可视化显微检测平台

结构生物学是用物理学方法在原子水平阐明生物大分子的三维结构，进而诠释生物大分子的生物学功能及其分子机制的科学。近几年，冷冻电镜在生物物理，特别是结构生物学领域掀起了一轮新的革命。冷冻电镜技术包括单颗粒技术和原位冷冻电镜技术，2017年单颗粒技术已获得诺贝尔奖，放眼未来，冷冻电镜更多的是要应用于获取细胞和组织样品的原位信息，尤其是利用冷冻电镜电子断层扫描成像技术（Cryo-ET）获得三维图像，将细胞内的生命过程可视化，在原位对生物大分子的结构进行解析，并进一步分析其与所处周围环境之间的相互作用关系，进而阐明其发挥功能的分子机制。蛋白质聚集是许多神经退行性疾病的典型症状，包括帕金森病（Parkinson’sdisease）、亨廷顿病（Huntington’sdisease）、以及肌萎缩侧索硬化症（amyotrophiclateral sclerosis）等，至今为止还没有针对这类疾病的有效治疗方案，因此了解这类疾病的致病机理尤为重要。在细胞内表达这些疾病相关的蛋白会导致细胞毒性以及形成大的胞内包涵体，然而这些包涵体的具体致病机理还不清楚，而且这些包涵体的组成以及其精细的细胞原位结构信息也无人知晓。为了回答这一科学问题，德国马克斯普朗克生物化学研究所Baumeister教授组的研究人员利用先进的冷冻电镜光电关联技术（Cryo-CLEM）、冷冻聚焦离子束切割技术（Cryo-FIB）、以及冷冻电子断层扫描三维重构技术（Cryo-ET），在小鼠原代神经细胞原位解析了亨廷顿基因1号外显子中衍生的多聚谷氨酰胺（polyQ）所形成的包涵体及其微环境的原位精细结构，相关结果发表在2017年9月的Cell杂志。他们发现polyQ包涵体是由淀粉样肽的纤维构成，与细胞的内膜系统特别是内质网相互作用，使内质网膜发生形变并扰乱其组成，还改变了包涵体周围的内质网膜的动态性。该研究结果暗示淀粉样肽的纤维和内质网的异常相互作用导致了蛋白质聚集物所产生的细胞毒性。[align=center][img=,690,424]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811271518599236_8463_3224499_3.jpg!w690x424.jpg[/img][/align]2018年3月，该研究组在PNAS杂志发表在酵母系统内的polyQ原位分子的结构解析，他们发现在酵母细胞内polyQ蛋白聚集体形成了无定形的包涵体以及少量的纤维丝，并使线粒体和脂滴的形态发生变形。对比这两种不同的机体系统下的差异，我们可以看到同样的polyQ蛋白聚集体在不同的环境中采用了不同的构像并利用特定的机制来靶向不同的细胞结构，从而产生细胞毒性。[align=center][img=,690,770]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811271519325828_4209_3224499_3.jpg!w690x770.jpg[/img][/align]另外，2018年2月的Cell杂志报道了该研究组在大鼠神经细胞原位解析了一种重复短肽（poly-GA）蛋白聚集体及其微环境的结构，不同于polyQ形成的纤维状结构，poly-GA聚集体是由平面扭曲的长短不一的丝带状结构组成。poly-GA聚集体大量募集了26S蛋白酶体复合物，而其他生物大分子如核糖体或分子伴侣却被排除在聚集体外部。与poly-GA的直接相互作用使蛋白酶体处于失活状态，虽然在整体水平上细胞内的蛋白酶体表达量没有变化，但有功能的蛋白酶体的数量大幅减少，揭示了蛋白质聚集物所产生细胞毒性的另一原因。[align=center][img=,690,378]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/11/201811271519469883_8555_3224499_3.jpg!w690x378.jpg[/img][/align]Baumeister教授组是Cryo-CLEM、Cryo-FIB以及Cryo-ET等关键技术方法发展的开拓者和领航者。Cryo-CLEM-FIB-ET即是在整个细胞内定位荧光标记的特定目标分子，观察其动态变化并在感兴趣的时刻进行快速冷冻，然后转移到冷冻扫描电镜利用冷冻聚焦离子束进行光电关联匹配，精确定位目标分子位置并进行聚焦离子束切割产生一层100-200nm厚的切片，最后利用冷冻电子断层扫描成像从原子分辨率上解析其未被破坏的天然原位结构信息。目前冷冻光电关联的一大瓶颈是光镜的分辨率较低，虽然超分辨光电关联技术在飞速发展，但是其缺点如高强度激光照射可能使样品升温，成像速度慢等还需要一一克服。超分辨光电关联令人振奋的一大潜在应用是来精确指导冷冻聚焦离子束切割，使得大的细胞样品中的任何感兴趣目标分子都能被精确定位切割，进而进行高分辨率数据收集。另外，随着技术进一步发展，用高电子密度标签来标记目标分子并在电镜下直接成像也将会成为可能。结构生物学的终极目标是了解细胞生命过程中每一个分子的结构、功能以及它们之间的相互作用，Cryo-CLEM-FIB-ET则是在结构生物学与细胞生物学之间架起的一座桥梁，让细胞内的微观生命动态过程可视化！[b]参考文献[/b]1. Bauerlein,F. J. B., et al. 2017. In Situ Architecture and Cellular Interactions of PolyQInclusions. Cell 171(1): 179-187.2. Guo, Q., etal. 2018. In Situ Structure of Neuronal C9orf72 Poly-GA Aggregates RevealsProteasome Recruitment. Cell 172(4): 696-705.3. Gruber, A.,et al. 2018. Molecular and structural architecture of polyQ aggregates inyeast. Proc Natl Acad Sci U S A. .4. Wolff, G.,et al. 2016. Towards correlative super-resolution fluorescence and electroncryo-microscopy. Biol Cell 108(9): 245-258.Oikonomou, C. M. 2017. Cellular ElectronCryotomography: Toward Structural Biology In Situ. Annu Rev Biochem 20(86):873-896.来源：【生物成像中心】

[align=center][font=宋体][size=24px][b]数据可视化之热图的应用与绘制[/b][/size][/font][/align][align=center][font=宋体][size=24px][b]welewolf (ID: v2823651)[/b][/size][/font][/align][font=宋体][size=12.0pt]本篇原创作品以我在论文写作过程中绘制热图的经历和感悟为主题，与大家一起交流学习。[/size][/font][size=24px][b][font=宋体][size=14.0pt]1.[/size][/font][/b][/size][b][font=宋体][size=14.0pt]可视化图形是科研论文不可或缺的要素之一[/size][/font][/b][font=宋体][size=12.0pt]信息时代中海量的数据信息需要[color=#333333]借助图形手段可视化，从而清晰高效地传递。科学研究获得的原始数据通常繁杂无序，但科研论文不能只是这些数据的[/color][/size][/font][font=宋体][size=12pt][color=#333333]简单堆叠。因此，在科研领域，数据通过可视化图形表达是一个极为活跃而又关键的要素。[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt]科研绘图作为论文的[/size][/font][font='Times New Roman',serif][size=12.0pt]“[/size][/font][font=宋体][size=12.0pt]脸面[/size][/font][font='Times New Roman',serif][size=12.0pt]”[/size][/font][font=宋体][size=12.0pt]，既要注重科学性，又要注重艺术性。[color=#333333]众所周知，科研论文的发表要经过编辑和多位审稿人多层次和全方位的审核，而众多[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]期刊编辑和审稿人的审稿习惯都是先看文章插图。因此规范化的科研绘图在论文发表过程中极为重要。正如著名期刊[/color][/size][/font][font=&][size=12.0pt][color=#333333]Journal of Hazardous Materials[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]副主[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]编关小红所说：[/color][/size][/font][font=&][size=12.0pt][color=#333333]“[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt]论文千万条，规范第一条；绘图不规范，被拒两行泪[/size][/font][font=&][size=12.0pt][color=#333333]”[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]。[/color][/size][/font][size=24px][b][font=宋体][size=14.0pt]2.[/size][/font][/b][/size][b][font=宋体][size=14.0pt]热图[/size][/font][/b][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]热图通常是以矩阵的形式，结合渐进的色带展示数据值大小变化规律的热谱图，其效果一般优于离散点的直接显示，可以很直观地展现空间数据的疏密[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]程度或频率高低。据统计，[/color][/size][/font][font='Times New Roman',serif][size=12.0pt][color=#333333]2012[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]年发表于[/color][/size][/font][font='Times New Roman',serif][size=12.0pt][color=#333333]NatureBiotechnology, Cancer Cell, Genome Research, Genome Biology, [/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]和[/color][/size][/font][font='Times New Roman',serif][size=12.0pt][color=#333333]Molecular & Cellular Proteomics[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]等五种期[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]刊的[/color][/size][/font][font='Times New Roman',serif][size=12.0pt][color=#333333]664[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]篇原始研究文章中，使用热图对科研数据进行可视化表达的文章数为[/color][/size][/font][font='Times New Roman',serif][size=12.0pt][color=#333333]202[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]篇，占比为[/color][/size][/font][font='Times New Roman',serif][size=12.0pt][color=#333333]30.4%[sup][1][/sup] ([/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]图[/color][/size][/font][font='Times New Roman',serif][size=12.0pt][color=#333333]1)[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]，表明热图在科研论文的可视化表达方面具有[/color][/size][/font][font=宋体][size=12pt][color=#333333]较高的认可度和热度。[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]在使用热图的[/color][/size][/font][font='Times New Roman',serif][size=12.0pt][color=#333333]202[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]篇论文中，[/color][/size][/font][font='Times New Roman',serif][size=12.0pt][color=#333333]134[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]篇文章未提及热图的绘制方法；其余[/color][/size][/font][font='Times New Roman',serif][size=12.0pt][color=#333333]68[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]篇文章里明确地说明了热图的绘制方法，其中[/color][/size][/font][font='Times New Roman',serif][size=12.0pt][color=#333333]R[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]语言是最[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]常用的热图绘制工具，占比为[/color][/size][/font][font=&][size=12.0pt][color=#333333]46%[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]；其次是[/color][/size][/font][font=&][size=12.0pt][color=#333333]JavaTreeview[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]，占比为[/color][/size][/font][font=&][size=12.0pt][color=#333333]24% ([/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]图[/color][/size][/font][font=&][size=12.0pt][color=#333333]2)[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]。然而，[/color][/size][/font][font=&][size=12.0pt][color=#333333]R[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]语言的缺陷在于要求使用人员具有相当高的编程技能，而这一缺陷[/color][/size][/font][font=宋体][size=12pt][color=#333333]通常会导致很大一部分研究人员放弃使用热图进行数据的可视化表达。[/color][/size][/font][align=center][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333][img=,690,485]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006010949047478_4227_2823651_3.png!w690x485.jpg[/img][/color][/size][/font][/align][align=center][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333][img=,690,463]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006010951393373_8667_2823651_3.png!w690x463.jpg[/img][/color][/size][/font][/align][size=12.0pt][color=#333333][size=24px][b]3. [/b][/size][b][font=宋体]使用[/font][font='Times New Roman',serif]Excel[/font][font=宋体]绘制污染物浓度相关性热图[/font][/b][font=宋体]对于缺乏编程技能的研究工作者们，如何使用常规工具绘制热图，从而增强科研数据可视化表达的效果呢？在此为大家分享一下我在不使用[/font][font='Times New Roman',serif]R[/font][font=宋体]语言的前提[/font][/color][/size][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]下，如何使用Excel绘制污染物浓度相关性热图。以生物样本中有机磷阻燃剂 (A-E) 浓度之间Spearman相关系数为例。[b]首先，[/b]使用SPSS软件对原始数据 (图3) 进行Spearman correlation分析，得到生物样本中有机磷阻燃剂 (A-E) 浓度之间的Spearman相关系数 (图4)。[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]由于不会使用R语言绘制热图，此前仅将统计结果以表格的形式展示于论文中 (表1)。虽然表格的形式也常见于很多期刊论文中，但我还是被老板狠[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]的[/color][/size][/font][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333]diss了一回。[/color][/size][/font][align=center][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333][img=,690,523]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006010954583370_2995_2823651_3.png!w690x523.jpg[/img][/color][/size][/font][/align][align=center][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333][img=,690,559]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006011021384631_778_2823651_3.png!w690x559.jpg[/img][/color][/size][/font][/align][align=center][font=宋体][size=12.0pt][color=#333333][img=,690,447]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006010957027290_2067_2823651_3.png!w690x447.jpg[/img][/color][/size][/font][/align][font=宋体][color=#333333][font=宋体][b]其次，[/b]将获得的Spearman相关系数复制到Excel中(图5)，调整字体和单元格的大小，使数据以较为美观的形状展示；并且去除显著性符号 (星号)，使数[/font][/color][/font][font=宋体][color=#333333][font=宋体]据以数值形式显示 (图6)。[/font][/color][/font][align=center][font=宋体][color=#333333][font=宋体][img=,690,596]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006011022080723_4397_2823651_3.png!w690x596.jpg[/img][/font][/color][/font][/align][align=center][font=宋体][color=#333333][font=宋体][img=,675,695]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006010958329083_9152_2823651_3.png!w675x695.jpg[/img][/font][/color][/font][/align][font=宋体][color=#333333][size=12.0pt][b]下一步，[/b]选中数据，点击工具栏中的条件格式选项，在弹出的下拉框中选择色阶选项，在右侧滑出的复选框中选择红-黄-绿色阶，如图7所示。[/size][/color][/font][align=center][font=宋体][color=#333333][size=12.0pt][img=,690,440]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006010959401688_5801_2823651_3.png!w690x440.jpg[/img][/size][/color][/font][/align][color=#333333][font=宋体][size=12.0pt][b]最后，[/b]结合PS软件为初步制作好的热图添加显著性符号、图例和相关说明。最终效果如图8所示。[/size][/font][/color][align=center][color=#333333][font=宋体][size=12.0pt][img=,498,484]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006011000201088_1249_2823651_3.png!w498x484.jpg[/img][/size][/font][/color][/align][font=宋体][font=宋体][size=12.0pt][b]参考文献：[/b][1] Deng W, Wang Y, Liu Z, Cheng H, Xue Y (2014) HemI: A Toolkit forIllustrating Heatmaps. PLoS ONE 9(11): e111988.[/size][/font][/font]

[b]研究DNA过度拉伸时的结构变化[/b]单分子力谱(SMFS)仪器被广泛用于研究DNA过度拉伸时的结构变化。然而，很多仪器仅仅能够给出大体的信息，然而结构变化的作用机制仍然不明。将SMFS与可视化相结合可以解决这个问题。我们将讨论LUMICKS的C-Trap技术如何将高分辨率的光镊与荧光共聚焦显微结合来检测机械力作用下双链DNA至单链DNA的转变过程。之前的研究表明，裸露的双链DNA在大约65 pN的力下发生转变。在施加恒定力的转变过程中，DNA的伸直长度增加了70%。接下来DNA的B型至S型转变中，包括若干因终端或缺口被剥开或因融解泡形成而融解的区域。由于DNA的这种行为在65 pN力作用下可以再现，因而可以测量不同的连接配体或不同的缓冲液产生的力导致的过度拉伸时的变化，揭示DNA与连接配体的相互作用如何影响DNA的结构与稳定性。[img=,500,117]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/08/201808021122131167_3965_981_3.jpg!w690x162.jpg[/img]1 DNA过度拉伸的图示。DNA连接两个被光阱捕获而分开的微球，诱导了两端双链解旋分离。我们使用高分辨率光镊操控DNA分子引发转变，同时检测力(亚pN级)和距离(亚nm级)随时间发生的变化。我们使用荧光标记来区分已经融解的单链DNA和双链DNA，并用高精度的(误差在15 nm以下)多通道单光子检测来确定融解的位置。使用层流微流控和自动装载功能，可用两个被光阱捕获的微球体来拴住双链DNA(图1)。接下来这个整体被输送至含有浓度为2nM的特异性结合双链DNA的Sytox橙和3 nM的荧光标记的特异性结合单链DNA的复制蛋白A(RPA)的通道中。[img=,500,196]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/08/201808021120598814_3829_981_3.jpg!w690x271.jpg[/img]2 双链DNA转变至单链DNA的不同阶段的双色二维荧光共聚焦图像。绿色表示特异结合双链DNA的Sytox橙的荧光，蓝色表示特异结合单链DNA的RPA的荧光。第一个实验中拍摄了不同声力下的荧光共聚焦图像以演示系统的双通道检测功能。首先我们用30 pN的力使双链DNA可见(图2a)，碱基对的距离使得Sytox分子可以充分结合并完全包被双链DNA。第二个实验中，施加逐渐上升的声力直到过度拉伸，双链DNA从两端开始剥离。实验中观察到了一个非常明显的与RPA结合到单链DNA的区域(图2，蓝色区域)。除了两端以外的RPA结合的DNA区域显示了从DNA缺口处开始的剥离现象的存在。接下来用C-Trap微流控系统验证了DNA融解区域的存在，并对DNA施以缓慢的垂直流动缓冲液来延长剥下的单链DNA(图2C)。最后，双链DNA被声力完全融解，形成完全被RPA包被的单链DNA(图2D)。[img=,446,462]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/08/201808021121089923_7525_981_3.jpg!w446x462.jpg[/img]3 单个双链DNA分子以140 nm/s的速度拉伸与收缩的双色荧光波动曲线。将距离(灰色)与力(红色)的数据与荧光图像进行叠加得到数据的真实相关。为使荧光显微结果与定量力谱数据相符，将单个双链DNA分子以140 nm/s的恒定速度进行拉伸并记录力、距离和荧光(图3)。灰色的线显示了DNA两端距离随时间的变化，红色的线显示了施加的力随时间的变化。将所有的数据叠加，获得了每一条荧光显微的线的力和距离的值。因此，可以得出Sytox橙最低在25 pN的力下开始结合双链DNA。还有，和裸露的双链DNA不同，直到力达到90 pN才观察到了过度拉伸导致的变化。这样的现象可能是因为Sytox橙结合双链DNA稳定了结构，使其更加难于融解。当过度拉伸导致变化时产生了蓝色荧光，显示出双链DNA到单链DNA的结构变化。而且又一次观察到DNA的剥离不仅从两侧而且从缺口处开始的现象。双链DNA开始融解，RPA开始结合单链DNA时，力的大小开始下降，表示包被了RPA的融解DNA已经稳定，不能再次退火形成双链DNA。最后，力的大小降至20 pN，Sytox橙分离，RPA依然保持结合。在理解了小分子配体存在时的DNA的结构变化和如何通过分子水平的机械操纵来研究这些相互作用可以引导生物学和生物物理学产生突破性的发现。使用C-Trap光镊-荧光技术可以实时观察并检测结构变化。单分子的张力和拉伸的数据对研究生物分子和生物聚合物有重大意义。

[img=,500,111]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/08/201808020953386500_4907_981_3.png!w690x154.jpg[/img]1 同时利用4个光阱模拟DNA-蛋白质相互作用的示意图。[b][/b]分子水平研究DNA修复机制DNA修复是人生命活动中最基本的过程，识别和修复DNA损伤的机制复杂而精细。没有DNA修复机制，细胞就丧失了转录其基因组重要区域的能力，从而导致有害突变的累积，最终使细胞受到损伤。DNA损伤的来源主要包括双链断裂和DNA内部发生交联，如不及时修复，最终会发展为恶性肿瘤。深入的研究DNA的修复，单分子水平的技术手段必不可少。然而，既要在体外模拟体内的生物学行为，还要达到足够的灵敏度和分辨率，在原来是几乎不可能的。LUMICKS公司采用最新技术——C-Trap™ 可以满足实时可视化单分子水平观测DNA修复过程中DNA与DNA修复相关蛋白的相互作用。在保证高度模拟体内环境的前提下，大大提高了灵敏度和分辨率。尤其是当C-Trap配置了STED （超分辨显微镜，SuperC-trap™ ）之后，直接观察单个蛋白分子的动态变化成为了可能。上图表示：一个DNA分子被两个由光镊控制的微球拉直，多种DNA修复相关蛋白与DNA相互作用。通过共聚焦显微镜可以实时定位荧光标记蛋白的位置，因此可以用来研究蛋白的结合位点、扩散、折叠/去折叠等一系列蛋白与DNA互作过程。同步进行的“力-距离”信号检测能够将蛋白的活性和酶动力学结合起来，反映DNA-蛋白复合物的力学特性。[img=,500,92]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/08/201808020954417480_4675_981_3.jpg!w690x128.jpg[/img]2 X轴为时间，Y轴为沿着DNA的结合蛋白的定位。图像显示实时监测DNA修复过程中DNA与蛋白的相互作用。[img=,200,158]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/08/201808020955450482_5351_981_3.jpg!w252x200.jpg[/img]3 DNA修复相关蛋白 XLF (红色) 、XRCC4(绿色) 和复合体(黄色)在DNA上的精确位置。C-TrapTM可以实时观测DNA与蛋白质的相互作用，包括DNA的修复、复制、转录和发卡结构的形成。DNA双链由两个光镊控制的微球拉直。通过荧光显微镜可以精确定位荧光标记的蛋白，实时观测与DNA修复相关的蛋白所参与的生物学反应。Figure 2 显示DNA修复相关蛋白XRCC4（绿色，占总量的9%）和XLF（红色，占总量的62%），这两种DNA修复相关蛋白参与到非同源末端连接（NHEJ）修复过程中并形成XRCC4-XLF复合物（黄色，占总量的29%）。XRCC4和XLF还参与DNA桥联过程，此实验需要通过额外添加两个光阱。利用四个捕获微球可拉伸两条双链DNA，通过光镊施力模拟细胞内非同源DNA与DNA末端相互连接的过程。然后与DNA修复相关蛋白共孵育，检测出何种蛋白参与DNA的修复。Figure 3 显示2个DNA双链与200 nM XLF和200 nM XRCC4共孵育，过段时间后DNA形成了桥联结构。可以发现2个DNA双链形成四聚体的桥接结构的确需要这两种蛋白介导。然后通过对微球施力可进一步证实桥联的稳定性，研究应力状态下DNA修复蛋白的生物学特性。比如：当向右上和右下微球施加高强度的力(100pN)时，XLF-XRCC4 DNA 修复蛋白复合体将会结合到左侧的DNA上，启动非同源末端连接（NHEJ）修复模式。继续增加施力，当施力大于250pN时，桥联出现明显的断裂，反映出这种修复方式的桥接具有高度的稳定性和韧性。这种4微球双DNA模型技术是首次应用到DNA修复领域相关实验中。此外，由于DNA修复过程经常发生于蛋白高度密集的微环境中，因此结合STED超分辨显微镜也是一种区分标记蛋白和损伤DNA分子的技术手段。

[size=16px][color=#990000][b]摘要：低温结霜可视化实验装置主要用于模拟空间环境并研究深冷表面结霜现象，客户希望对现有实验装置的真空系统进行技术升级，以实现0.001Pa~1000Pa范围内真空度的准确控制。为此本文提出了分段控制解决方案，即采用电容真空计、电动针阀、电动球阀和低真空控制器构成低真空控制回路；采用皮拉尼计、可变泄漏阀和高真空控制器构成高真空控制回路。解决方案可以很好达到技术指标要求，也可推广应用到其它真空和超高真空度控制。[/b][/color][/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][img=低温结霜可视化实验装置的真空压力精密控制,600,396]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309280929054356_4108_3221506_3.jpg!w690x456.jpg[/img][/size][/align][size=16px][/size][size=18px][color=#990000][b]1. 项目背景[/b][/color][/size][size=16px] 结霜现象广泛存在于自然界和低温、制冷、航空航天等工程领域，当冷表面温度低于对应水蒸气分压下的冰点温度时，水蒸气将会在冷表面凝华成霜。以往对常压、普冷条件下的结霜现象研究较多，霜层表面与湿空气之间的传热、传质机理已比较明确，但常压下凝华成霜的机理和物性参数与真空低温条件下的差异很大，以往研究所得的结霜机理无法直接用于真空深冷环境下的凝华过程分析，因此在航天器以及航天器地面模拟试验中必须要对水蒸气遇到低温表面产生凝华结霜现象进行研究，如采用结霜可视化实验装置，针对深冷表面的结霜现象，研究不同气压条件下霜层的微观形貌和生长过程，并进行对比分析。[/size][size=16px] 如图1所示，冷表面结霜可视化实验装置由低温系统、真空系统、数据采集系统和图像采集系统组成，其中低温系统和真空系统用于控制结霜环境条件，包括冷表面温度和真空度；数据采集系统记录冷表面的温度、真空度；图像采集系统用于记录和分析霜层形貌及其生长过程的图像信息。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=冷表面结霜可视化实验装置结构示意图,400,293]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309280927546741_3952_3221506_3.jpg!w690x507.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 冷表面结霜可视化实验装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 采用可视化实验装置需要对真空容器进行不同气压值的精确控制，以模拟不同空间环境下的不同真空压力值。但目前的实验装置仅能进行250Pa左右的真空度控制，且波动性较大。[/size][size=16px] 针对现有冷表面结霜可视化实验装置中真空度控制存在的问题，客户希望在现有干泵和分子泵基础上进行升级改造，并提出了相应的技术要求，具体指标如下：[/size][size=16px] （1）真空度控制范围：0.001Pa~1000Pa（绝对压力）。[/size][size=16px] （2）真空度控制精度：优于±20%（0.001Pa~1Pa），优于±1%（1Pa~1000Pa）。[/size][size=16px] 针对上述客户提出的技术指标，本文介绍了相应的技术改造方案，具体内容如下。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 针对低温结霜可视化实验装置真空环境需控制在高真空度（0.001Pa~0.1Pa）和低真空度（0.1Pa~1000Pa）范围内，本文所述的解决方案将在现有干泵和分子泵组成的抽气系统基础上，采用动态平衡控制法，使用两套控制回路分别实现低真空和高真空范围的精密控制。整个真空度控制系统结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=可视化实验装置真空度控制系统结构,690,356]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309280928215793_1360_3221506_3.jpg!w690x356.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 可视化实验装置真空度控制系统结构[/b][/color][/size][/align][size=16px] 对于低真空（0.1Pa~1000Pa）范围的控制，控制回路由电动针阀、电容真空计、电动球阀和低真空控制器组成。真空度的测量使用了2只不同量程的电容真空计（0.1Torr和10Torr），并采用了双通道的低真空控制器。在10Pa~1000Pa范围内，控制器的第一通道采集10Torr真空计信号，通过自动调节电动球阀开度并恒定电动针阀进气流量，可实现10Pa~1000Pa范围内的真空度控制。在0.1Pa~10Pa范围内，控制器的第二通道采集0.1Torr真空计信号，通过自动调节电动针阀开度并保持电动球阀为全开状态，可实现0.1Pa~10Pa范围内的真空度控制。[/size][size=16px] 对于高真空（0.001Pa~0.1Pa）范围的控制，控制回路由可变泄漏阀、皮拉尼计和高真空控制器组成。高真空度控制器为单通道真空压力控制器，在开启分子泵全速抽取的状态下，控制器采集皮拉尼计信号，通过自动调节可变泄漏阀的微小进气流量，可实现0.001Pa~0.1Pa范围内的真空度控制。需要注意的是，皮拉尼计输出信号有严重的非线性特征，因此所采用的真空压力控制器具有信号的线性处理功能，如采用了八点最小二乘法曲线拟合进行非线性处理，由此可很好的保证高真空度范围的测量和控制准确性。[/size][size=16px] 在低真空控制过程中，高真空控制器控制可变泄漏阀为关闭状态，同时控制器采集皮拉尼计信号进行真空度显示（此显示数据精度较差）。在高真空控制过程中，需采用低真空控制器关闭电动针阀阻塞进气，并同时控制电动球阀处于全开状态。[/size][size=16px] 在低温结霜可视化实验装置中，除了进行真空度控制之外，还需要使用液氮和相应温控系统进行低温温度的准确控制，而真空度控制的准确性会对温度控制精度产生明显影响，为此真空控制系统中关键部件的选择尤为重要。以下为解决方案中关键部件选择的具体说明：[/size][size=16px] （1）真空计：为了保证真空度的测量精度，解决方案在低真空范围选择了电容真空计，在任意真空度下其测量精度可优于±0.25%；在高真空范围内（0.001Pa~0.1Pa）选择的是皮拉尼计，其测量精度为真空度读数的±15%，但与真空度对应的电压输出信号为指数函数。[/size][size=16px] （2）进气和排气调节阀：调节阀的关键指标是响应速度和线性度，只有具有快速的气体流量调节能力，才能实现高精度的真空度控制。解决方案所选择的电动针阀和可变泄漏阀所具有的响应速度都小于1秒，而电动球阀具有1秒和7秒两种型号的响应速度。另外，所选择的这些调节阀门都是国产化替代产品，具有很好的线性度，试验考核证明在低真空范围内可轻松实现±1%的控制精度，如果选用更高精度为0.05%的电容真空计，可实现优于±0.1%的控制精度。[/size][size=16px] （3）真空控制器：在真空计和调节阀满足精度要求的前提下，真空控制器的精度和线性化处理功能则是实现高精度控制的关键。解决方案所选择的VPC-2021系列真空控制器，采用了目前国际上最高精度的工业用微处理芯片，具有24位AD和16位DA，使用双精度浮点运算可使最小功能输出百分比达到0.01%，控制器的这些技术指标可以充分发挥上述真空计和调节阀的高精度优势。同时，VPC-2021系列真空控制器具有八点曲线拟合功能，可更好的保证皮拉尼计测量精度以及高真空范围内的控制精度，如果皮拉尼计已经进行了对数处理输出的是线性信号，控制器也可以通过参数设置功能将其转换为真实的真空度数值。另外，VPC-2021系列真空控制器具有PID参数自整定功能和随机软件，在使得自动控制更加简便的同时，更无须在进行任何编程即可搭建起计算机控制系统，通过计算机软件可快速进行控制过程的参数设置和运行控制，可对过程曲线进行显示、存储和调用。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，针对客户对低温结霜可视化实验装置真空度精密控制的技改要求，本文提出的解决方案可以的达到技术要求指标。另外，此解决方案还具有如下特点：[/size][size=16px] （1）本文所述的解决方案是一个非常典型真空度精密控制方案，可以推广应用到空间环境模拟等各种试验装置中的真空度准确控制，特别是采用了可变泄漏阀的超高真空度控制技术，更是具有突出的技术优势。[/size][size=16px] （2）解决方案中所采用的VPC-2021系列控制器，是具有超高精度的工业用多功能PID控制器，可采集测量多达47种传感器信号，因此VPC-2021系列控制器也常被用于温度、流量和张力等其他参数的高精度控制。同时，VPC-2021系列控制器具有多种高级控制功能，如串级控制、分程控制和比值控制功能，可实现复杂控制系统的自动控制。另外，VPC-2021系列控制器还具有远程设定点功能，通过此功能可实现自动跟踪控制和外部周期信号驱动的复杂波形自动控制。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][color=#990000][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

[align=center][font=宋体]模块化质谱与虚拟运行及可视化故障处理系统的探讨[/font][/align][font=宋体] [font=宋体]如图所示，质谱联用的模块化在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Yp][color=#3333ff]液质[/color][/url]、[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/bp][color=#3333ff]气质[/color][/url]及[/font][font=Calibri][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url][/font][font=宋体]等仪器上均有所体现，本文主要讲的是通过模块化与虚拟运行和可视化故障处理方面的可行性。[/font][/font][img=,353,158]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109091346591327_9845_3237657_3.jpg!w353x158.jpg[/img][img=,236,151]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109091346399892_5573_3237657_3.jpg!w236x151.jpg[/img][font=Calibri][img=,527,185]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109091347150757_2021_3237657_3.jpg!w527x185.jpg[/img][/font][font=宋体]首先介绍下模块化，这里不得不提到液相色谱的模块化构造，把进样、分离、采集、处理、传输等各系统分离开来。当然，这里并不是单独讲液相色谱与质谱联用，所有的质谱联用类仪器包括色谱或者光谱类仪器都可以分为这几类。[/font][font=宋体]众所周知，质谱类仪器发生故障后，大多数品牌商的仪器软件都会出现故障报错信息，代码或者提示信息。这种情况可以根据提示进行排查，但很多情况下，仪器并未提示信息，但实际走样品的时候会出现很多问题，很多新手同行在出现问题后并不会排查仪器，又因为质谱厂家现场维修排单较慢或者距离较远、费用较贵等因素，在某一程度上很多人会选择远程咨询工程师或者网络求助等等。但设备出现问题有很多类型，工程师或者其他使用者也仅仅是从经验告诉求助者如何进行排查，所以如果有一种能够将单个模块化进行虚拟运行，然后通过传输的可视化结果进行比对的系统，个人觉得对仪器操作使用者来说会是一大福音。另外模块化系统还可以对单独的模块进行特殊的维护，而断开与其他模块的反应。[/font][font=宋体]具体方案如下：[/font][font=宋体] [font=宋体]仪器出现问题（例如出现保留时间延长[/font][font=Calibri]1min[/font][font=宋体]）[/font][font=Calibri]--[/font][font=宋体]进入排查系统[/font][font=Calibri]--[/font][font=宋体]导入样品分析方法、样品组分等内容[/font][font=Calibri]--[/font][font=宋体]进行虚拟进样[/font][font=Calibri]---[/font][font=宋体]导入色谱柱参数，进行虚拟分离，进入检测器，进行虚拟分析，查阅结果。若其中某一个模块确定无问题时，点击无问题运行。根据各模块的组合，无问题运行和虚拟运行之间的结果比对，就很容易排查出问题所在。[/font][/font][font=宋体]另外，在模块化系统的操作中，还可以将不同的模块也单独分成功能不等的模块，例如进样模块，吸取、混合等也可以分阶段的导入系统。例如，现在系统反馈的是进样系统问题，那么在模块化排查或者维护系统中，我们可以将进样系统问题进一步进行分块处理，确定无问题的或者假设无问题时，我们可以点击无问题运行，其余点击虚拟运行，就很容易排查出问题所在。[/font][font=宋体]最后，模块化系统对于维护维修也很有帮助，例如需要对[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/bp][color=#3333ff]气质[/color][/url]的色谱柱进行老化，由于一体化机中，[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相[/url]的色谱柱是伸到质谱的检测器端，如果我们进行模块化，将质谱端与[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相[/url]端进行分离。进行色谱柱老化时，将质谱端进行关闭。或者在换柱子时，进行备用柱转换系统，例如色谱端的柱子新建备用柱，调整好后直接点击更换备用柱，系统自动进行切换等等。[/font][font=Calibri] [/font]

[color=#000000]黄曲霉毒素是谷物污染的主要有毒真菌代谢物, 到目前为止，被人们发现的黄曲霉毒素已经超过 300 种。其中最常见的就是黄曲霉毒素 B1（AFB1），它也是哺乳类动物体内毒性最强的天然致癌物。 黄曲霉毒素 M1（AFM1）是 AFB1 在动物体内经过羟化而衍生成的代谢产物。哺乳动物通过摄入含有 AFB1 的谷物后，通过体内肝细胞内质网微粒体混合功能氧化酶 的作用下进行代谢，产生AFM1，而产生的 AFM1 能通过乳汁和尿液排出体外。[/color] [img=,690,155]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909102007102504_8791_3520766_3.png!w690x155.jpg[/img][align=center]图1[/align] 在日常生活中，人们所饮用的奶制品，就极有可能由于超标的 AFM1 存在而严重威胁到人类的健康。虽然 AFM1 的毒性并没有它的母体化合物 AFB1 高，但是由于 AFM1 具有的细胞毒性和致癌效应以及高产量的奶制品对人们特别是婴儿以及幼儿生活的重要性使得其越来越受到研究人员的重视。世界卫生组织国际癌症研究机构（IARC）将它分类为一类致癌物质。许多国家设立了 AFM1 在奶制品中的最大残留量。在欧洲国家，欧盟委员会已经严格限定牛奶或 奶制品中的AFM1 的最大残留量为 50 ng/kg 或者 50 ppt。美国食品及药物管理局（FDA）则将 AFM1 的最大残留量规定为 500 ng/kg。目前，测定 AFM1 的分析方法主要包括薄层色谱法，液相色谱-质谱联用法等等色谱质谱法。但是在这里我们想要介绍一种更为简便，经济，便携的新型方法。这种方法是基于酶联免疫及金属纳米材料特性实现的一种可视化的分析方法。近年来，酶联免疫法在真菌毒素的检测方面有了突破的发展。酶联免疫法已经成功地用在牛奶中 AFM1 含量的测定。商业化的酶联免疫试剂盒已经能够稳定准确地检测出实际样品中 AFM1 的含量，他们的优点是操作简单、测定快速、不需要大型仪器。只是测定结果都是通过单一色彩的不同强度进行半定量的。而金属纳米材料的引入则很好地解决了这个问题。例如纳米金棒（GNRs），作为一种特殊的纳米材料，GNRs 因其各向异性而具有独特的横向表面等离子体共振和纵向表面等离子体共振性质。并且 GNRs 的纵向的等离子共振峰强烈依赖其长径比，这使得我们可以在一定波长范围内通过调节 GNRs 的长径比来获得不同的光学信号。而若能将GNRs的长径比的改变引入商业化的酶联免疫试剂盒，那么就能很好地改善试剂盒的色彩辨识度。图2是四种乳制品样品通过GNRs结合的AFM1酶联免疫试剂盒得出来的可视化结果。与标准比色卡对比，这四种乳制品中AFM1的浓度分别为0.015-0.025 ppb、0.045-0.08 ppb、0.015-0.025 ppb以及0.08-0.15 ppb。 [img=,690,550]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909102006219152_9626_3520766_3.png!w690x550.jpg[/img] 图2 这种方法能够对不同含量的AFM1产生不同含量的氧化剂，导致GNRs被不同程度地刻蚀而呈现出丰富多彩不同色系的颜色（粉色，紫色， 蓝色，绿色，灰棕色）。并且这种方法具有很好的选择性和抗干扰能力，已经能够成功地运用于乳制品中 AFM1 含量的测定。这种多色酶联免疫法对比于传统 的酶联免疫法，省去了昂贵，大型的检测仪器，大大提高其便携性。