粒子操控

国家重大科学仪器设备开发专项“精确操控离子反应质谱科学装置的研制及应用研究”启动　　由国家质检总局组织实施的国家重大科学仪器设备开发专项——“精确操控离子反应质谱科学装置的研制及应用研究”的启动会，在项目牵头单位中国计量科学研究院召开。会议由国家质检总局科技司主持，科技部科研条件与财务司吴学梯副司长，国家质检总局科技司侯玲林副司长，国家自然科学基金委分析化学学科项目主任庄乾坤教授，中国分析测试学会张渝英秘书长，中国计量科学研究院副院长段宇宁、宋淑英等项目承担单位的领导，以及中科院大连化学物理研究所张玉奎院士、杨学明院士等相关专家出席。　 　　会议宣布成立项目监理组、项目总体组、技术专家委员会、用户委员会和项目管理办公室。科技部条财司吴学梯副司长作了重要讲话。他指出，科学仪器设备是光学、机械、电子、计算机、物理、化学、生物等学科领域各种高新技术的集成和结晶，在涉及重大科技前沿、国防等敏感领域的研究中，研发若干具有国际领先水平的重大科学仪器设备，将有效支撑我国开展世界一流科学研究、带动我国高新技术产业的发展。他强调，科学仪器设备的自主研发水平往往成为衡量一个国家创新能力的重要标志之一。“十二五”期间，我国把引领和支撑科技发展的科学仪器设备自主创新摆在优先发展位置,这对于增强我国科技实力、引领国民经济又好又快发展具有非常深远的意义。　　科技部条财司吴学梯副司长作重要讲话　　项目负责人方向研究员汇报了项目整体情况，各任务负责人汇报了任务实施方案。与会专家认真听取、各抒己见，充分表达了对项目的支持，并提出了具体的要求和建议，希望项目组不仅要克服技术难题，也要努力将各任务之间的组织协调工作做好，以确保项目的顺利实施。项目总体组组长、中国计量科学研究院段宇宁副院长表示，中国计量院将全力以赴支持项目的实施。　　该项目自2011年10月开始实施，将于2016年10月结束。任务承担单位包括：中国计量科学研究院、北京理工大学、清华大学、北京蛋白质组研究中心、中国科学院大连化学物理研究所、北京生命科学研究院。　　该项目着重针对生物、材料和先进能源技术等重要领域的蛋白精确分析等前沿技术、分子反应动力学等基础问题，通过研发新技术、新方法，实现离子精确操控及质谱分析，为上述领域的研发提供高性能、高效率、具有创新操作模式的强大工具。　　本项目将研制3套以精确操控离子反应系统为核心的科研装置，包括：离子反应超高分辨质谱装置、碰撞反应飞行时间离子谱装置和离子反应理论研究与实验装置。并在此新装置上分别开展离子束反应与控制、蛋白磷酸化筛选与鉴定、碰撞反应飞行时间离子谱、蛋白分析中的ETD反应及离子碎裂新方法、高纯有机试剂中痕量杂质精确分析等应用研究。　　据项目负责人方向研究员介绍，通过该项目的实施，在仪器研制方面，将掌握精确离子操控核心技术和一系列关键技术，形成一整套具有自主知识产权的机械、电子、光学、软件等关键部件和高性能的整机 在应用研究方面，有望突破生物、材料和先进能源技术等重点领域尚未解决的难题，建立我国尖端科学实验装置研发基地，形成高端科学装备研制技术团队和前沿技术科学家紧密合作的研发联盟，为我国高端质谱仪器创新发展进一步奠定重要基础。　　国家重大科学仪器设备专项项目是为了贯彻落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》，由财政部、科技部共同设立的旨在支持重大科学仪器设备开发，以提高我国科学仪器设备的自主创新能力和自我装备水平，支撑科技创新，服务经济建设而设立的专项支持资金。今年为首批资助，采取限项推荐方式。今年全国53个项目获得资助，中国计量科学研究院“宽量限超高精密电流测量仪”和“精确操控离子反应质谱科学装置的研制及应用研究”2个项目获得资助。

图中所示的是利用光学扳子捕获和旋转人类平滑肌细胞。这种扳子可以精确操控最小的物体　　据国外媒体报道，利用激光能够对微观颗粒施加推力和拉力的性质，美国科学家研制出世界上最小的扳子(光学扳子)。这种扳子可以精确操控最小的物体——从活细胞和DNA到在生物学和物理学研究中使用的微观马达和电机。　　这种基于激光的技术早已应用在“光镊”当中。虽然光镊可以沿着直线来回移动微观物体，但是却不能够扭转物体。来自美国阿斯顿德克萨斯大学的研究者表示，这种新型的光学扳子可以在任意方向上扭转物体，而不需要移动任何光学部件。　　主管该研究的科学家Samarendra Mohanty说：“虽然光学镊子在生物医学和微流控技术领域非常有用，但是当进行深层次的作业时，它没有光学扳子的操控性和功能性强。”　　在这种新型的装置中，光纤中的激光束首先俘获物体并把它放置在适当的位置，然后通过精细调节光纤，激光束就能够对物体施加一个非常小的扭转力，该扭转力可以产生沿任意旋转轴和任意方向的旋转，这取决于光纤的定位。

近日，大连化物所光电材料动力学研究组(1121组)吴凯丰研究员团队在量子点自旋光物理研究中取得重要进展，率先实现了室温下对低成本溶液法制备的胶体量子点的自旋相干操控。这一成果在量子信息科学、超快光学相干操控等领域具有重要意义。 　　量子信息技术是指以微观粒子(或准粒子)的量子态表示信息，并利用量子力学原理进行信息存储、传输和处理的技术。对固态材料中的自旋量子比特进行相干操控，是实现量子信息技术的重要途径之一。目前已报道的相关固态体系主要包括外延生长量子点以及“点缺陷”材料(如金刚石色心等)。然而，外延生长量子点的制备工艺复杂、造价昂贵，且其自旋操控一般需要在液氦温度下进行。虽然“点缺陷”自旋的室温相干操控已被实现，但如何规模化、可控地制备这类材料是巨大挑战。因此，若能在室温下实现低成本材料的自旋相干操控，对量子信息技术的发展将产生深远影响。吴凯丰研究团队一直致力于胶体量子点的超快光物理与光化学研究。这类量子点不但可用相对温和的化学法在溶液中宏量制备，而且其限域效应强，光电、自旋等性质精准可调。尤其是近年来兴起的铅卤钙钛矿量子点，其旋轨耦合效应特别有利于通过光学方法高效注入自旋极化，同时其强烈的光-物质相互作用可促进自旋的光学相干操控。研究团队近期也在CsPbI3钙钛矿量子点中观测到激子自旋的系综量子拍频并解析了其物理机制(Nat. Mater. 2022)。 　　在本工作中，考虑到量子点中的电子-空穴交换作用导致了复杂的激子裂分及光学取向行为，研究团队创新性地制备了钙钛矿量子点的单空穴自旋极化态，并基于自行研制的多脉冲飞秒磁光技术实现了室温相干操控。团队通过在CsPbBr3量子点表面化学修饰蒽醌分子，在亚皮秒尺度捕获量子点的光生电子，猝灭电子-空穴交换作用，在室温下得到百皮秒量级的空穴自旋，在外加磁场下，该空穴自旋发生拉莫尔进动；借助一束亚带隙光子能量的飞秒脉冲，利用光学斯塔克效应产生赝磁场，成功实现了对空穴自旋的量子态相干操控。考虑到自旋相干寿命在百皮秒量级，借助百飞秒(约为0.1皮秒)级的激光脉冲，研究人员在自旋退相干之前原则上可开展上千次的有效操控。 　　相关文章以“ Room-temperature coherent optical manipulation of hole spins in solution-grown perovskite quantum dots ”为题，于近日发表在《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上。该工作的共同第一作者是大连化物所1121组博士生蔺煦阳、韩瑶瑶博士。上述工作获得了中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金及大连化物所创新基金的支持。

“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

强激光与多体系统相互作用可以诱导非平衡态的新奇物理现象，例如光致超导[1]、光致亚稳态[2]、光激发相干声子模式[3]和光致拓扑缺陷的产生[4]等。激光脉冲泵浦激发固体材料中的电子提供了一种通过非热诱导产生新颖量子态的手段，可以在飞秒至皮秒级的时间尺度上操控材料的宏观属性。二维电子态中存在众多奇异的量子现象，如量子霍尔效应(1985年诺贝尔物理学奖)、石墨烯中的狄拉克电子态(2010年诺贝尔物理学奖)和超导增强等。这些二维电子态通常通过机械剥离、人工异质结、分子束外延生长等方法制造人工结构来实现，本研究提出并实现了在量子材料中利用超快激光调控产生二维电子态的新方法。该方法利用在特定激光强度下激发相干电子—声子相互作用所引起的材料晶格宏观周期性畸变，结合激光在材料中由于穿透深度引起的强度分布，从而导致这种晶格畸变在材料中分层出现，并在晶格畸变层与原始层之间实现了一种长程有序的二维电子态(图1(a))。图1 实验原理及实验装置 (a)激光调控电荷密度波材料形成二维电子态示意图；(b)时间分辨实验示意图；(c)作者团队自主研制的时间分辨角分辨光电子能谱仪　　电荷密度波材料SmTe3的超快X射线衍射实验[5]、TbTe3中超快光谱实验[6]以及准一维电荷密度波材料K0.3MoO3的超快X射线衍射数据[7]都表明，存在超快激光诱导的电荷密度波相的反转畸变。然而，这种光诱导的反转畸变层与原始层之间的二维电子态尚未在实际的材料中观测到，以及该二维电子态是否具有长程序在实验上都还未知。　　我们对1T-TiSe2这一传统的三维电荷密度波材料进行了高分辨率的光学操控。利用高分辨率的时间分辨角分辨光电子能谱和兆电子伏特超快电子衍射，分别对1T-TiSe2中的电子和晶格的超快动力学进行了探测(图1(b))。通过时间分辨角分辨光电子能谱的测量，固定泵浦光和探测光之间的时间延迟并连续改变泵浦光的激发密度发现，Γ点光电子能谱强度随着泵浦激发密度的增加略有增加，直到超过激子凝聚的临界激发密度时光电子能谱强度发生急剧增强(图2(a))。更有趣的是，光电子能谱强度随激发密度增加向上移动并在激发密度约为0.091 mJ/cm2时达到一个极大值(峰)，随即在激发密度约为0.116m J/cm2时下降至一个极小值(谷)。随着泵浦激发密度的继续增加，光电子能谱强度中会交替出现峰—谷的特征，直至到达一个激发密度，光电子能谱强度随着泵浦激发密度的增加而线性增加。此外，电子态的线宽在特定泵浦能量下也会出现交替减弱的反常现象，这种奇特的现象只有在电子维度从三维退变成二维时才能得到合理的解释，这也证实了可以通过调控激光的泵浦能量来操控电子体系的维度。后续的实验表明，该峰—谷的特征持续时间长度达到30ps，表明可以通过利用飞秒激光操控电子体系的维度来实现新物质态的产生，并且可以在皮秒时间尺度内对量子材料的宏观属性进行调控。　　图2 光诱导的二维界面及所形成二维界面上的奇异电子态 (a)上图：理论模拟不同激发密度下的序参量随着厚度的变化，下图：Γ 点Se-4px,y光电子能谱强度随激发密度的变化，费米能级附近Ti-3dz2轨道光电子能谱强度随泵浦激发密度的变化，积分范围为插图中白色矩形所示区域；(b)Γ 点光电子能谱强度在不同温度下随泵浦激发密度的变化，测量的时间延迟为12 ps；(c)4 K时，图(b)中峰和谷对应的激发密度处光电子能谱强度随着能量的变化，动量积分范围为插图中虚线矩形所示区域；(d)图(b)中峰和谷对应的泵浦激发密度在图(c)插图中虚线对应动量处的能量分布曲线　　在进一步的研究中，超快电子结构在高泵浦激发密度下表现出非简谐振荡的行为，这意味着强激光作用可引起晶格畸变发生反转，从而在晶格畸变反转区和非反转区形成二维电子结构。通过高分辨率的兆伏特超快电子衍射实验，观察到与电荷密度波相有关的超晶格峰强度在强激光作用下先消失再出现的特征，为激光作用下晶格畸变反转的存在提供了确定性证据。超快电子结构和超快电子衍射实验结果与含时的与空间分布有关的金兹堡—朗道双势阱模型模拟计算结果相吻合(图2(a))，这也证实了飞秒激光诱导晶格畸变反转可在三维材料中实现二维电子态。　　近期的研究在加压、铜掺杂和电场控制的1T-TiSe2中发现了超导电性。在1T-TiSe2超导态中，不可公度的电荷密度波(CDW)相与局域可公度的CDW相被畴壁分开，畴壁处费米能级附近态密度的增强被认为是1T-TiSe2中超导的起因。我们发现光诱导的2D电子态处Ti-3dz2轨道在费米能级附近态密度存在明显的增强(图2(a))，这也可能导致光致超导现象的出现。仔细比较低温下4K处泵浦激发密度依赖的光电子能谱强度在峰和谷处的能量分布曲线，从能量分布曲线的边缘移动，可以发现二维电子态处存在大约2 meV的能隙(图2(d))。随着泵浦能量的增加，潜在的能隙(约1.5 meV)在表面的第二个畴壁处也很明显，但在远离畴壁的区域没有发现能隙打开的迹象。之前的研究表明，在铜掺杂的1T-TiSe2中预估的超导能隙大小为0.5 meV[8]，这与我们在光诱导的2D电子态处观测到的能隙大小在同一量级。更有趣的是，利用费米狄拉克分布函数卷积能量分辨率拟合费米能级处态密度分布，得到的电子温度大约为90 K，这远高于加压、铜掺杂和电场控制的1T-TiSe2样品中超导出现的转变温度。　　此外，在光诱导2D电子态中观测到的能隙当30 K时仍然是可以分辨的(约1meV)，但在更高的温度80 K不可分辨(图2(d))。实验中观测到的光诱导能隙的打开可能与K3C60中观测到的光致超导[9]现象类似，尽管电子温度很高，但光诱导的能隙大小与平衡态的超导能隙大小相当。这种由泵浦光引起的能隙打开可能具有相同的非平衡态物理性质，尽管它们可能具有不同的机理起源。然而，潜在的瞬态能隙的打开不是超导出现的专有证据，能隙的打开也可能是由瞬态CDW、半导体和其他具有能隙电子态的物相所导致，需要后续的实验和理论工作进一步阐述该能隙的起源和本质。　　先进仪器的研制和实验精度的提升是获得此新发现的关键。我们自主研制了具有国际领先水平的时间分辨角分辨光电子能谱仪，时间分辨率(113 fs)和能量分辨率(16.2meV)的乘积已接近物理极限，达到了国际上同类仪器的最高水平[10]。并且我们合作研究组研制了目前世界上唯一一台时间分辨率优于50 fs(FWHM)的兆伏特超快电子衍射装置。本研究结合两台装置分别对电子和原子敏感的优势，分别从超快电子结构和超快晶格动力学两方面提供了相关发现的实验证据。　　该工作创新性地实现了利用飞秒激光来操控电子体系的维度，在三维电荷密度波材料1T-TiSe2中产生了皮秒量级时间尺度的瞬态2D电子态，并在二维电子结构中发现电子态密度增加和能隙打开的迹象，有可能出现光致非平衡高温超导现象。这些发现利用超快激光实现了对电子维度的操控，在皮秒时间尺度内对量子材料的宏观属性进行了调控，并产生奇异的量子现象，为超快科学的探索开辟了新窗口。该研究成果已于近期在Nature上发表[11]。参考文献　　[1] Fausti D，Tobey R I，Dean N et al. Science，2011，331：189　　[2] Ichikawa H，Nozawa S，Sato T et al. Nat. Mater.，2011，10：101　　[3] Horstmann J G，Böckmann H，Wit B et al. Nature，2020，583：232　　[4] Zong A，Shen X，Kogar A et al. Sci. Adv.，2018，4：1 　　[5] Trigo M，Giraldo-Gallo P，Clark J N et al. Phys. Rev. B，2021，103：1 　　[6] Yusupov R，Mertelj T，Kabanov V V et al. Nat. Phys.，2010，6：681　　[7] Huber T，Mariager S O，Ferrer A et al. Phys. Rev. Lett.，2014，113：1 　　[8] Li S Y，Wu G，Chen X H et al. Phys. Rev. Lett.，2007，99：2 　　[9] Mitrano M，Cantaluppi A，Nicoletti D et al. Nature，2016，530：461　　[10] Yang Y，Tang T，Duan S et al. Rev. Sci. Instrum.，2019，90：063905　　[11] Duan S，Cheng Y，Xia W et al. Nature，2021，595：239

记者从中科院深圳先进技术研究院获悉，该院郑海荣课题组携手国内外合作者，实现了利用超声辐射力效应对物体进行非接触的操控、搬运以及筛选。这使得利用声波进行一定距离的&ldquo 隔空探物&rdquo 成为现实。相关成果于6月11日发表于《应用物理评论》杂志。　　据了解，声波操控技术利用声场中的颗粒对声波产生的反射、折射、吸收等效应引起的动量在声波与颗粒之间交换，通过颗粒受到的力作用对其进行操控。声子晶体(人工周期结构)是具有声子带隙的人造周期弹性介质结构。利用声波在不同周期结构材料中的传播规律，以及不同材料的组元及其结构对能带结构和带隙的调控机制，可以设计优化声子晶体以对声场形态进行调制，从而控制声波的传播和分布。　　在该研究中，郑海荣课题组提出通过设计制造的人工周期结构对换能器发射波束进行再调控，首次利用声子晶体板兰姆波诱发的透射增强机制，产生高度局域化的声辐射力，对同种材料不同尺寸或相同尺寸不同材料的微纳米颗粒成功实现捕获、排列、移动、筛选等操控。　　由于组成&ldquo 声筛&rdquo 的声子晶体板共振频率由晶格常数和板厚等结构参数决定，因此可设计优化捕获力的激励频率以及微纳米颗粒的筛选尺寸。又因为颗粒尺寸小于晶格常数，且晶格常数为兰姆波波长，小于同频率声波在水中的波长，所以&ldquo 声筛&rdquo 对微纳米颗粒的操控具有亚波长特征。因此，&ldquo 声筛&rdquo 实现了对亚波长微纳米颗粒的可调控操控，其在生物医学工程、3D打印、催化反应和材料科学等领域具有广泛的应用前景。　　据介绍，利用&ldquo 声筛&rdquo 技术可研制出精确可靠、成本低廉的微纳米颗粒控制器件，为研究金属、细胞、蛋白质、DNA等微纳米颗粒及其微纳米结构的装配、基本力学、物理和生化特性提供重要研究手段，为用于细胞、血小板、蛋白质等生物颗粒筛选的新型生化分析仪器研制提供技术支持。　　据悉，该成果已被《应用物理评论》杂志推荐为&ldquo 研究亮点&rdquo 和&ldquo 特色研究&rdquo ，并受到国内外同行的广泛关注。

新华社武汉8月17日电（记者谭元斌）我国3家单位的科研人员合作，找到了一种可同时提高量子操控速度和精度的方案，为量子计算机的研制提供了新的思路。相关研究成果近日发表于国际权威期刊《物理评论快报》。中国科学院精密测量科学与技术创新研究院冯芒研究员课题组与郑州大学、广州中国科学院工业技术研究院合作，利用超冷离子实验平台，设计和完成了两个单比特的非循环非绝热的普适性几何量子逻辑门实验。结果显示，非循环非绝热几何量子操作不仅可以节约操作时间，而且保真度明显高于常规非绝热几何量子操作和常规动力学量子操作，这种快捷且容错的特点在连续多次操作中展现得更为显著。尤为重要的是，非循环非绝热几何量子操作能够直接推广到两个量子比特的逻辑门操作中。这意味着其将来有可能运用于普适的量子计算。据冯芒介绍，在大多数量子操控中，速度与精度相互牵制，速度提高了就会导致精度下降，反之亦然。因此，同时提高量子逻辑门操作的精度和速度一直是量子计算机研制的主攻方向之一。

中国科学技术大学郭光灿院士团队在硅基半导体自旋量子比特操控研究中取得重要进展。该团队郭国平教授、李海欧研究员与中科院物理所张建军研究员等人，和美国、澳大利亚的研究人员及本源量子计算公司合作，实现了硅基自旋量子比特的超快操控，其自旋翻转速率超过540MHz，是目前国际上已报道的最高值。研究成果以“Ultrafast coherent control of a hole spin qubit in a germanium quantum dot”为题，于1月11日在线发表在国际知名期刊《自然⋅通讯》上。硅基半导体自旋量子比特以其长量子退相干时间和高操控保真度，以及其与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为量子计算研究的核心方向之一。高操控保真度要求比特在拥有较长的量子退相干时间的同时具备更快的操控速率。传统方案利用电子自旋共振方式实现自旋比特翻转，这种方式的比特操控速率较慢。研究人员发现，利用电偶极自旋共振可以实现更快速率的自旋比特操控。电偶极自旋共振的一种方案是通过嵌入器件中的微磁体结构所产生的“人造自旋轨道耦合”来实现，但这会使自旋量子比特感受到更强的电荷噪声，从而降低自旋量子比特的退相干时间，同时降低自旋量子比特阵列的平均操控保真度，阻碍硅基自旋量子比特单元的二维扩展。另一种有效方案是使用材料中天然存在的自旋轨道耦合进行自旋量子比特操控。硅基锗量子点中的空穴载流子处于P轨道态，因而天然具有较强的本征自旋轨道耦合效应和较弱的超精细相互作用。利用电偶极自旋共振技术，仅通过单个交变电场即可实现对空穴自旋量子比特的全电学控制，大大简化了量子比特的制备工艺，有利于实现硅基自旋量子比特单元的二维扩展。鉴于此，近几年硅基锗空穴体系中的自旋轨道耦合研究和实现超快自旋量子比特操控成为该领域关注的热点。自旋轨道耦合场的方向会影响自旋比特操控速率及比特初始化与读取的保真度。因此，测量并确定自旋轨道耦合场的方向是实现高保真度自旋量子比特的首要任务。研究组在2021年首次在硅基锗量子线空穴量子点中实现了朗道g因子张量和自旋轨道耦合场方向的测量与调控[NanoLetters21, 3835-3842 (2021)]。在此基础上，李海欧等人进一步优化器件性能，在耦合强度高度可调的双量子点中完成了自旋量子比特的泡利自旋阻塞读取，观测到了多能级的电偶极自旋共振谱。通过调节和选择共振谱中所展示的不同自旋翻转模式，实现了自旋翻转速率超过540MHz的自旋量子比特超快操控。研究人员通过建模分析，揭示了超快自旋量子比特操控速率的主要贡献来自于该体系的强自旋轨道耦合效应（超短的自旋轨道耦合长度）。研究结果表明硅基锗空穴自旋量子比特是实现全电控量子比特操控与扩展的重要候选体系，为实现硅基半导体量子计算奠定了重要研究基础。图1. (a)硅基锗量子线空穴双量子点和自旋比特操控示意图，(b)自旋比特翻转速率随微波功率增加而增加， (c)微波功率为9dBm时，自旋比特操控速率可达542MHz。中科院量子信息重点实验室博士后王柯和博士研究生徐刚（已毕业）为论文共同第一作者。中科院量子信息重点实验室郭国平教授、李海欧研究员和中科院物理所张建军研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院以及安徽省的资助。李海欧研究员得到了中国科学技术大学仲英青年学者项目的资助。

随着高度集成化的纳米光子器件的发展，人们开始追求在更小空间尺度（如纳米尺寸）、更快时间尺度（如飞秒尺度）上灵活操纵片上光信号的方法。通过在纳米空间尺度和飞秒时间尺度上对光信号的操纵，不仅能够为光与物质相互作用的超快动力学过程研究提供新方法、新思路，还能为超高时空分辨的光学探测和成像，以及片上超快光信号处理、传输、精密波前调控和光谱测量提供有效的研究平台，因此在光子芯片器件、量子信息处理、光子神经网络与人工智能、超快光学波前测量等领域具有广泛应用前景。在空间尺度方面，近年来人们通过研究超材料、超表面等人工微纳结构来精确调控光波前，已经能够在纳米空间尺度上自由控制光信号的传播特性，例如让光信号沿着艾里光束的抛物线轨迹进行传播，应用于显微成像、光镊、光通信等领域。在时间尺度方面，传统的动态调控设备（如空间光调制器SLM）和动态调控材料（如电光材料）受制于材料的响应速度，难以达到飞秒量级。而随着飞秒激光脉冲整形技术的发展，频域调控逐渐成为超快时域调控的主要手段。将飞秒脉冲频域调控方法与人工微纳结构相结合，就有望实现极小时空尺度（飞秒时间尺度、纳米空间尺度）下的光场产生和调控，创造出很多新颖的时空光场并拓展新应用。深圳大学的袁小聪、闵长俊教授团队将脉冲频域调控与纳米结构空间调控相结合，提出了基于时空傅里叶变换(FT)的片上光脉冲调控方法，可用来操纵片上光脉冲的时空传播轨迹，让脉冲在不同时刻展现出不同的传播特性，从而使得极小时空尺度下的光场时空特性操控成为可能。FT作为一种常用的数学工具，已经被广泛应用于光学相关的应用中，如白光的光谱测量、脉冲整形和全息等。该团队研究发现，通过片上纳米聚焦结构调控空间域FT，可实现光场空间分布的构建；再通过光的色散效应来调控时域FT，可实现飞秒脉冲时域上的波前整形；最后将时空FT结合就有望同步调控飞秒脉冲传播的时空特性。为了验证这个方法，该团队以金属表面传播的表面等离激元(SPP)作为例子，理论研究了时空FT方法对飞秒SPP脉冲时空传播轨迹的调控效果。SPP作为一种可以突破光学衍射极限的光学表面波，不仅可以提供纳米尺度的空间分辨，还能够极大增强局域电磁场，因此被广泛应用于片上光子器件、光存储、光学传感、光镊、拉曼增强等领域。而由飞秒激光激发的飞秒SPP脉冲，同时具备纳米尺度的空间分辨能力与飞秒尺度的时间分辨能力，在极小时空尺度下的光场调控，以及光与物质相互作用的研究中具有重要价值。该团队基于金属膜上时空FT纳米结构的设计和入射光色散的调制，成功展示了多种新颖的时空光学效应，包括：将传统SPP聚焦形成的单个焦点逐步弯曲，形成一个环形分布的时空焦点；产生SPP-Airy脉冲并灵活控制其在不同时刻的传播方向，形成S形的时空传播路径（图1）。图1 时空傅里叶变换结构激发和调控飞秒SPP脉冲传播的示意图与传统片上光学调控方法只能调控空间、时间其中一个维度相比，这种时空FT方法提升了光脉冲调控的自由度，尤其在时域方面提供了更加出色的调控效果，为超快片上光学信息处理提供了新思路，在超快光子调控器件等领域有重要应用价值。

中国科大郭光灿院士团队在碳化硅色心自旋操控研究中取得重要进展。该团队李传锋、许金时等人与匈牙利魏格纳物理研究中心Adam Gali教授合作，在国际上首次实现了单个碳化硅双空位色心电子自旋在室温环境下的高对比度读出和相干操控。这是继金刚石氮空位（NV）色心后第二种在室温下同时具有高自旋读出对比度和高单光子发光亮度的固态色心，该成果对发展基于碳化硅这种成熟半导体材料的量子信息技术具有重要意义。该成果于2021年7月5日在线发表于《国家科学评论》（National Science Review）杂志上。固态自旋色心是量子信息处理的重要研究平台，金刚石NV色心是其突出的代表。自从1997年德国研究团队报道了室温下单个金刚石NV色心的探测以来，金刚石NV色心在量子计算、量子网络和量子传感等方面都取得了重要进展。近年来，为了利用更加成熟的材料加工技术和器件集成工艺，人们开始关注其他半导体材料中的相似色心。其中碳化硅中的自旋色心，包括硅空位色心（缺失一个硅原子）和双空位色心（缺失一个硅原子和一个近邻碳原子），因其优异的光学和自旋性质引起了人们广泛的兴趣。其中室温下单个硅空位色心的相干操控虽然已经实现，但其自旋读出对比度只有2%，而且天然块状碳化硅材料中单个硅空位色心的单光子发光亮度每秒仅有10 k个计数，如此低的自旋读出对比度和单光子发光亮度极大的限制了其在室温下的实际应用。而室温下单个双空位色心的相干操控还未见报道。李传锋、许金时研究组利用之前所发展的离子注入制备碳化硅缺陷色心的技术[ACS Photonics 6, 1736-1743 (2019) PRL 124, 223601(2020)]制备了双空位色心阵列。进一步利用光探测磁共振技术在室温下实现单个双空位色心的自旋相干操控，并发现其中一类双空位色心（称为PL6）的自旋读出对比度为30%，而且单光子发光亮度每秒可达150k个计数。这两项重要指标相比碳化硅中硅空位色心均提升了一个数量级，第一次展现了碳化硅自旋色心在室温下具有与金刚石NV色心相媲美的优良性质，并且单色心电子自旋在室温下的相干时间长达23微秒。研究团队还实现了碳化硅色心中单个电子自旋与近邻核自旋的耦合与探测，为下一步构建基于碳化硅自旋色心体系的室温固态量子存储与可扩展的固态量子网络奠定基础。实验结果图：室温下单个PL6色心的光学与自旋性质。（A）单色心阵列荧光成像图，橙色圈内为单个PL6色心；（B）单光子发光特性；（C）荧光饱和行为；（D）光探测磁共振（ODMR）谱；（E）Rabi振荡；（F）自旋相干时间。由于高读出对比度和高单光子发光亮度在量子信息的许多应用中至关重要，该成果为基于碳化硅的量子器件开辟了一个新的发展方向。审稿人高度评价该工作：“该论文的发现解决了碳化硅色心量子技术应用中的一个关键问题，该发现将会立即促进许多工作的发展（The discovery reported in this paper addresses a key issue in the quantum technology applications of color centers in SiC. The discovery will stimulate many works immediately）”；“其中一些结果，例如对一些色心30%的读出对比度是相当了不起的（Some of these results such as the 30% readout contrast from some of the centers are quite remarkable）”。中科院量子信息重点实验室博士后李强、王俊峰副研究员为论文的共同第一作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省和中国科学技术大学的资助。李强得到博士后创新人才支持计划的资助。论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwab122

复杂环境下的低表面能液滴操控对于混合液相分离、化学微反应废物处理等能源、环境与健康领域的应用发展具有重要指导意义。具有液体靶向运输控制功能的仿生结构表面为微滴操控提供了一种能耗更低、制备工艺更简单的解决策略。目前实现基底表面液滴智能运输主要依赖于材料润湿性梯度和结构的不对称性，且相关研究均集中于水处理。油等低表面能液滴的低接触角滞后和接触线滑移使其相比水运动路径更难控制，尽管具有亲油表面的传统圆锥形结构可以实现微油滴的自运输，但复杂环境下的实用性、大容量自发连续低表面张力微液滴输送系统是亟待解决的行业难题与挑战。如何突破现有微滴操控不对称性结构的功能局限实现微油滴气-液界面跨相传输提取更是鲜有研究。近日，西南科技大学微纳仿生系统与智能化研究团队李国强教授与海河实验室曹墨源研究员合作，受鱼刺微油滴操控功能、水稻叶表面各向异性液滴滑动现象启发，利用PμSL高精密3D打印（摩方精密，nanoArch S140，P150）技术制备了一种多仿生槽锥刺结构（BGCS）实现水下油滴的逆重力高效运输与收集。在非对称拉普拉斯压力和表面毛细力的协同作用下，所设计的2-BGCS结构具备在水下、空气以及跨气-液两相界面超快、连续传输油滴的功能，运输速度最高可达70.2 mm/s。与传统圆锥形结构相比，倾斜角20°时，2-BGCS结构的输送速度提高9倍。在逆重力传输油滴时，2-BGCS结构能够提升超过22 μL的重油滴，通量提升5倍，极大的改善了圆锥结构的功能与性能，且具有输运大体积油滴的潜力。仿生槽锥刺集油阵列装置表现出在水环境下连续、自发地收集油滴的性能。该研究为复杂环境下的油滴从输送到收集提供了一种集成、通用的新策略，在水下微油滴收集系统、生物分析及污染治理等领域具有广阔的应用前景。评审人对该工作给予高度评价：基于锥形结构和沟槽结构的巧妙结合和功能设计为微流控等领域提供新的仿生策略。该工作以“Directional and Adaptive Oil Self-transport on a Multi-bioinspired Grooved Conical Spine”为题发表在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上。西南科技大学机械工程2019级硕士生李耀霞和中国科学技术大学仪器科学与技术2021级博士生崔泽航为共同一作，通讯作者为李国强教授和曹墨源研究员。图1 仿生槽锥刺结构的设计与性能对比。受鱼刺和水稻叶启发，利用精密3D打印制备了不同槽个数的仿生锥形结构。梯度槽和锥形结构的结合，使仿生结构具备水下超快逆重力定向传输功能，对比不同槽数的仿生结构以及传统锥形结构，2-BGCS结构的运输效果最佳。图2 不同结构连续输送油滴及理论机制的比较。对仿生槽锥形结构、传统锥形结构以及对称圆柱结构在水下进行连续逆重力输送实验对比，微油滴在不同结构上连续运输的高度对比说明仿生槽锥形结构上的微油滴能够不断连续输送，且不影响下一次循环。基于不同结构对比实验，对油滴沿结构运输的模型进行机理分析。图3 仿生槽锥刺结构在不同环境下油滴运输的应用。基于仿生槽锥形结构水下逆重力油滴运输的优异性能，进一步探讨了在多环境下的油滴运输功能，不仅能够实现微油滴在空气中的超快输送，还可以实现气-液界面跨相油滴传输，集成收集装置能够实现水下油滴的大通量收集。小结综上所述，受鱼刺空中油滴定向输送以及水稻叶各向异性槽的启发，作者借助精密3D打印制备新型仿生功能结构，由锥形结构产生的非对称拉普拉斯压力和凹槽结构产生的表面毛细力的共同作用下，提高了油滴在水下传输能力，极大的改善了传统圆锥结构的功能与性能。同时，利用不对称结构实现油滴跨气-液两相界面的精准高效传输，仿生槽锥刺集油阵列装置实现在水环境下超快、连续收集油滴，为复杂环境下的油滴从输送到收集提供了新的方法。微纳仿生系统与智能化团队一直致力于超快激光微纳精密制造和超精密3D/4D打印制造的基础研究与应用研究，以开发微纳功能结构、芯片、器件及集成系统为目标，服务于能源、环境、健康等重点领域。近年来，该团队报道了一系列高水平研究成果，包括水平振动模式高性能微滴定向驱动（Adv. Mater., 2020, 2005039），飞秒激光诱导自生长蘑菇头凹角结构微柱（Nano Lett., 2021, 21, 9301−9309 ACS Nano2022, 16, 2730-2740），激光3D打印和飞秒激光直写构筑仿鱼骨微液滴多相分流器、仿荻草叶保水功能“即插即用”式高效集水灌溉装置（J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 9719 J. Mater.Chem. A, 2021, 9, 5630 Nano-Micro Lett., 2022,14:97），精密3D打印构建仿生麦芒分级系统用于高效雾水收集、受蚊眼启发的激光织构化仿生多功用玻璃（Chem. Eng. J, 2020.125139 Chem. Eng. J,2021.129113），一种用于微样分析的仿生微滴操控器（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 14741−14751）等40余篇。这些重要成果体现了机械工程学科在科学研究和人才培养方面的新成就。该研究受到国防科工局十四五基础科研计划项目、装备预研领域基金项目、国家自然科学基金项目、四川省科技创新基金等项目的支持。

现代生物技术常常利用可调节的三维操控手段来实现在生物学领域和医学领域中对微纳米尺度的生物样品的控制与应用，例如细胞分析、细胞微手术和药物递送等。其中，为了提高潜在生物医学应用效率或满足一些涉及到复杂技术的应用需求，迫切需要在微流控装置中对微对象实现可控的多功能操控，如运输、捕获、旋转等模式。然而，固定的设计和驱动模式使其难以在一个单一的设备有效地实现多功能切换。近日，北京航空航天大学机械工程学院仿生与微纳研究所冯林副教授等研发了一种基于声驱微气泡的模态可切换的多功能微操控系统，该系统能够在微流控芯片内实现可控且高效的微对象运输、三维旋转和公转等操控模式（图一）。图一基于声驱振荡微气泡阵列的多模态操控系统示意图通过采用面投影微立体光刻3D打印技术（nanoArch S140，摩方精密），研究团队设计制造了一种带有底面微孔阵列（直径100μm、深度100μm）的微流控芯片。由于液体存在表面张力，当液体通入微流道并流过底面微孔时，可以形成具有近似尺寸的微型气泡。当超声发生装置所形成的超声信号传递到微流道中，可以激励微型气泡膜振荡形成声微流。图二声驱微气泡的理论模态与有限元仿真结果基于所设计结构内气泡界面的相对灵活性，该装置可以在仅调节驱动频率而不改变压电换能器数量与气泡阵列设计的情况下切换微型气泡的振荡模式，进而实现对单独或群体生物样本的多功能操控（图三）。由于声场的驱动特性，该装置可以有效操控几微米到几百微米的不同生物样本，包括微颗粒、细胞、绿眼虫、螺旋藻等。此外，利用平面外旋转模式的运动特点，研究团队实现了对细胞样本的三维重建，从而实现多视角的形态学复现与基本参数的测量估计。该系统所提出的声学操控方式具有多功能性、可控性、高效性以及良好的生物兼容性，在进一步促进细胞研究和治疗等应用层面具有很大潜力。图三不同控制模态下微对象的运动及定量分析该项研究成果获得国家重点研发计划(No. 2019YFB1309700)及北京新星科技计划项目(No. Z191100001119003)支持，以“Versatile acoustic manipulation of micro-objects using mode-switchable oscillating bubbles: transportation, trapping, rotation, and revolution”为题发表于国际期刊《Lab on a chip》。原文链接：https://doi.org/10.1039/D1LC00628B官网：https://www.bmftec.cn/links/4

光线传播和机械振动是两种不同的物理现象，而美国研究人员新研发出的晶体可以在一个小空间中同时操控这两者。这种光学机械晶体将有助于量子计算机等领域的科研工作。　　英国《自然》杂志网站日前刊登研究报告说，美国加州理工学院的研究人员在一条只有10微米长的硅晶片上刻了许多凹槽，然后再利用具有特定共振频率的激光照射该晶体，光线在凹槽中多次反射并互相干涉，最后只有部分光线透出，这说明另一部分光线被截留在了晶体中间。与此同时，研究人员探测到晶体中间的小格子在进行前后的机械振动。　　研究人员说，这种光学机械晶体可用于未来的计算机电路中，尤其是在当前的量子计算机研究中。量子计算处理器的基础各有不同，如原子、光子或超导体等，需要使用不同频率的光，难以结合到一起，而新晶体可以将一种量子处理器的光转化为振动，再将这种振动转化为另一种频率的光。这样，新晶体可以成为混合型量子计算机的理想“连接器”。　　由于这种晶体对光频率的变化非常敏感，它还可以用作医疗探测器，检查DNA(脱氧核糖核酸)序列和病原体等。此外，它还可以帮助研发出能够检测单个气体分子的探测仪器，这将超出当前任何一种探测仪器的精度。

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“我们证实了利用硅基光学超表面通过三次谐波在红外成像上的潜力，为通过非线性硅基纳米光子学来研发下一代红外成像技术迈出了重要一步。”英国诺丁汉特伦特大学教授徐雷表示。图 | 徐雷（来源：徐雷）当前，刚好也是光学超表面研究，从理论向应用转向的一个过程，因此本次成果非常及时。同时，在本次课题的理论设计上，徐雷等人利用连续体中的束缚态概念，来实现任意品质因子纳米结构的操控，这为降低光源强度依赖性提供了很好的思路。首先，本次成果可被用于夜视技术，从而集可见光、以及红外光成像于一体，利用普通的硅基探测器直接实现高性能的夜间红外探测。其次，本次成果可被用于医学检测，通过将红外光转到到可见光波段，根据光学探测蛋白质结合和构象变化、药物分子与靶标分子之间的相互作用等，从而在检测端口实现对于红外光背底噪声的完全抑制，进而助力于提高医学检测的灵敏度和性能。再次，本次成果可被用于食品检测和国防安全，即结合非线性超表面、以及可调谐非线性超表面，有望实现红外波段的超分辨成像技术。（来源：Opto-Electronic Advances）让红外图像转换为可见光一直以来，红外探测被广泛用于各个领域，比如通过测量材料对红外辐射的吸收，可以提供关于分子结构和化学键的信息，故在医学诊断、视频质量控制、环境监测、夜视和安全等领域都有着很大潜力。红外探测的不断创新和发展，将有望推动其在医疗、食品、环保和安防等方面的应用。然而，红外探测技术的当前挑战在于：红外探测器大部分基于热探测器，尽管成本较低但是速度较慢，而且灵敏度不足，严重限制了其性能。半导体探测器作为另一种选择，虽然具有高灵敏度的优势，但其常常需特殊冷却、以及复杂的处理工艺，要么就是需要极低温度来维持适当的性能水平。这些技术难题限制了红外成像系统的灵活性和可靠性，影响了其在各种应用场景下的性能。因此，红外成像领域迫切需要创新性解决方案，以克服当前技术的局限性。而这可能涉及新型材料的研发、更高效探测器技术的研发、以及新型冷却和处理方法的研发。过去十多年中，由亚波长尺度介质谐振器组成光学超表面结构，受到广泛关注。这种结构可以增强光电磁场的局域效应。通过巧妙设计这些结构，就能调控入射光的相位、振幅、偏振以及近场光局域的程度。同时，光学超表面具有高度的灵活性和功能性，并已经在光学领域取得许多新成果，例如替代传统光学元件的透镜、棱镜和偏振器，这不仅减小了传统光学系统的体积，还能带来性能的提高。通过非线性过程，可以实现红外光的频率转换，为将红外转换为可见光提供手段。这样一来，只需使用普通且廉价的硅基探测器，就能实现红外成像。此外，不同的非线性混频过程可以提高能量利用效率，为实现高效红外成像系统提供可能性。而对于超表面来说，它在微型化、灵活性和轻量化方面展现出的独特潜力，更是为实现新一代红外成像技术提供了很好的平台。以上，也是徐雷团队本次课题的出发点。研究中，他们利用结合非线性光学超表面的方法，通过非线性光学这一过程，可以让红外图像转换为可见光，从而让普通硅基探测器直接探测红外图像成为可能。（来源：Opto-Electronic Advances）当亲眼看到绿光的时候......据介绍，徐雷对于成像技术和非线性光学一直充满兴趣。此前在澳洲工作时，他就曾与当时的合作者使用二次谐波和频过程实现红外探测。在当时，他们是第一个开展该类尝试的科研团队。自 2016 年起，徐雷开始深入研究非线性纳米光子学。彼时，Mie 共振机制和理论，在纳米光子学领域的发展越来越快，这不仅为各种体系的应用提供了框架，还能为预测光的传播特性带来指导。期间，徐雷积累了不少关于非线性纳米光子学方面的知识。2020 年 9 月，他来到英国诺丁汉特伦特大学，与该校的莫赫森拉赫曼尼（Mohsen Rahmani）教授以及应翠凤讲师，共同组建了先进光学与光子学实验室。“Rahmani 教授偏重于样品加工，他对于材料领域以及相关应用的研究有着很深的功底。应翠凤女士则在纳米光学和生物探测上具有很丰富的经验。我们仨的技能正好互为补充、各有所长。”徐雷表示。在研究材料属性、结构设计、以及 Mie 共振等手段，在实现非线性光场增强和光场的操控之后，他们三位以及博士生郑泽开始考虑如何将非线性光学与解决实际问题相结合，随后不久启动了本次课题。结构材料与参数设计，是摆在面前的第一个问题。要想最终实现应用化，必须从非线性材料的角度，考虑后期器件的集成化。鉴于硅材料本身具有良好的非线性效应，再加上硅的加工工艺相对成熟，于是他们选择硅作为研究材料。原因在于：这样不仅能够考虑到非线性效应，还能充分利用硅的加工工艺，从而加工复杂的结构，进而增强红外光到可见光的转化效率。证明上述方案的可行性之后，他们开始进入实验阶段。由于徐雷自身的研究方向，介于理论与实验之间。因此，他一般会在实验前先进行理论模拟。但是，实验并非一帆风顺，尤其是最初得到的信号与预期不符。徐雷说：“可能大部分人会在这时候觉得比较受挫。但是，这些看似不成功的实验数据，实际上是我最感兴趣的部分，因为它们或许可以指出理论和实验上的待改善之处。”在他看来，如果所有实验结果都和理论预期保持一致，反而并不是最好的。科学史上的很多关键性进步，都是基于一些失败的实验数据启发而来。举例来说，他们在最初设计器件结构时，曾尝试通过高品质因子的结构来实现光局域增强。然而，实验结果显示高品质因子并非最佳选择。这种意外的实验结果，也促使他们进一步完善理论模型、以及改进实验方案，进而也引发了他们对于使用连续光和超快光，在成像以及传感上的思考，并为研发红外成像技术带来了一定启发。（来源：Opto-Electronic Advances）同时，完成本次课题组的过程，也是徐雷培养自己第一个博士生的过程。这名博士生便是前面提到的郑泽。研究中，师生之间形成了互相学习的良好互动。徐雷也有意识地让郑泽更多地参与光路搭建，以培养独立设计实验的能力。“尤其重要的是，我一直注重培养他的科研自信心，鼓励他提出独立的想法，以及相信自己的能力。”徐雷说。搭建非线性测试系统的时候，郑泽是第一次涉足这类系统的搭建。当他第一次看到非线性信号产生，并能亲眼看到绿光的时候，郑泽的兴奋之情感染了整个实验室。徐雷说：“作为导师，看到他如此投入和满足的表情，让我和 Mohsen 教授还有应翠凤女士都感到无比欣慰。”在三位老师以及郑泽的努力之下，本次成果显示了硅基光学超表面在非线性纳米光子学领域的应用前景，这不仅为非线性光学的实际应用提供了新思路，也为后续开展更深入的研究奠定了基础。最终，相关论文以《谐振硅膜超表面的三次谐波产生与成像》（Third-harmonic generation and imaging with resonant Si membrane metasurface）为题发在 Opto-Electronic Advances（IF 14.1）。郑泽是第一作者，英国诺丁汉特伦特大学的徐雷教授和莫赫森拉赫曼尼（Mohsen Rahmani）教授担任共同通讯作者。图 | 相关论文（来源：Opto-Electronic Advances）接下来，他们将在理论方面继续深入发掘，以期增强红外光的转换效率，同时不断压缩红外成像对于光源能量的要求。同时，也将重点考虑器件的集成化和多功能性、探索如何将图像信号处理和光谱信息提取等功能结合起来、以及如何利用超表面实现多功能成像芯片器件，从而更好地走向应用。徐雷继续表示：“另外，我想提到一点的是，每个人的技能不一样，对事物的看法不一样。有时一个纯实验工作者随口的一句话，可能会激发理论工作者的重要灵感。”而一个纯理论的学者，可能也会为实验方案起到画龙点睛的作用。就以数学研究和物理研究为例：物理中有很多不同的现象和机制。但是，一个数学家可能不会去关注不同的现象，而是直接从公式上看到各个现象和机制的关联之处。同时，这些关联往往也是实现物理突破的关键点。“有时候我们以为的非专业人士，反而给出更深刻的见解。因此，和不同知识背景的人合作，对于科研来说非常重要。”徐雷最后表示。

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冻干工艺精准操控Lyovapor&trade L-300实现全自动终点判定冻干应用”1简介冷冻干燥是一个独立的过程，在这个过程中实时分析样品是比较困难的，特别是检测其残余水分含量。工艺优化，特别是获得干燥和稳定产品所需的工艺时间，通常依赖于反复试验的方法。在本文中，使用了不同过程分析技术的组合来确定实验室冷冻干燥机(Lyovapor&trade L-300)中甘露醇溶液一次和二次干燥的终点。在加热隔板上使用西林瓶，通过对样品参数的原位测量间接跟踪干燥过程，可以在运行的冷冻干燥循环中即时调整过程时间。它有助于根据产品所需的残余水分含量更快地优化参数。此外，这些分析技术为监测过程的再现性提供了必要的工具。2实验设备Lyovapor&trade L-300 Pro, BÜ CHI Labortechnik AG电容和皮拉尼压力计，Pt 1000 热电偶冷冻干燥瓶，标称体积 10.0 mL, Schott AGLyo 三角橡胶塞，Wheaton陶瓷板磁力搅拌器硼硅玻璃烧杯和量筒分析天平(精度±0.1 mg)实验室 -50°C 冷冻柜3试剂和耗材甘露醇 97,0 - 102,0 Ph. Eur. , USP, VWR Chemicals (25311.366) 去离子水4实验流程4.1 实验部分制备 100mg /mL 甘露醇去离子水溶液。使用容量分配移液管将甘露醇溶液装入120个冷冻干燥瓶(每瓶 5.0 mL)。在每个小瓶上放置一个三脚橡胶塞，以便在冷冻干燥过程中去除水蒸气。一个 Pt 1000 热电偶被放置在两个制备的冷冻干燥小瓶的“中心底部”。在室温下，将这些小瓶放在两个铝制框架的冷冻干燥隔板上(每个架子 60 个小瓶)。在每个隔板上，一个装有热电偶的小瓶被直接放置在隔板的中心。热电偶连接到各自的隔板上。隔板插入到 Lyovapor&trade L-300 的金属支架上。一个空的冷冻干燥隔板被放置在上层，西林瓶包括隔板，以确保两个样品隔板接收到同样的热量。将包含隔板和样品瓶的支架转移到 -50°C 的冷冻室预冻 24 小时。4.2 方法编程冷冻干燥按照表1设定的隔板温度、真空度和时间运行。表1. 详细的 Lyovapor&trade L-300 冷冻干燥工艺用于 50 mg/mL 甘露醇溶液的西林瓶冷冻干燥步骤_1234阶段加载初级干燥次级干燥持续时间_4h12h1h20min6h隔板温度℃-4020204040加热梯度℃/min_0.2500.250压力 mbar_0.10.10.10.1初级干燥采用温差试验、压差试验(比较压力测量)和升压试验三种自动终点试验。表2.初级干燥阶段终点确定的设置温差试验压差试验升压试验极限：1.0℃极限：0.05mbar极限：0.06mbar试验时长：30min试验时长：30min试验时长：30s*开始时间：12h*开始时间：12h**开始时间：11h55min__重复时长：60min**是否继续：是**是否继续：是**是否继续：是是否通知：是是否通知：是是否通知：是* 开始时间的值表示在初级干燥的程序阶段结束之前的测试开始。** 如果所有测试都成功，将自动启动第二阶段，并继续进行干燥过程。其中，温度和压差测试直接从初级干燥阶段的第 2 步开始(见表2)。升压测试的压力极限设置为 0.060 mbar，测试时间为 30 秒。第一次升压试验在初级干燥第 2 步进行 5 分钟后进行，每 60 分钟重复一次。表3. 次级干燥阶段终点确定设置温差试验压差试验极限：1.5℃极限：0.05mbar试验时长：30min试验时长：30min*开始时间：6h*开始时间：6h**是否继续：是**是否继续：是是否通知：是是否通知：是*时间，从干燥阶段结束开始。**如果所有测试都成功，将自动启动下一阶段(封塞、保持)，并进行干燥过程。其中，在温差和压差测试中，测试时间设置为 30 分钟，从步骤 4 开始直接开始测试。5实验结果5.1 温差试验图1 和 图2 为小瓶甘露醇样品冷冻干燥的温度和压力曲线。在图1中显示了两个隔板上样品温度。热电偶测得初级干燥主要部分的产物温度在 -7℃ 左右。随着水分含量和升华速率的降低，产品温度升高，在初级干燥结束时达到隔板温度。经过16.0小时的干燥时间，达到了温差试验的标准。▲ 图1. 隔板(红色)，样品 Pt 1000(蓝色，蓝绿色)和 Lyovapor&trade L-300 冰冷凝器(粉红色)的温度测量。相应的，在设定冷凝器压力为 0.100 mbar 时，电容式压力计测得的干燥室内实际压力平均值为 0.150 mbar，如 图2 所示。在冰升华过程中，由依赖气体的皮拉尼压力计获得的压力值比电容压力计测量的压力值大约1.6倍。随着冰含量和升华速率的降低，皮拉尼压力计的压力值接近电容压力计的测量值。▲ 图2. 外部电容(绿色)压力计和皮拉尼(红色)压力表以及内部压力计(黄色)测量的压力。▲ 图3. 电容式(绿色)压力计与皮拉尼式(红色)压力计的计算压差如 图2 所示。图3 显示了从两个外部压力表(皮拉尼压力计减去电容压力计)的值计算得出的数值差异。在大约15.5小时的干燥时间后，达到了压差测试的标准。升压试验结果如图1和图2所示。在皮拉尼和电容式压力计的曲线(图2)中可以看出，尽管中间阀关闭，干燥室内的压力上升是由于水蒸气的持续升华造成的。在冰升华过程中，最初的高压上升值在初级干燥结束时大幅下降(棕色尖峰)。初级干燥 16.3 小时后达到升压试验标准。相应的，从设定的隔板温度曲线可以看出图1中升压试验的时间点。每次进行升压试验时，架子的加热在试验期间自动暂停。由于最后一次初级干燥终点测试在 16.3 小时后成功，因此与最初设定的初级干燥时间相比，样品干燥状态的自动检测将初级干燥阶段延长了 0.3 小时(见 表1)。随着升压试验的完成，所有设定终点试验均顺利完成，冻干循环自动进入次级干燥阶段。这种原位跟踪防止了在所有冰升华之前过早过渡到二次干燥阶段。所有三种测试对终点的估计时间大致相似，约为 15.5 至 16.3 小时。在次级干燥阶段，从产品中去除未冻水导致皮拉尼计记录的压力值在干燥时间约 18 小时(红色曲线)增加，如 图2 所示。除水后，总干燥时间 22.5 小时，压力曲线接近电容式压力计测量值，满足压差试验标准。23.1 小时后，隔板温度曲线与样品温度曲线符合，温差试验也成功完成(见 图1)。最后，在冷冻干燥过程结束时，干燥循环自动进入保持阶段。在应用西林瓶冷冻干燥工艺中获得了具有可接受视觉外观的干粉。▲ 图4. 装有甘露醇的最终冻干瓶6实验结论本申请说明探讨了过程分析技术(PAT)在冷冻干燥过程中的适用性，重点是监测干燥室压力和样品温度，以评估样品的干燥状态。研究表明，这些过程分析技术与压差、压升和温度测试的自动端点确定设置相结合，可以在不中断样品水分含量分析过程的情况下估计实际干燥时间。通过防止过早过渡到下一个干燥阶段，如次级干燥或保持，提出的方法提高了工艺效率。这些端点测试的集成有助于干燥过程的精确控制和可靠性，从而获得所需的产品属性，如最佳干燥度和视觉外观。研究结果确定了在Lyovapor&trade L-300冷冻干燥机中使用单独或联合终点测试来准确确定终点的有效性。7参考文献本文档是与 TH Kö ln 的 Heiko Schiffter 教授合作创建。

空间伽马射线观测作为人类认识宇宙的重要手段之一，在宇宙起源、暗物质探测等科学前沿问题的研究中发挥着积极作用。9月7日，中国科学院国家空间科学中心国家空间科学数据中心与中科院紫金山天文台联合发布“悟空”号暗物质粒子探测卫星首批伽马光子科学数据。此次公开发布的为2016年1月1日至2018年12月31日的伽马光子科学数据（共计99864个事例），以及与其相关的卫星状态文件（共计1096条记录）。暗物质粒子探测卫星（又名“悟空”号）作为空间科学先导专项（一期）首发星，于2015年12月17日在酒泉卫星发射中心成功发射。其主要科学目标通过在空间观测高能电子（包括正电子）和伽马射线能谱，寻找暗物质粒子的存在证据，并开展宇宙射线起源及伽马射线天文方面的相关研究。经过五年半的平稳运行，目前“悟空”号卫星平台、有效载荷均工作正常，已经完成全天区扫描超过11次，获取了约107亿高能宇宙射线事例，已先后获得了宇宙线电子、质子、氦核等TeV以上能区最精确的测量结果。暗物质粒子探测卫星有效载荷由4个子探测器（塑闪阵列探测器PSD、硅阵列探测器STK、BGO量能器、中子探测器NUD）构成。其中塑闪阵列探测器主要用于测量入射粒子的电荷，并用于伽马射线的反符合探测；硅阵列探测器主要用于测量入射粒子的方向，内部装有钨板将伽马射线转换为正负电子从而实现对其方向的精确测量，同时也可以对入射粒子的电荷进行测量；BGO量能器主要用于测量宇宙线粒子尤其是高能电子和伽马射线的能量，同时进行粒子鉴别，剔除高能核素（包括质子和重核）本底；中子探测器用于测量宇宙线中的强子与中子探测器上层的物质发生作用产生的次级中子，进一步剔除高能核素本底。暗物质粒子间接探测、宇宙线物理和伽马射线天文是“悟空”号卫星的三大科学目标，而对伽马射线的观测是实现其科学目标的重要手段之一。由于伽马光子不带电荷，在传播的过程中不会被磁场偏转，可以更好地携带暗物质空间分布的信息，故而在暗物质间接探测研究中伽马射线数据具有特殊价值。暗物质粒子探测卫星的伽马射线观测具有极高的能量分辨率，有望更好地研究暗物质的性质。国家空间科学数据中心与紫金山天文台将持续发布伽马光子科学数据，开展数据分析与应用技术及工具的研发，为公众提供数据共享与应用服务。“悟空”号伽马射线曝光图

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欧洲和北美的医药和生物企业的在线尘埃粒子和浮游菌监控系统解析 稳定的在线监控软件系统对于数据的采集的重要性 GAMP 5 认证文件的特点 本次技术讲座根据中国新版（2010年修订）GMP的实施细则，重点阐述在线尘埃粒子和浮游菌监控系统的实际安装准则，旨在协助中国的医药和生物企业通过中国新版GMP，EUGMP和FDA的认证。 走向国际，蓬勃发展！ 我们诚挚地邀请您拨冗莅临 美国TSI公司金牌合作伙伴/北京耀泰科技有限公司 演讲专家介绍： Tim Russell 先生 Tim Russell先生在工厂在线监控系统及认证行业有着25年的工作经验共设计，安装，认证和维护了100多套在线监控系统，其中包括大量无菌生产线粒子监控系统。所有这些系统均通过了美国FDA，cGMP或EUGMP的验证.Tim Russell先生曾参与了EUGMP标准的编写，并曾作为EUGMP特聘主审官多次主持了在线监控系统软件的审查和认证。 Tim Russell先生作为特邀专家多次受邀在ISPE、BSI、UK PHSS等国际组织的会议上针对EUGMP之尘埃粒子及环境监控系统发表演讲。 日程安排 时间与地点 8:00- 8:30 前台签到 时间：2011年11月2日（周三） 8:30-10:15 专家演讲 地点：哈尔滨福顺天天大酒店 10:15-10:30 茶歇 哈尔滨市香坊区赣水路20-22号 10:30-12:00 专家演讲 12:00-13:30 中餐 13:30-15:00 专家演讲 15:00-15:15 茶歇 15:15-17:00 专家演讲

近日，思百吉集团旗下粒子监测系统公司（Particle Measuring Systems, Inc. 简称“PMS”）宣布收购环境监测服务公司和EMS粒子解决方案有限公司及其母公司(统称EMS)。EMS成立于1988年，总部位于爱尔兰都柏林，是洁净室行业的领导者，为客户提供完整的洁净室监测和控制解决方案和服务，并确保从设计到过程控制的质量。PMS是洁净室和无菌生产环境污染监测和控制的市场领导者，该公司结合了一流的领域知识、技术和服务，成功满足了生命科学、半导体和电子终端市场的监管要求，并提高了客户的产品产量。为了实现长期可持续增长战略，2022年，思百吉集团不断调整优化企业结构，成立了思百吉科学（Spectris Scientific）与思百吉动力（Spectris Dynamics）两大业务平台。马尔文帕纳科（Malvern Panalytical）和粒子监测系统公司（PMS）组成Spectris Scientific部门，将更加聚焦于精密测量技术，结合行业领先的专业知识，为客户提供更高附加值的产品和服务。此次收购符合PMS的战略，即直接进入每个主要的地理市场，以先进的污染监测和控制解决方案为客户提供最佳支持和服务。而EMS在支持英国和爱尔兰的无菌制药和半导体客户方面拥有强大而悠久的成功记录。PMS已经与EMS合作了近30年，作为这些战略区域客户的独家销售和服务渠道。EMS对PMS业务的了解有望为客户和员工带来无缝集成体验。EMS董事总经理Dave Nolan表示：“在过去的30年里，EMS的发展令人欣慰，对于我们的组织来说，这是令人兴奋和自然的下一步，我期待着继续成为这个伟大团队的一员。”“我们一直在寻找方法，为客户提供更好的解决方案，同时保持我们强劲的增长轨迹，并被员工认可为首选雇主。” PMS临时总裁Mark Fleiner表示，“收购EMS有助于我们实现这些目标，同时也为这一战略地理区域的服务和解决方案的连续性做好准备。”

据美国加州大学欧文分校官网20日报道称，该校物理学家主导的“前向搜索实验”（FASER）首次探测到粒子对撞机产生的中微子，此前该团队曾观察到6个中微子之间的相互作用，此次新发现有望加深科学家对中微子的理解，还有助揭示行进较长距离与地球发生碰撞的宇宙中微子，为管窥遥远宇宙打开一扇窗。中微子无处不在，非常神奇，被称为宇宙的“隐形人”，是宇宙中数量最丰富的粒子。1956年，科学家首次探测到反应堆发出的中微子，确认了其存在。中微子在恒星燃烧过程中也发挥着关键作用。FASER联合发言人、欧洲核子研究中心（CERN）粒子物理学家杰米博伊德解释道，中微子对建立粒子物理学标准模型非常重要，但科学家们此前从未探测到对撞机产生的中微子。FASER位于CERN内，旨在探测CERN著名的大型强子对撞机（LHC）产生的粒子。研究人员指出，他们从一个全新的来源，也就是粒子对撞机那里发现了中微子。目前物理学家研究的大多数中微子都是低能中微子，但FASER探测到的中微子是迄今实验室制造出的最高能量的中微子，与深空粒子在地球大气层中引发剧烈粒子簇射时发现的中微子相似。博伊德称，新发现的高能中微子能向人们揭示宇宙深空的奥秘，这是用其他方法无法获得的，LHC中发现的这些高能中微子对于理解粒子天体物理学中真正令人兴奋的观测结果至关重要。除探测中微子外，FASER的另一个主要目标是识别出构成暗物质的粒子。物理学家认为，暗物质构成了宇宙中的大部分物质，但从未被直接观测到。FASER尚未发现暗物质的“蛛丝马迹”，不过，随着LHC将在几个月后开始新一轮粒子对撞，科学家们期待看到一些令人兴奋的信号。

如何沉积纳米粒子——纳米粒子单层膜沉积实用指南 纳米颗粒的二维致密单层膜沉积是多种技术和科学研究的基础。例如，纳米粒子单层膜可以作为传感器上的功能层，也可以用来生产用于纳米球光刻的胶体掩模。但是，怎样才能高效、可靠地得到具有三维自由度的纳米颗粒溶液，并将这些颗粒限制在横跨大基底的(二维)单层中呢?传统的纳米颗粒沉积技术纳米颗粒沉积技术种类繁多。一些相对简单和快速的方法包括溶剂蒸发、浸渍镀膜和旋涂镀膜。然而，这些技术可能会浪费大量的纳米颗粒，并且无法有效控制纳米颗粒的密度和配位结构。溶剂蒸发溶剂蒸发容易产生所谓的咖啡渍圈环效应，这种效应是由马朗戈尼流动引起的。这将导致不均匀沉积，中心的纳米粒子沉积稀疏，而边缘则形成多层纳米粒子沉积。 浸渍镀膜另一方面，如果只是用纳米粒子覆盖基底，浸渍镀膜将是一种很好的技术。然而，使用这种方法沉积纳米颗粒单分子层是非常具有挑战性的。同时，浸渍镀膜需要大量的纳米颗粒，这在处理昂贵纳米颗粒材料时将成为一个大的限制因素。 旋涂镀膜旋涂镀膜也是一种很有吸引力的方法，因为它易于规模化放大，而且在半导体工业中是一种众所周知的技术。然而，使用这种方法，薄膜的质量和多个工艺参数紧密相关，如：自旋加速度、速度、纳米颗粒的大小、基材的润湿性和所用溶剂。这使得对薄膜属性的精确控制变得非常困难。而且，一般旋涂镀膜需要大量的纳米颗粒溶液。 气液界面的单层镀膜在这里，气液界面沉积纳米颗粒单层提供了一种高度可控的沉积方法，可以将其沉积在几乎任何基底上。纳米颗粒被限制在气液界面，界面面积逐渐减小，使得纳米颗粒更加紧密地聚集在一起，从而可以实现控制沉积密度的目的，因为单位区域面积沉积的纳米颗粒的数量很容易计算，这样对纳米颗粒的需求量就会大大降低。 单层薄膜形成后，可以通过简单的上下提拉基底即可将界面上的薄膜转移到基底上。 在线网络研讨会报名如果您对如何制备纳米颗粒单分子膜感兴趣，想获取更多这方面的知识，请报名参加由伦敦大学学院的Alaric Taylor博士举办的题为“纳米颗粒单分子层薄膜沉积实用指南”的网络研讨会。报告人Alaric Taylor简介：Alaric Taylor博士是伦敦大学学院工程和物理科学研究委员会（EPSRC）研究员，他在纳米光子材料的制造，尤其是通过在气-液界面开发胶体单层自组装方面有很高的造诣。 报告内容：? 详细讲解纳米颗粒沉积的具体操作? 指出需要注意的事情? 讲述纳米颗粒沉积的技巧 报告时间：2018年9月13日下午3:00（北京时间）报名联系：如需参会，请填好下列表格中的信息发送至，邮箱：lauren.li@biolinscientific.com；姓名单位邮箱电话特别提醒：因为可能会涉及电脑、系统、耳机等调试问题，建议大家提前5-10分钟进入链接。

1996年，Kasianowicz等人首次发现单链DNA和RNA电泳穿过α溶血素（α-HL）纳米孔的时候会产生对应的阻塞电流信号。此后，众多科研学者在这一研究基础上开始了更为广泛的研究。经过二十余年发展，生物纳米孔技术现已开始商业化，且市面已有成型的基于生物纳米孔单分子测序技术的基因测序仪产品。纳米孔最具前景的应用之一是其可以用于第三代DNA测序技术，因其不需要复杂的酶扩增以及荧光标记，且其具有低成本高通量的特点而受到广大研究者们的青睐。纳米孔是单分子测序仪最核心部件图1 纳米孔DNA测序的基本原理图。（a）基于纳米孔的DNA测序传感器搭建示意图，图中显示一条单链DNA正在电泳穿过石墨烯纳米孔。（b）单链DNA过孔时产生的阻塞离子电流信号细节示意图，每个碱基的体积及其与纳米孔之间的相互作用强度不同导致对应的阻塞电流幅值存在差异，从而可以用来区分不同的DNA碱基。【Si Wei, et al. Chin. Sci. Bull., 2014, 59(35): 4929-4941.】纳米孔单分子DNA测序传感器基于库特计数器原理，如图1所示在固态薄膜的顺式端（cis）和反式端（trans）都注满了离子溶液，两端的溶液仅通过纳米孔进行连接，当带电的DNA分子被置入到液池的顺式端后，在纳米孔的两侧施加电压，DNA分子会在电场力的作用下电泳穿过纳米孔，由于DNA碱基自身在孔内的物理占位以及其与纳米孔间较强的相互作用使得通过纳米孔的电流会被阻塞。一条单链DNA（ssDNA）由腺嘌呤（A），鸟嘌呤（G），胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）组成。因为四种碱基的尺寸及特征各异，当单链DNA穿过跟自身尺寸相当的纳米孔时，不同的碱基会产生对应幅值的阻塞电流，通过研究这些电流之间的差异就可以实现对DNA四种碱基的辨识，如图1所示。通过分析这些阻塞电流信号（如阻塞电流幅值和过孔时间等），DNA链上所含的碱基很有可能被检测和区分开来。纳米孔作为单分子测序仪器设计与制造的核心检测部件，因此如何保证纳米孔单分子传感器的检测灵敏度、时间空间分辨率、稳定性和寿命等是影响纳米孔单分子测序仪器工作效率和稳定性的关键技术问题。三大技术突破成就了如今的纳米孔单分子测序仪自1996年纳米孔被Kasianowicz等人发现以来，众多科学家投入大量精力深入研究，在研究过程中也遇到很多难题。例如，尽管研究者们都相继报道了纳米孔离子电流可以用于四种碱基的区分，然而他们得到的结论却大相径庭，使得阻塞电流的幅值和相应碱基之间的对应关系至今仍然含糊不清。研究者们对单链DNA均聚物在过孔时产生的阻塞电流幅值跟碱基体积大小的相关性进行了研究，组成DNA四种碱基的体积大小顺序为GATC，理论上DNA碱基的尺寸对离子电流信号的影响较大，然而其与纳米孔的强相互作用在阻塞电流幅值检测方面也会起到主导作用，且在不同的纳米孔材料或者实验条件下获得的实验结果差异较大，这也制约了基于纳米孔DNA测序的发展。经历了20余年的发展，三大技术突破与革新也成就了现今的纳米孔单分子测序仪的研制。首先是纳米孔检测DNA或RNA全新技术方案的提出，其次是采用酶对DNA分子的剪切或复制用于纳米单分子测序技术中，最后是单碱基信号的测序精度精准调控。之后数年的时间，Oxford Nanopore 公司于2013年11月启动了MinION测序仪的早期试用计划，这时首款纳米孔单分子测序仪也正式开始步入人类的视野。便携、低成本和高通量 纳米孔单分子测序成为最具潜力的DNA测序技术人类基因组计划人类基因组计划在2003 年完成人体全序列的基因测定，历时12 年，耗资数十亿美元，人类基因序列图已成为全人类共同的财富。但是，第一代的 Sanger测序方法也给基因组测序贴上了数亿美元的价格标签，让人望而生畏。近两年发展迅猛的第二代测序仪让人类基因组重测序的费用降低到10 万美元以下，测序时间也缩短到6 个月。但是，这样的价格和时间，相对于个人用户仍然太高，极大地限制了其临床应用和基础理论研究。与传统Sanger测序技术相比，纳米孔单分子测序技术的核心优势在于它的便携性、低成本和高通量。强大的市场需求和探索生命科学未知领域的渴望，有力地推动着DNA 检测水平的提高。2004 年，美国国家人类基因组研究所（NHGRI）启动了“千元基因组测序研究项目”, 目的是让人类基因组的测序费用降至1000 美元以下。基于纳米孔的单分子DNA 测序方法是第三代测序技术中成本最低，最具有竞争力的技术。同年，美国国家卫生研究院（NIH）提出了“1000美元测序”的概念，而基于纳米孔的DNA测序技术是最有潜力实现这一目标的方法之一，众多实验研究也进一步验证了纳米孔DNA测序技术的可行性。该方法的优势在于它简化了对DNA 的化学修饰、扩增和表面吸附等工艺，具有结构简洁、速度快、操作简便等特点，同时省去了昂贵的荧光试剂和CCD照相机的费用。最为重要的是它的效率高，单个核苷酸分子通过纳米孔的时间仅在微秒级，如果考虑单个芯片上集成成百上千个纳米孔阵列，有望在24 小时内完成对个体的基因测序，而目前的二代基因测序仪则需要6 个月时间。 商业化进展慢 提高纳米孔稳定性迫在眉睫纳米孔单分子测序技术现有市场的典型产品是Oxford Nanopore Technologies（ONT）公司的MinION纳米孔测序仪，它具有低成本、高通量、读速快、读长长（约150kb）和高便携等特点，因此纳米孔单分子传感器目前已被广泛应用于物理学、生物学和化学等学科涉及单分子应用的科学研究，助力人类科技的发展，造福人类。基于上述纳米孔单分子测序技术的特点，相比传统测序仪器而言，它的典型应用场景之一是极端环境中病毒或细菌的高精度检测。例如，在偏远贫困地区，在疫情爆发或在没有足够的设备资源的情况下，便携的纳米孔单分子测序仪可以快速的协助病毒检测和疾病诊断。数年前西非爆发埃博拉病毒时，单分子测序仪便在病毒检测过程中起到的重要作用。再例如，存放在外太空空间站的土壤和水等是否已经出现微生物依然成谜，要将样品带至地球进行采样分析方能揭晓，而轻便的纳米孔单分子测序仪仅有u盘大小，可以方便的携带至外太空，在其他辅助条件下协助检测。虽然基于纳米孔的单分子测序仪具备很多优势，而且已经进入商业化进程，但是它的市场占有率相比传统测序技术而言依然偏低。其原因主要是目前市场已有的纳米孔测序仪采用的仍然是生物纳米孔和磷脂膜，这样的生物体系不可避免的面临着寿命短和稳定性不持久的缺陷。因此要推进纳米孔单分子测序技术的发展，这些问题必须得到解决。而固体纳米孔（例如氮化硅，二硫化钼）目前的报道也可以辨识单碱基，因此固体纳米孔有望在未来代替生物纳米孔实现稳定、可重复利用的高精度DNA测序。然而固体纳米孔在信噪比方面不如生物纳米孔，而且DNA在相同条件下通过固体纳米孔的速度偏快，因此如何提高固体纳米孔的信噪比和实现有效的DNA控速也是亟需解决的关键科学问题。作者简介：司伟，博士，东南大学硕导/讲师，2020年度东南大学“至善青年学者”，江苏省2019年度优秀博士学位论文和东南大学2019年度优秀博士学位论文获得者，入选2019年、2020年东南大学机械工程学院“优才培育计划”，担任《MaterialsInternational》(ISSN: 2668-5728)期刊助理编辑和《Bioengineering International》(ISSN 2668-7119)期刊编委，获得2019年Nanotechnology期刊杰出审稿人奖。主要研究方向：（1）机械操控及机器人技术、（2）工程流体动力学及传感器、（3）结构工艺设计及加工制造、（4）程序语言算法和三维建模与仿真。

12月1日，由中科院合肥物质科学研究院安徽光机所承担、北京大学等单位参加的国家863重大项目课题“大气细粒子和超细粒子的快速在线监测技术”在广东鹤山通过了863资源环境技术领域办公室组织的专家验收。　　验收会上，来自中科院生态环境研究中心、北京大学、北京市环境保护监测中心、广东省环境监测中心站、中科院大连化物所、上海大学和华东理工大学等单位的专家听取了课题组长刘建国研究员关于课题工作总结及技术研制报告，并在位于鹤山市桃源镇的珠江三角洲大气超级监测站进行了实地考察，查看了课题组研制的双波长三通道气溶胶探测拉曼激光雷达、细粒子谱分析仪、大气OC/EC测定仪、以及振荡天平颗粒物质量浓度监测仪(PM10/PM2.5)等系列大气细粒子监测设备的运行情况。　　验收专家组认为，“该课题在宽范围粒径谱的快速分析技术、稳定的场致电离电荷源技术、超高灵敏大气分子拉曼散射信号探测技术、以及OC/EC临界温度的精确选取等关键技术方面取得了突破，关键技术指标达到国外同类产品的先进水平。课题所取得的成果在珠江三角洲大气复合污染立体监测网络构建中发挥了重要作用，并参与了北京奥运会、上海世博会和广州亚运会的空气质量保障，具有显著的社会和环境效益”。　　该课题是863重大项目“重点城市群大气复合污染综合防治技术与集成示范”中第一个通过验收的课题，已通过领域办中期检查和专家评审得到滚动支持，滚动课题“重要大气复合污染物快速在线和时空分布监测技术系统开发”已于年初通过实施方案论证，目前处于实施阶段。

尘埃粒子计数器在电子行业中的应用广泛，尤其在半导体工厂和精密机械生产加工领域。以下是具体应用的详细介绍：了解更多尘埃粒子计数器产品详情→https://www.instrument.com.cn/show/C560877.html半导体工厂1. 晶圆制造洁净室环境监测：在晶圆制造过程中，极微小的尘埃粒子可能会导致电路短路或缺陷。尘埃粒子计数器用于实时监测洁净室内的空气质量，确保粒子浓度维持在极低水平。过程控制：在光刻、蚀刻和化学机械抛光等关键工艺中，空气中的颗粒物需要严格控制。尘埃粒子计数器用于监测这些工艺中的洁净度，确保产品质量。2. 封装测试测试环境洁净度：在半导体封装测试阶段，尘埃粒子计数器用于监控测试环境的洁净度，防止颗粒物对封装过程产生影响。设备维护：定期使用尘埃粒子计数器检查封装测试设备的内部洁净度，以预防设备故障和产品污染。精密机械生产加工1. 高精度机械零件制造制造环境监测：高精度机械零件的生产要求在洁净环境中进行。尘埃粒子计数器用于监控生产车间的空气质量，确保环境洁净度达到要求。加工过程监控：在车削、铣削和磨削等加工过程中，空气中的颗粒物可能会影响加工精度。通过使用尘埃粒子计数器，可以实时监测空气中的颗粒物浓度，保证加工过程的精度。2. 光学元件制造洁净室监测：光学元件（如镜头、棱镜）的制造过程中，对空气中的颗粒物有严格要求。尘埃粒子计数器用于监测洁净室的空气质量，确保光学元件在无尘环境下生产。质量控制：在光学元件的质量检测和组装过程中，使用尘埃粒子计数器监控环境洁净度，以避免颗粒物对产品表面造成污染。尘埃粒子计数器在电子行业中的广泛应用显著提升了生产环境的洁净度，确保了产品质量和生产效率。随着技术进步，尘埃粒子计数器将继续保障电子行业的高标准洁净生产。

AEROTRAK 手持式激光粒子计数器　　型号9303 3通道基本型　　TSI AeroTrak 9303 手持式激光粒子计数器给客户提供一款操作更加灵活、价格更加富有吸引力的高性能手持粒子计数器方便进行粒子污染物控制。9303采用的高耐磨注塑设计更加方便手持。仪器可同时显示3个粒径尺寸。中间通道用户可以从0.5, 1.0, 2.0或2.5mm之中选择 。　　标准1年保修　　型号9306 6通道标准型　　9306提供6个粒径通道同时显示。3.7-inch彩色触摸屏和Mirosoft WindowsCE操作界面，使操作更方便，超大的10,000数据内存可通过USB接口或可通过USB接口或可选外置打印机直接输出，同时可连接温度/湿度探头(选件)，并包含内部报警功能。　　保修期延长为2年　　AEROTRAK 便携式激光粒子计数器　　型号9310/9510和型号9350/9550　　TSI AeroTrak 9310和9510便携式激光粒子计数器给客户提供更加操作灵活功能更加强大的大流量的便携式粒子计数器方便进行粒子污染物控制。它们既可作为单机工作也可以组建厂房的监测系统。该几款仪器采用一体轻型化设计使移动和操作更加容易。直读式按键使操作更加简单。10,000个数据内存可通过屏幕显示并可通过 USB和Ethernet进行下载。　　仪器可同时显示6个粒径尺寸。并支持声音报警功能。　　标准的2年保修外，TSI提供全套的技术服务和支持。　　AEROTRAK 典型应用：　　洁净厂房内的颗粒物测试 空气粒子研究 暴露性评估 室内空气质量评估。也应用于过滤器性能测试 洁净度评价及污染物迁徙研究等。