挑战化学成像极限:世界最高分辨率的单分子拉曼成像

正[本刊讯]近日,中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室董振超研究小组在国际上首次实现亚纳米分辨的单分子光学拉曼成像,将具有化学识别能力的空间成像分辨率提高到前所未有的0.5纳米。Nature于2013年6月6日在线发表了这项成果。光被散射后,频率会发生变化,而频率的变化情况取决于散射物质的特性,这是物理学上著名的"拉曼散射"。拉曼散射中包含了丰富的分子振动结构的信息,不同分子的拉曼光谱的谱     

干涉成像，显微宇宙

与传统的几何成像相比,干涉成像不那么直观,要用复杂的数学方法才能从观测数据重建出目标图像。但是,它的成像分辨率可以突破单台望远镜口径的限制,与望远镜之间的最大基线长度成正比。这使得天文学家可以在现有技术条件下,不断提高成像的分辨率。目前天文干涉阵的角分辨率可以达到毫角秒乃至亚毫角秒级水平,成为探索宇宙多尺度细致结构的有力工具。在发展的历程中,干涉成像产生了一批具有里程碑意义的科学成果。将来,干涉成像也将成为探索黑洞视界、地外行星等一批极具挑战性课题的主要手段。     

植物重要膜蛋白的扩散与胞吞机制

膜蛋白作为细胞膜的重要组成部分,通常会发生胞吞循环以调控其在细胞膜上的数量平衡,或响应外界环境的刺激.单分子成像技术是近年来发展起来的,可用于在活细胞条件下对单个分子进行观测和研究的新技术,具有较高的时空分辨率,实现了在纳米和微秒水平上对单个分子的快速实时成像和精确分析.本文结合作者所在实验室取得的研究成果,介绍了利用单分子技术,包括全内反射荧光显微术、荧光相关光谱、荧光互相关光谱分析等方法,对植物几种重要膜蛋白在质膜上的运动特征以及胞吞途径的研究工作,总结了植物中脂筏微区分布及脂筏参与的胞吞途径对膜蛋白功能的调控机制,展望了植物质膜微区的精确划分以及膜蛋白胞吞之后的去向等方面所面临的难题.     

原子力显微镜技术及其在细胞生物学中的应用

从原子力显微镜的发展、特点、操作模式以及联用技术等方面对原子力显微镜技术作了简要的介绍, 从细胞固定方法、细胞成像、力检测以及细胞操纵等方面综述了原子力显微镜技术在细胞生物学方面的应用, 并对原子力显微镜技术的发展进行了展望.     

纳米金等离子共振特性在生物成像中的应用

随着生物医学的发展, 科学研究对生物成像技术和成像分辨率的要求越来越高, 纳米技术和材料被越来越多地应用到生物医学领域中来. 在细胞和生物组织的成像分析中, 纳米金由于其特殊的表面等离子共振特性和优良的生物相容性, 常被用作对比剂、靶向载体、增强剂、示踪剂和传感器而广泛应用于生物成像领域中. 我们将课题组的研究方向与目前该领域的研究热点相结合, 从纳米金辅助细胞及细胞内成像和动物活体成像两个方面就纳米金在生物成像、医学诊断等领域中的应用进展进行了阐述.     

医学超声技术——疾病无损诊断的好帮手

超声技术渗透到医学领域始于二十世纪３０年代到４０年代。４０年代末发表的将脉冲超声波用于脑部疾病诊断的论文，是最初的Ａ型超声诊断技术，从此Ａ型超声诊断仪在临床上得到广泛的应用。不久，Ｂ型超声、Ｍ型超声和超声多普勒诊断法相继出现。特别是７０年代开始，随着计算机、微电子和其他技术的发展及其在医学超声领域的应用，Ｂ型成像技术发展更加迅速，并在临床诊断中占有十分重要的地位。８０年代初，又有脉冲多普勒技术和彩色血流成像技术相继问世，使得超声诊断的方法更加丰富。 组织鉴别 Ｂ型超声所提供的图像在医学诊断上已取得…     

用冷原子驾驭光

(续上期 )测量我们的超慢光的速度相对容易一些。我们用耦合光从侧面照射原子云团 ,并沿长轴把探测光脉冲射入原子云团 ,然后只是坐在原子云团后面等待光脉冲的出现 ,用光电倍增管探测光脉冲的到达时间。为得知光脉冲的速度 ,我们随后需要做的全部事情就是测量原子云团的长度 ,我们利用第三束激光———成像光束来完成这项工作。成像光束与耦合光和探测光成直角、垂直地穿过原子云团。原子会在成像光束中产生一个“吸收暗斑” ,我们用照像机对原子云团快速拍照可记录下该暗斑 ,进而可测量原子云团的大小。把光脉冲停住我们已经知道如何让光…     

Nano CT成像进展

Nano CT是以Micro CT为基础进一步发展而来的分辨率更高的新型成像设备, 在生物成像、病理检测以及集成电路检测等多个领域都有广阔的应用前景. 本文着重介绍Nano CT的发展过程、成像的基本原理和关键技术以及在成像过程中可能存在的各种成像问题, 并针对当前制约Nano CT发展的运动成像、多分辨率成像等几个问题, 结合最新的技术发展对未来新型的Nano CT进行了展望.     

封面说明

<正>同步辐射装置是世界上运行数量最多的大科学装置,相比于常规的X射线,同步辐射具有高亮度、高准直、单色性好、相干性好等优点.同步辐射硬X射线(SRX)同轴相位衬度成像的密度灵敏度高,穿透能力强,能够实现多尺度空间分辨,在众多领域有广泛应用.该方法成像的衬度和空间分辨率与光源的尺寸和对称度、入射光的发散度和空间相干性等因素有关.目前世界上主要的SRX相衬成像束线的光源对称度都很低,制约了成像衬度和空间分辨率的进一步提     

重新审视光毒性

正光能成像的能力使我们更深入理解生物学。当前的显微镜学方法可以在接近实时和超级分辨率的条件下对整个细胞、组织和生物体进行过程跟踪分析。但是,要获得更快、更高分辨率、更高信噪比和更深层次的成像,经常需要比自然条件下生物学样品实验所需的光剂量大很多个数量级。现在大家都很清楚,这样的光剂量,在一些情况下,不论是什么样的光,都会对样品的性质和活性产生负面影响。这种现象一般称为光损伤或光毒性,得到了广泛观察,但是极少得到报道。实际上,这些变化对成像实验的影响程度难以评估。然而,由于用于研究活体标本的显微镜方法正     

科学拓宽人类视野

随着新年钟声的敲响,我们送走了硕果累累的2010年。领跑世界的中国高铁,让百姓的归心乘上似箭的列车;对宏观物体量子效应的首次观测,创造首个人造单细胞生物,食砷细菌的发现,超高分辨率细胞成像技术的发展,这些都在不断调整人类的原有认识。在过去的一年,科学上的这些重大的突破,拓宽了人类的视野,改变着我们的生活。     

金纳米棒:性能、制备、修饰、生物成像技术及应用

随着生物医学的发展,对生物成像技术和成像分辨率的要求越来越高,纳米材料和技术被越来越多地应用到生物医学领域.各向异性的金纳米棒由于具有较高的电子密度、较大的吸收截面、特殊的表面等离子共振光学特性、优良的生物相容性和化学稳定性而被广泛应用于生物成像领域.本文结合本课题组在该领域的研究经验,综述了金纳米棒的制备方法、光学性能和表面修饰方法;并从金纳米棒局部等离子共振特性出发,综述了金纳米棒的暗场散射成像、双光子荧光成像、光声断层成像、光学相干断层扫描、X射线计算机断层扫描、表面增强拉曼散射成像等生物成像技术.同时阐述了金纳米棒在生物成像、医学诊断和联合治疗等领域中的应用进展.     

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.     

基于飞秒掺钛蓝宝石激光器和光子晶体光纤的超高分辨光学相干CT

通过将飞秒激光脉冲耦合到空气石英微结构光纤, 获得了超高纵向分辨率的光学相干CT成像. 利用中心在540 nm、可见光谱范围450~700 nm的超连续光谱, 可以获得高达0.64 µm的自由空间纵向分辨率. 光学相干CT系统灵敏度在样品光功率3 mW时, 可达到108 dB, 仅仅低于理论极限7 dB. 同时展示了亚细胞分辨的光学相干CT的图像, 该高分辨光学相干CT在生物医学应用中有很好的前景.     

利用超快扫描隧道显微镜研究原子尺度上的电荷动力学

正许多微观物理化学过程发生在皮秒和飞秒量级,传统的扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)能够以原子级分辨观察表面结构和电子态,但其时间分辨率不足以解析皮秒和飞秒尺度的超快动力学过程.超快STM结合了STM的空间分辨率和超快光学的时间分辨率,可以实现原子级分辨率的飞秒光谱学,并用于单原子、单分子、单电子和单自旋的非平衡动力学研究.本文首先介绍了超快STM技术的发展,以及我们在这个研究方向上的进展.随后,将超快STM技术应用于光催化材料金红石型TiO2(110)表面上单个极化子的非平衡动力学研究,揭示了     

固氮酶活性中心网兜模型研究的回顾和前瞻

研究自然界中固氮酶是如何把氮分子转化为氨的课题已经成为当前分子生物学的热点之一.1992年,Kim和Rees发表了棕色固氮菌(Av)的固氮酶的分辨率为0.27nm的晶体学分析结果,他们最近又进一步与Chan合作发表了分辨率为0.22nm的固氮酶晶体学分析结果,阐明了FeMo辅基和P-簇对活性中心模型结构.Bolin等也发表了对巴氏梭菌(Cp)的固氮酶的分辨率为0.22nm的晶体学分析结果.这些重要结果,标志着固氮酶研究已经上了     

高分辨率照相机

人的眼睛是一部质量很好的照相机,它有成像系统、光栏和接收系统,能自动调焦和调光圈.但人的眼力毕竟有限,其空间分辨率在视轴方向上约为一分,相当于眼睛的明视距离上(250毫米)能分辨开十分之一毫米之间的间距.由于人眼的视觉暂留作用,人眼的时间分辨率为百分之六秒,因此,对于每秒24张的电影片,人分辨不出动作的不连续性.要提高人眼的时间和空间分辨率,就得借助于照相机. 普通照相机135和120照相机是大家最熟悉、最常见的照相机,应用也最广.这类相机的成像系统采用单镜头或复合镜头.单透镜有正透镜和负透镜两种,只有正透镜才能在照相机中成像.在业余作品中,单镜头已可以满足要求,但用这种底片放大照片时是不清晰的,     

基因景象

当细胞的DNA连通的时候,新型核磁共振成像技术就使细胞清晰可见     

微波致热超声成像原型系统

相对微波和超声成像系统, 微波致热超声扫描成像(MITAT, microwave-induced thermo-acoustic tomography)技术在对比度和分辨率方面具有明显优势, 因此该技术在生物组织成像领域受到了越来越多的关注. 介绍了一个完整的MITAT原型系统, 并利用该系统对埋入脂肪中的高含水量生物组织目标进行了一些基础性的实验. 在这些实验中, 通过由截面为毫米尺度的猪肌肉组织样条所产生的热超声波信号, 获得了同时具有高对比度和高分辨率的MITAT图像. 为了验证MITAT的优势, 一个商用的超声线阵成像系统也对同一实验目标进行了超声成像对比实验研究; 两种系统的成像结果表明所搭建的MITAT原型系统在对类肿瘤的高含水目标探测方面具有良好的性能.     

两块晶体的硬X射线衍射增强成像

硬X射线衍射增强成像(DEI)方法利用一块或一对放在样品和探测器之间的完美晶体(分析晶体), 把X射线(经过多块晶体单色化, 具有较高单色性和准直性)穿过样品时产生的透射光、折射光和散射光彼此分开来成像, 是一种和X射线相位变化梯度有关的成像方法, 能够大大提高弱吸收体硬X射线成像的衬度和空间分辨率. DEI成像的光路通常较为复杂, 入射光要经过多块晶体的衍射, 调节不便, 不利于实用化. 为了探索简化DEI方法的可行性, 在北京同步辐射装置(BSRF)仅用两块Si(111)单晶体(一块作同步辐射白光的单色器, 另一块作为Bragg模式的分析晶体)作了一系列DEI成像实验, 在摇摆曲线的十多个位置获得了衬度和分辨率均比吸收像明显提高的硬X射线衍射增强像, 并解释了分析晶体位于摇摆曲线不同位置时所得图像在明暗对比和成像衬度等方面的差别. 这是目前使用晶体最少的Bragg模式的DEI成像.