济效益的。为此四方光电开发了可以同时监测成分和流量的沼气流量计，在此过程中，解决了超声波原理同时测量流量和成分、超声波探头耐腐蚀性、低流量测量等问题，并建立了可同时查看所有传感器测量参数的网络平台，方便管理部门的监督管理。未来，四方光电将基于此技术开发家用超声燃气表。”　　第二个案例是空气品质传感器。“我们的空气品质传感器主要测量二氧化碳和粉尘两个指标，为飞利浦、霍尼韦尔、开立、安利、美的、格力等空调领域的客户提供ODM服务。在此过程中，我们学习到了这些大企业完善的生产理念，如传感器和整机性能测试的标准作业流程、新产品导入流程等，也使我们自身在项目开发思路、项目管理办法、新产品导入步骤、质量管理体系等方面有了提升。”　　第三个案例是煤气成分热值在线监测系统。“这个系统主要是发挥我们在传感器方面的优势。由于我们掌握了核心技术，可以将传感器的成本控制的很低，所以在这个产品上，我们可以配套一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氢气、氧气、烃类化合物等多种传感器，从而增加了此款产品在市场上的竞争力。”　　最后，熊友辉博士总结道：“分析仪器如果不解决核心传感器，将缺乏长期竞争力。国内不少科技成果不能转化，核心还是没有解决核心关键部件。‘能做’与可以产业化相差很远的距离。核心传感器的解决为分析仪器的上下游整合提供了基础。核心传感器的品质提升需要大量细致的工作，需要从新产品导入工程的角度将传感器的基础工业做扎实。”（编辑：李学雷）关于四方光电：　　武汉四方光电科技有限公司位于东湖高新区凤凰产业园，是专业从事气体传感技术、气体分析仪器及基于核心传感器的物联网行业解决方案的国家级高新技术企业。日前，武汉四方光电科技有限公司将相关业务进行了拆分，将气体成分流量仪器仪表业务及相关资产负债、人员、研发、生产和销售环节转入全资子公司湖北锐意自控系统有限公司。即传感器业务划归为总公司武汉四方光电科技有限公司 环境监测系统生产销售项目、工业过程分析系统生产销售项目、分析仪器生产销售项目、仪器仪表研发中心项目划归为全资子公司湖北锐意自控系统有限公司。

OPSI技术服务单细胞多组学研究 课题组供图单细胞多组学技术已成为生命科学的有力工具，但一个精准、低损伤、广谱适用、简捷的目标表型单细胞获取手段，是靶向性单细胞基因组、转录组、蛋白质组或代谢物组分析的先决条件。近日，中科院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心发明了光镊辅助静态池成像分选技术（OPSI），能“所见即所得”、保持细胞原位活性、高通量地分选明场、荧光、拉曼成像下的目标单细胞，支撑高质量的单细胞基因组/转录组测序。该技术对于细菌、古菌、真菌、动植物、人体等各种大小的细胞均广谱适用。相关工作发表于微流控领域国际期刊《芯片实验室》。记者了解到，明场图像、荧光图像、拉曼光谱均可反映细胞丰富的表型信息，汇集上述信息并具备单细胞精度索引、所见即所得特点的单细胞分选技术，在单细胞分析工作中具有广泛的适用性。基于前期的单细胞拉曼光谱技术，单细胞中心开发出液相环境中测量与分选菌群中目标微生物单细胞的拉曼分选-测序技术RAGE-Seq。该技术可在无需标记条件下，通过拉曼光谱获得整个单细胞的化学物质指纹图谱，从而迅速识别活体单细胞的生理特性和代谢产物变化等，更重要的是借助其小体积分离反应的特点，可从单个细胞中得到几乎完整的全基因组信息，对微生物的功能鉴定和资源开发具有重要意义。然而，该技术操作过程稍显繁琐，分选通量较低，对于大批量的单细胞分选与分析存在一定的难度。为解决上述问题，单细胞中心博士徐腾、李远东带领的研究小组，基于青岛星赛生物的单细胞微液滴分选系统EasySort Compact，在RAGE-Seq技术的基础上开发了基于OPSI的新一代的单细胞分选耦合培养/测序策略。据介绍，不同于流式分选技术中细胞逐个流过窄通道后成像筛选的原理，OPSI提出了一种静态池成像分选的思路，即在微流控芯片中构建流速为0的稳定静态流场，对样本细胞进行限域，并在该流场内进行平面明场、荧光成像或拉曼扫描，选取目标细胞。之后通过低细胞损伤的1064 nm光镊将目标单细胞移出静态流场，并进行单细胞液滴包裹导出完成分选。该系统使细胞能够以精确索引的方式进行分类，“所见即所得”，并广泛适用于从细菌、古菌到人体细胞等不同尺寸大小的单细胞（直径1 ~ 40 μm）。验证试验表明，OPSI的单细胞分选准确率大于 99.7%，保证10~20细胞/min的分选通量，并高度保持了细胞活性。此外，OPSI继承了RAGE小尺寸分离反应的特点，显著降低了传统单细胞基因扩增中存在的歧化现象。例如，使用该系统分选人体MCF-7单细胞进行RNA-seq，可获得高质量和高可重复性的单细胞转录组谱。OPSI的通用性、方便性、灵活性和低成本等优势，为其在单细胞多组学研究中提供了广阔的应用前景。基于OPSI的上述特色，单细胞中心和青岛星赛生物合作推出了自动化、智能化的单细胞微液滴分选系统系列产品，并与国际显微镜和显微光谱仪领军产商（如赛默飞Thermo Fisher Scientific、堀场HORIBA等）合作，在全球科学仪器市场进行推广。该工作由该所单细胞中心研究员马波和徐健主持，与青岛星赛生物合作完成，得到了国家重点研发计划、山东省自然科学基金委和国家自然科学基金委的资助。

现代制造业是“中国制造2025”强国战略的基石，然而我国制造业高精加工过程中依然存在空间测控精度低、视觉处理实时性差等问题，严重制约了我国制造业智能化改造升级。智能感知和测控在智能制造中相当于工人的“眼睛和大脑”，在工业制造中不仅感知加工的各种状态参数，还控制着加工的动作和过程，感知和测控技术的高低决定了加工的精度和智能化的程度。上海大学周文举教授、费敏锐教授团队多年来专注于高速高精智能感知与测控技术研究与应用转化，围绕我国现代制造业中高精度视觉感知缺失、智能化协同控制不足以及高速实时数据处理困难等痛点问题，以生产应用需求为导向，通过产学研协同攻关，攻克企业急需的多项关键技术难题，自主研发并成功推广应用了高速高精智能感知测控系统。早在2012年，团队在费敏锐教授指导下，由周文举博士带领团队研发了国内首台检测速度达到2800个/分钟的皇冠瓶盖视觉在线检测系统，打破了该领域长期被国外垄断的局面，填补了国内的空白。10多年来，团队不断发展壮大，与企业合作愈加紧密，通过产学研合作，先后研发了国内首台检测速度1100米/分钟的线缆生产测控装备、软木塞自动高速分级分拣设备、医用铝塑组合盖在线高速视觉检测设备、医用丁基胶塞高速视觉检测设备、双层结构柔性控制血液过滤网生产系统等30多种基于智能感知和测控的生产设备，创造了部分关键技术指标在同类装置中世界领先水平。图片来源于中国仪器仪表学会目前团队研发的设备已经在国内300余家企业成功推广应用，并出口到韩国、俄罗斯、巴基斯坦、墨西哥等多个国家，经济效益显著，近三年企业新增产值127.59亿元，为国家贡献新增利税10.76亿元。2023年10月，“现代制造业高速高精智能感知测控关键技术及应用”项目荣获中国仪器仪表学会科技进步一等奖，后经中国仪器仪表学会推荐，入围“2023中国智能制造十大科技进展”。