快速与精确的AFM探针模型重构研究

在AFM扫描成像中,由于探针具有展宽效应等因素,导致扫描图像失真.从数学形态学角度看,可以认为真实图像失真是受到了探针针尖形貌卷积的作用,因而不能反映样品表面的真实形貌.采用反卷积运算处理可以排除这类扫描成像干扰,但需要准确知道探针针尖形貌,这对于AFM纳米扫描图像的精确重构具有实际意义.在已有的探针建模算法中,基于数学形态学的盲建模算法得到了广泛使用,然而该算法存在运算时间较长,最优降噪门限阈值很难确定等问题.针对这些问题,提出一种新的盲建模方法,可以提高盲建模运算速度,并且实现AFM扫描图像的精确重构.仿真和实验结果证明了上述研究方法的可行性和有效性.     

激光检测原子力显微镜的研制

扫描探针显微术(SPM)的基本原理最初在50年代由J.A.O'Keefe提出,1982年,Binnig和Rohrer等人研制成功第一台SPM——扫描隧道显微镜(STM),并因此获得了1986年诺贝尔物理学奖。此后,Binnig又与Quate等人合作,于1986年推出第一台原子力显微镜(AFM)。和STM不同,AFM是通过探测微探针针尖与被测物质表面原子之间微弱的相互作用力来得到物质表面形貌的信息,不需在样品与探针之间形成电回路,不受样品导电性的限制,因而其应用领域更为广阔。目前,AFM已发展成为一种十分重要的表面分析     

针孔SPECT成像完全三维图像重建的研究

依托自行研制的一台高分辨率小动物单光子发射型计算机体层成像系统(Micro- SPECT), 开发针孔SPECT成像的完全三维图像重建技术. 该研究包括: 针孔SPECT成像的投影算子推导及其在Radon空间的采样特性分析; 有效的系统几何参数校正方法; 适用于圆轨道和螺旋轨道扫描的三维图像重建算法及定量补偿方法的实现. 为验证开发的完全三维图像重建技术, 进行了相应的计算机模拟成像、模具成像及小鼠成像实验, 并对结果进行了讨论. 计算机模拟和模具及小鼠成像实验显示: 跟基于解析求逆理论的近似图像重建算法FDK相比, 基于统计理论的三维迭代图像重建算法结合有效的系统响应补偿方法, 能够显著地改善重建图像质量和提高系统成像分辨率; 螺旋轨道扫描的针孔SPECT成像技术可以有效地克服常规圆轨道扫描成像的局限性, 扩大成像系统的轴向视野, 提供相对完备的锥形束投影采样空间, 实现高分辨率的全身小动物SPECT成像. 实验结果表明我们开发的完全三维图像重建方法与技术是切实有效的, 达到了预期的目的, 可以较容易地推广应用于多针孔SPECT成像的三维图像重建.     

图像配准和时间平均在DNA单分子AFM探测中的应用

增强单分子成像的信噪比(SNR)对单分子精细结构的识别和分辨率的提高具有重要意义. 目前单纯依靠硬件技术的改善无法突破固有限制, 众多研究表明, 图像处理技术是进一步提高单分子成像SNR的重要方法. 原子力显微镜(AFM)的单分子成像具有独特优势, 至今还未有利用图像处理方法改进低信噪比单分子图像的报道. 本文以单个DNA分子为典型样品, 针对操纵及弹性研究等方面的独特研究基础, 以时间平均法替代电子显微镜等技术中针对可重复形态制样的单分子的分类平均法, 对单个DNA分子的AFM时间序列图像采用图像配准和时间平均方法, 有效改善了图像的信噪比, 能够恢复背景中与噪声量级相当的信号. 结合其他技术, 本方法可实现图像精细结构的进一步解析和识别应用, 有望在AFM单分子操纵中起到重要作用. 本文描述的基于图像配准和信噪比评估的方法具有普适性, 可应用于AFM成像质量及状态的定量评估表征中.     

多探针扫描探针显微镜研究进展与应用

扫描探针显微镜(SPM)是微纳尺度形貌表征、物性测量及微纳操作的重要工具之一.传统的SPM只有单一探针,功能单一,多探针扫描探针显微镜(MP-SPM)的出现拓展了SPM的应用.MP-SPM的多个探针可充当精确定位的测量电极,从而提供了一种无损探测样品微纳尺度电学输运性质的方法;也可相当于多只独立活动的"手",相互配合实现复杂的纳米操作;还可以探针成像,成像信息作为其他探针操作的先验/反馈信息,从而提高操作的效率及准确性.本文首先介绍了MP-SPM的基本仪器结构,多探针距离缩小及位置标定方法,以及使用多探针技术测量材料电阻率的原理,接着总结了近年来MP-SPM在样品微纳尺度电学输运性质测量、微纳操作、并行成像与操作以及新型力学性质测量等方面的应用,最后探讨了该技术的前沿发展以及面临的机遇与挑战.     

AFM单分子力谱技术测量膜蛋白力学特性的研究进展

膜蛋白在细胞生理活动中起着关键性的作用,是大部分药物的作用靶点.对膜蛋白进行研究不仅对理解生命活动的本质有着重要的价值,还可为疾病治疗和医药研发带来帮助.原子力显微镜(AFM)的出现为研究膜蛋白的结构提供了一种新的技术手段.AFM不仅可以对单个天然态膜蛋白分子的形貌结构进行高分辨率成像,同时还可通过将配体分子修饰到AFM针尖,利用单分子力谱(SMFS)技术对膜蛋白生理功能与活动行为(如配体结合、解折叠)中的力学特性进行直接测量,使得人们可以从分子生物力学方面来认识膜蛋白的结构和功能,是对传统结构生物学方法得到的蛋白质静态三维结构的重要补充.SMFS技术在测量膜蛋白力学特性方面取得了巨大的成功,为生命科学和医药卫生领域相关问题的解决提供了新的思路.本文结合作者在AFM病理瘤细胞表面抗体-抗原相互作用力测量方面的研究工作,介绍了SMFS技术的原理与方法,总结了近年来应用SMFS技术研究膜蛋白力学特性的进展,讨论了SMFS技术面临的挑战.     

扫描质子探针元素分布图本底剔除的一种简便方法

目前,常规的扫描质子探针元素分布成图方法采用的是能量窗总计数法,即TCEW法,它的一个致命弱点就是没有剔除本底计数.因为在元素能量窗内的总计数中,不但包含元素特征X射线计数,同时也包含本底计数.本底计数受样品基体影响甚大.所以,对于基体成分变化较大的复杂样品,如岩石矿石样,TCEW法得到的元素图有时会严重失真.因此,国际上一些一流核探针实验室相继开展了真实元素图方法研究.在真实元素图方法研究中,本底值的剔除是需要解决的关键问题.本文采用一个简便、稳健的逐点本底剔除算法,在中国科学院核分析开放实验室建立了能量窗净计数(NCEW)法元素成图程序系统,并在地质样品的应用中取得良好效果.     

基于AFM 单分子力谱技术的CD20-Rituximab 间相互作用力测量

原子力显微镜(AFM)的发明为测量分子间特异性相互作用力提供了新的技术手段.利用AFM 单分子力谱 (SMFS) 技术分别测量了提纯的CD20, 淋巴瘤Raji 细胞表面的CD20 和淋巴瘤病人B 细胞表面的CD20 与Rituximab (抗CD20 单克隆抗体)之间的相互作用力. 通过探针功能化技术, 将Rituximab 连接到AFM针尖; 通过基底功能化技术, 将提纯的CD20分子吸附到云母表面, 对CD20分子进行了AFM成像, 并测量了CD20与Rituximab 之间的相互作用力; 通过静电吸附和化学固定, 将淋巴瘤Raji 细胞和淋巴瘤病人细胞固定到载玻片表面, 对Raji 细胞和病人细胞进行了AFM 成像, 并分别测量了Raji 细胞表面的CD20 和病人B 细胞表面的CD20 与Rituximab 之间的相互作用力. 比较并分析了在提纯的CD20 分子表面、Raji 细胞表面和病人B 细胞表面测量CD20-Rituximab 相互作用力的差异,实验结果表明Raji 细胞表面的CD20 与Rituximab 之间的相互作用力明显小于提纯的CD20 以及淋巴瘤病人B 细胞表面的CD20 与Rituximab 之间的相互作用力, 为深入研究造成Rituximab 耐药性差异的分子机理提供了技术思路和实验方法.     

一种基于软硬数据的多孔介质重构方法

多孔介质三维重构对渗流机理的研究具有重要意义, 利用真实的多孔介质三维结构数据将有助于定量描述多孔介质不规则的拓扑结构. 仅使用硬数据或无条件数据时, 多孔介质三维重构的精度不高. 但是, 如果在重构过程中结合使用软数据, 则可以提高重构的准确性. 同时使用软数据和硬数据, 提出了一种利用多点地质统计法重构多孔介质三维结构的方法. 通过比较各重构图像的变差函数和渗透率(由LBM计算得出)发现, 将软硬数据同时作为条件数据时的重构图像与体数据获得的目标图像在结构特征上最为相似.     

基于AFM的淋巴瘤细胞成像及其机械特性测定

原子力显微镜(AFM)以其独特的成像方式, 为在细胞水平和分子水平获取细胞生理状态的新认识提供了技术手段. 研究了近生理环境下基于AFM的Burkitt淋巴瘤(Burkitt’s lymphoma, BL)细胞成像及其机械特性的测定, 探索了基于多聚赖氨酸的悬浮细胞固定方法, 并在此基础上实现了AFM对BL细胞表面形貌及其超微结构的高分辨率成像; 对活体BL细胞以及戊二醛固定后的BL细胞的机械特性进行了测定, 验证了Hertz模型对BL细胞机械特性描述的有效性, 同时揭示了戊二醛的引入将导致BL细胞硬度的显著增加. 实验结果为近生理环境下悬浮细胞的高分辨率形貌表征和机械特性测定提供了技术思路和实验方法, 同时为在单细胞尺度上探索可用于疾病早期快速诊断和个性化治疗的新生物标记奠定基础.     

基于纳米分子影像探针的癌症微创介入诊疗导航技术

癌症微创介入治疗具有不开腹、创伤小、术后恢复快等诸多优势,是医学发展的趋势与研究热点.分子影像导航为癌症微创介入治疗的发展提供了契机;而肿瘤特异性分子探针是分子影像手术导航的核心.与小分子探针相比,纳米探针不仅具有更长的成像时间,而且具有优异的信号放大和载药功能.因此,高灵敏、高特异性的纳米探针是分子影像手术导航的发展方向.为实现癌症诊疗的"精确、高效、微创"的目标,围绕肿瘤边界识别和淋巴结转移判断这个关键科学问题,拟解决3个关键技术:(1)实现纳米探针在肿瘤部位的有效富集;(2)增加纳米探针对肿瘤细胞的敏感性;(3)发展与纳米探针匹配的高精度成像方法.纳米分子影像探针不仅可用于成像和诊断,而且在介入治疗方面可能有更大的潜在价值.尤其重要的是,纳米探针将促进高端荧光共聚焦内镜、分子影像导航系统和微创介入治疗系统的研制和推广应用,从而加速我国在重大医疗设备关键技术上的突破.     

煤结构的STM和AFM研究

扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)是Binnig等人于80年代研制成功的新型表面分析仪器.它们具有原子级高分辨率,能够用于实时地观察原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质.将STM和AFM用于煤的研究,迄今为止尚未见报道.煤的主体由复杂的高分子化合物组成,结构极不均一.通过成像技术,在无降解的前提     

基于原子力显微镜微切削加工技术的癌细胞内部弹性模量计算

癌细胞机械力学特性的测量为癌症的诊断、预防、治疗、病变机理等方面的研究提供全新的手段和巨大的潜在空间.本文建立细胞和针尖之间的接触压力和针尖在细胞上切入深度的计算模型,利用原子力显微镜(AFM)单晶硅针尖对固定的卵巢癌细胞(UACC1598)和结肠癌细胞(NCI-H716)进行微切削逐层去除.结果表明:由于不同细胞的结构和机械性质的差异,相同的加载力对不同的细胞材料进行切削加工时,细胞和针尖之间的接触压力和针尖在细胞上的切入深度差异较大.细胞表面微切削去除范围为8m×8m,在细胞上逐层去除材料时的加载力从17.523到32.126N逐渐增大,去除后对每层不同位置进行弹性模量测量,得到细胞内部弹性模量分布,细胞内部弹性模量与细胞表面弹性模量差分别为卵巢癌细胞0.288±0.08kPa,结肠癌细胞0.376±0.16kPa.用这种微切削去除方法可以测量细胞内部细胞骨架细胞器等各结构的力学特性,为疾病的诊断和治疗提供更精确的实验数据.     

机器学习与计算力学的结合及应用初探

自20世纪50年代以来,随着计算机科学的不断进步,机器学习和数据科学得到了长足发展.这些技术一般依靠大量数据作支撑,通过训练过程提取出蕴藏在数据内部的抽象映射关系,目前已被成功应用于化学、生物等自然科学研究领域.近年来,这些技术也逐渐受到计算力学领域研究者的关注.本文结合作者的相关研究成果介绍了机器学习、数据科学与计算力学相结合的3种形式:第一种是与有限元方程求解方面的结合,直接应用卷积神经网络算法求解线性有限元方程;第二种方式结合有限元计算和机器学习预测复杂材料结构与力学性能的关系.本文作者应用该方法基于细观页岩扫描照片和随机建模算法,成功训练出可以有效预测细观页岩样本等效模量的卷积神经网络;第三种方式是建立基于数据驱动的计算力学方法,比如直接利用真实的材料实验数据代替材料本构模型.这些工作显示了机器学习、数据驱动在处理材料的力学实验数据、设计新型材料以及创建更高效的计算力学模型方面的广阔前景.随着计算力学的发展,未来将可能出现更多将数据科学、机器学习与计算力学相结合的应用场景,进一步开发出更加强健、高效和保真的计算力学方法.     

靶向性Fe3O4@Au纳米粒子在光声/核磁双模成像中的应用

多模互补成像可以提高医学诊断精度. 多模探针是联合各个成像模式的桥梁, 这意味着发展多模式、多功能的纳米探针是非常必要的. 本文发展了一种具有靶向性的四氧化三铁核/金壳纳米粒子(Fe₃O₄@Au)作为核磁和光声双模成像的探针, 实验证明Fe₃O₄@Au纳米粒子具有超顺磁性, 可以增强T₂序列的核磁信号. 此外, 该探针同时具有光学吸收性质, 可以增强光声信号. 在其表面修饰Integrin a_vb₃单克隆抗体后, 该探针对U87-MG肿瘤细胞具有选择靶向性. 基于Fe₃O₄@Au纳米粒子的核磁/光声双模成像将在肿瘤诊断中发挥重大作用.     

仿生水凝胶结构特性的超分辨率荧光成像

基于聚异氰缩氨酸合成的热功能化的仿生水凝胶具有与细胞骨架中的肌动蛋白丝、中间丝相同的结构特性,在生物医学领域中具有广阔的应用前景.本文将荧光探针分子ALEXA647标记在仿生水凝胶的聚合物链上,利用全内反射荧光显微镜进行荧光成像,并采用超分辨率光学波动成像的方法(SOFI)对仿生水凝胶的荧光成像进行超分辨率成像分析.通过SOFI成像及反卷积处理获得了高分辨率、高信噪比和高对比度的仿生水凝胶荧光成像.SOFI成像使得水凝胶的网状结构和各聚合链之间的绑定方式实现了可视化,研究发现较高的聚合物链溶液浓度不会形成更粗的聚合链绑定,而是使绑定形成的网状结构的孔径更小.另外观测了溶液环境下的仿生水凝胶的特性.     

聚合物电解质包裹金核银壳纳米棒制备双模式光学细胞成像探针

报道了一种新型的荧光及表面增强拉曼散射(SERS)双模式光学成像探针. 该探针以金核银壳纳米棒为SERS增强基底, 其表面标记拉曼分子产生SERS信号. 随后通过层层吸附的方法在标记了拉曼分子的金核银壳纳米棒表面包裹聚合物电解质. 最后在聚合物电解质层上连接异硫氰酸荧光素产生荧光信号. 将探针置入HeLa细胞, 实现了荧光、SERS双模式成像. 该探针具有以下优点: (1) 能产生荧光、SERS两种信号, 实现双模式光学成像; (2) 金核银壳纳米棒具有优异的SERS增强能力, 使得探针进入活细胞后仍能提供高信噪比的SERS信号; (3) 聚合物电解质在形成隔离层避免荧光信号被金属淬灭的同时, 提高了探针的生物兼容性. 这种双模式光学成像探针在药物输运和肿瘤靶向等研究中具有重大的应用前景.     

数字体图像相关方法研究进展

数字体图像相关方法是可测量物体内部三维全场变形的先进实验力学方法.通过匹配由数字体成像设备获取的被测物体变形前后的两组数字体图像,该方法能够获得物体内部亚体素精度的三维位移场和全场应变.得益于新型体成像设备的不断涌现、图像配准算法的持续改进以及高性能并行计算技术的快速发展,数字体图像相关方法已在生物医学、固体力学、岩土力学、材料科学等领域获得许多令人瞩目的重要应用.本文对过去20多年数字体图像相关方法中出现的各种位移和应变测量算法进行了系统回顾和评述,分析了该方法当前的局限和所面临的挑战.可以预期,数字体图像方法在实验力学领域中将扮演更为重要的角色,并有望在更多科研和工程领域中获得应用.     

动态扫描在NR-PC 平板透镜目标探测成像中的应用

用时域有限差分法(FDTD)研究了基于等效负折射光子晶体(NR-PC)平板透镜的动态扫描系统在目标探测成像中的应用. 通过对负折射光子晶体(NR-PC)平板透镜的仿真和研究得到: 由于微禁带和共振激发效应, 在共振频率0.3068(a/λ)处出现很强的光波透射峰, 从点源发出的光波在经由NR-PC 平板透镜聚焦于目标后, 在该处将会产生极强的后向散射波, 使得后向散射波的再聚焦横向扫描分辨率和图像分辨率有了极大的提高. 另外, 通过将非动态扫描方案与动态扫描方案进行对比, 可以发现动态扫描方案能够获得较好的再聚焦分辨率,具有一定的优越性. 为将理想化的LHM 平板透镜探测成像系统转化为可实现的NR-PC 平板透镜系统提供了重要依据, 从而对优化探测成像系统的性能、实现小目标的探测及成像具有十分重要的意义.     

纳米探针在分子影像领域的研究进展

随着人们对医学诊断要求的提高, 现有的影像诊断技术已经不能满足疾病高效超前诊断的需求. 而分子影像诊断技术从分子水平对疾病的异常结构和功能进行生理、生化水平显像, 能为疾病的诊治提供更为精确的信息. 分子影像学的发展除了需要先进的成像设备外, 最关键的是要发展新型而高效的成像探针. 目前常规的造影剂和分子探针因为信噪比较低、不具备靶向性等缺点而无法满足成像要求, 而在各种纳米材料基础上发展起来的纳米影像探针显示出较好的显像效果. 本文主要综述光学成像(optical imaging)、磁共振成像(magnetic resonance imaging, RI)、正电子发射断层成像(positron emission tomography, PET)、电子计算机X线断层扫描(computed tomography, CT)、单光子衍射成像技术(single-photonemission computed tomography, SPECT)、光声成像(photoacoustic imaging, PA)、多模态成像(multi-modality imaging)等各类分子影像中纳米探针的种类、应用及发展前景.