光谱信息

美国劳伦斯伯克力国家实验室的科学家们开发了首个真彩(true-color)超高分辨率显微成像技术，为研究细胞结构和相关疾病提供了一个强大的工具。该技术将光谱与超高分辨率显微技术结合起来，在单分子成像时可以达到空前的光谱和空间分辨率。这一突破性成果发表在八月十七日的Nature Methods杂志上。　　“我们用这一技术检测每个分子在空间和光谱中的定位，根据其光谱判断分子的颜色，可以说这是首个真彩超高分辨率显微镜，”助理教授Ke Xu说，他将这一技术命名为SR-STORM(spectrally resolved stochastic optical reconstruction microscopy)。　　SR-STORM能够给出每个分子的光谱和空间信息，为人们打开了一扇新的大门。该技术不仅能够在细胞中成像多个组分，还能检测局部的化学环境(比如pH变化)。更重要的是，SR-STORM是一种高通量技术，能在大约五分钟内获得大量单分子的空间和光谱信息。　　SR-STORM是Xu博士基于自己之前的工作开发出来的，当时他在著名学者庄小威(Xiaowei Zhuang)实验室从事博士后研究。庄小威教授研发的超高分辨率成像技术STORM与诺奖得主Eric Betzig的成果不相伯仲，却和2014年的诺贝尔化学擦肩而过。　　现有的超高分辨率显微技术不能给出光谱信息，这样的信息对于理解分子行为是很有帮助的，而且能够对多个靶标实现高质量的多色成像。Xu博士和同事们经过深入探索，终于解决了这一难题。他们用发射波长相近的14种染料对样本进行染色。尽管这些染料的光谱彼此重叠，但SR-STORM能够很好的将其区分开。研究人员还用四种染料对线粒体、微管等四个不同的亚细胞结构进行标记。研究显示，SR-STORM能够根据分子的光谱轻松分辨不同的颜色，每个亚细胞结构都能鲜明的呈现出来。　　“我们以大约10nm的高分辨率，成像了细胞内四个生物学组分的空间互作，”Xu说。“目前这一技术主要用于基础研究和细胞生物学领域，我们希望日后也能将其用于医疗。研究者们可以在SR-STORM的帮助下观察细胞结构的建立，以及它们在疾病中发生的变化。”　　“细胞骨架包括一系列相互作用的亚细胞结构和蛋白，这一技术可以通过空前的颜色通道和空间分辨率，揭示不同靶标之间的互作。”　　Xu博士正在尝试进一步改良这一技术，使它能够用于常规显微系统。他也在开发合适的染料和探针，在纳米尺度上监控细胞内局部环境的变化，比如pH值。　　原文链接：Ultrahigh-throughput single-molecule spectroscopy and spectrally resolved super-resolution microscopy

国外某机构的最新的研究报告显示，2021年全球高光谱成像系统市场规模为134亿美元，预计到2030年该市场将达558亿美元，2022至2030年间的复合年增长率为17.3%。其中，预测期内亚太地区高光谱成像系统市场的复合年增长率超过18%！此消息发布之后，国内很多业内人士纷纷表示看好该市场的发展，更有多位人士表示中国高光谱成像市场的复合年增长率高于全球平均水平。基于当前市场发展态势，近年来，中国市场中不仅高光谱等相关企业的融资案例频发，相关的仪器采购项目也越来越多，而且高光谱相关的应用领域也从最初的地球卫星成像，覆盖到农业、环境、制药、食品测试、文保等更多领域。仪器信息网根据某招中标网站有关高光谱信息的统计分析（以“高光谱”为关键词搜索，不完全统计，截至发稿日），目前采购单位类型主要涉及科研院所、高校、各地环境监测中心等；从采购名录上来看，大多为仪器采购，也有少部分服务或者项目开发采购；从应用方向上来说，主要聚焦在农业、环境、文保、地质和资源勘察等相关行业；从中标仪器型号和品牌来看，涉及诸多知名仪器公司，国外的比如SPECIM、Headwall 、RESONON、Cubert等，国产如双利合谱、彩谱科技、奥谱天成等。部分中标信息摘录如下：项目名称采购单位采购名录型号北京师范大学珠海校区地表过程与资源生态国家重点实验室珠海基地采购野外高光谱荧光综合自动观测系统采购北京师范大学野外高光谱荧光综合自动观测系统AutoSIF-2-8等中国社会科学院考古研究所考古发掘与出土文化保护采购项目中国社会科学院考古研究所高光谱成像分析系统；SPECIM-IQ国家民用空间基础设施“十三五”陆地观测卫星共性应用支撑平台项目-高光谱相机与高光谱无人机采购项目中国科学院空天信息创新研究院高光谱无人机遥感系统（高光谱相机/高光谱无人机）HySpexMjolnir VS-620局经济林产品质量检验检测中心（杭州）检测设备购置项目中国林业科学研究院亚热带林业研究所可见-近红外-高光谱成像无损检测系统生态质量地面综合监测能力建设项目中国环境监测总站机载高光谱相机GaiaSky mini3-VNDZ改善科研条件专项项目（中药资源保护与可持续利用研究平台设备购置）中国医学科学院药用植物研究所纳米高光谱显微成像系统CytoVivaHS中国科学院2021年度野外观测网络移动观测平台采购项目中国科学院地理科学与资源研究所机载高光谱相机Pika L面向智能产线的协作机器人通用算法试验平台及系统建设(二次)佛山科学技术学院高光谱相机FS13、 FS15智慧农业技术集成与应用创新农业农村部重点实验室建设项目(第一、二批）南京国家现代农业产业科技创新中心管理办公室近红外高光谱分析仪、无人机机载高光谱遥感成像系统Image-λ-N17E-HR；300TC大连民族大学推扫式机载高光谱成像系统采购项目大连民族大学推扫式机载高光谱成像仪Gaiasky-mini2-vn东江流域水生态环境观测平台（一期）生态环境部华南环境科学研究所高光谱水质水生态监测系统X20P昆明勘察设计院森林资源监测及数据处理设备购置项目国家林业和草原局西南调查规划院机载高光谱成像仪X20P石家庄市农科现代农业园区（2022年现代农业园区提升）项目设备采购石家庄市农林科学研究院高光谱成像系统Gaiafield Pro-V10广东省农作物现代种业产业园项目---种子质量检测、种植业种业数据库平台配套设备采购广东省农业科学院农业生物基因研究中心无人机高光谱套装300 TC测绘专用仪器第二批采购项目成都市勘察测绘研究院无人机载高光谱数据采集设备X20H等黑龙江省自然资源调查院专业设备采购黑龙江省自然资源调查院高光谱成像传感器D-HSPC200兴安盟作物分子育种及品质检验检测平台建设-国产设备购置兴安盟农牧科学研究所高光谱植物表型分析仪Pika L中国海洋大学三亚海洋研究院基于标准散射体的后向散射定标装置采购项目中国海洋大学高光谱吸收仪；高光谱衰减仪OSCAR；VIPER；长春理工大学中山研究院机器视觉与无人系统实验室实验设备采购（四）长春理工大学中山研究院高光谱相机、高光谱探测系统Gfield-V10-SH；GaiaFluo-VN-HR农学院PH计等采购及服务（2022分散27）东北农业大学高光谱相机SPECIM IQ吉林省生态环境遥感大数据重点实验室建设项目吉林师范大学无人机高光谱成像系统iSpecHyper-VM100-PRO国家数字农业装备创新中心试点建设项目北京市农林科学院智能装备技术研究中心全波段地物高光谱仪；手持智能型高光谱相机；超微型高光谱成像光谱仪FS4N1500；SPECIM IQ；Nano-Hyperspec中国海洋大学三亚海洋研究院水面高光谱辐射自动测量系统设备采购项目中国海洋大学水面高光谱辐射自动测量系统USRAMS福建师范大学无人机载高光谱成像系统等设备货物类采购福建师范大学无人机载高光谱成像系统仪器、植被反射光谱及叶绿素荧光测量机载系统Gaiasky-mini2-VN、Gaiasky-SP-VN&SIF构建“环境-植物”大数据监测平台与智能控制系统广东省农业科学院环境园艺研究所高光谱成像仪GaiaSky-Mini3-VN环科院2022年环境科研监测设备能力建设（第一部分）重庆市生态环境科学研究院机载高光谱激光雷达一体化成像系统ATHL9010水环境遥感和同位素监测设备深圳职业技术学院 便携式高光谱成像仪Pika L福建省福州环境监测中心站填平补齐项目（实验室能力建设）福建省福州环境监测中心站机载高光谱成像系统Pika L、iS2国家数字农业装备创新中心试点建设项目北京市农林科学院作物便携式高光谱成像仪；全自动、多尺度高光谱成像仪；作物组分荧光高光谱成像仪Image-λ-V10E-HR；SOC710-VP；IMA-VIS-INV-447-DIA/EPI四川农业大学第三批省级共建与发展专项显微镜及成像设备采购项目四川农业大学机载高光谱成像系统PIKA L高光谱目标检测与识别算法库某单位高光谱目标检测与识别算法库基于无人机高光谱遥感的河库富营养化污染监测关键技术研究广东省水利水电技术中心基于无人机高光谱遥感的河库富营养化污染监测关键技术研究南海区重点河涌入河排污口核查及规范化管理佛山市生态环境局南海分局重点河涌无人机高光谱监测分析长三角一体化示范区高光谱数据采集项目上海市测绘院长三角一体化示范区高光谱数据采集项目布达拉宫高光谱扫描及数据处理中国文化遗产研究院布达拉宫高光谱扫描及数据处理

拉曼光谱因其应用场景非常广，已经成为各实验室不可或缺的设备。但拉曼光谱在很多应用场景下存在一个痛点：荧光干扰！而时间门控拉曼光谱可解决该“硬骨头”问题，克服传统生物样品检测荧光干扰中的难题，极大地拓展拉曼的相关应用。那么时间门控拉曼光谱在应用层面有哪些优势？发展前景如何？当前的产业化情况如何？日前，仪器信息网编辑就以上问题特别采访了广东大湾区空天信息研究院王振友研究员。另辟蹊径：从太赫兹到时间门控拉曼光谱采访过程中，我们了解到王振友研究员目前主要从事时间门控拉曼光谱等相关光谱仪器研究工作。但据了解，王振友研究员最初是做太赫兹技术研究的，那么，为什么会从太赫兹转向了拉曼的研究呢？王振友研究员介绍说，太赫兹光谱技术是一个较新的技术方向，近30年得到快速发展。太赫兹波段有其独特的优势，例如科研工作者可获得各种物质在太赫兹波段的吸收谱。但在实际应用过程中也存在一些局限，如因是新的波段，不能和传统光学共享成熟的光学部件和探测器，导致设备昂贵。另一方面，因为太赫兹在毫米波量级，在光谱的各个环节中很容易产生驻波条纹，降低探测灵敏度。基于此，他们考虑如何在获得太赫兹能级信息的同时解决以上问题。“相对于太赫兹而言，拉曼在低波数含有太赫兹方面的信息，拉曼散射也可以提取物质的指纹特征峰，同时又能克服太赫兹固有的缺陷。因此我们另辟蹊径切入拉曼，再利用时间门控拉曼光谱去除荧光干扰。”王振友研究员在采访中提到，下一步计划把时间门控拉曼光谱抗荧光功能和太赫兹波段相结合，可以研究在太赫兹波段的材料表征技术，获得高灵敏度的太赫兹波段的光谱信息。时间门控拉曼光谱仪优势凸显当前，拉曼光谱已经成为科研领域，甚至企业工厂等必备的物质表征设备。但是，很多行业在使用的过程中经常面临荧光干扰的问题。王振友研究员介绍说，与常规拉曼相比，时间门控拉曼光谱仪有两方面的优势，一是抗荧光干扰；二是采用脉冲激光，可以实现高时间分辨率的光谱研究。基于此，很多用户都渴望使用时间门控拉曼光谱仪来解决该研究痛点。谈到未来市场空间，王振友研究员说：“目前，国际上只有一家芬兰公司能够生产时间门控拉曼光谱仪。基于现在的估算，全世界拉曼光谱仪市场可能有上千亿人民币规模，预估时间门控拉曼光谱仪规模也有上百亿人民币，现在市场基本上还是空白。”推进时间门控拉曼光谱仪产业化快速发展时间门控拉曼光谱仪国产样机据介绍，目前王振友研究员团队已经成功研制了时间门控拉曼光谱仪国产样机，算是世界上第二家能够研制抗荧光时间门控拉曼光谱仪的单位。王振友研究员介绍说：“与芬兰产的仪器相比，抗荧光方面非常优异，某些性能方面甚至能够超越。下一步计划做用于科研工作的高端科研设备，更一步做便携式的产品，用于比如执法部门的毒品检测或环境污水检测等。”除了产品研发之外，王振友研究员团队也在和一些单位进行拉曼光谱的应用研究合作。目前，王振友研究员团队已经为浙江大学、中科院南海所、电子科大等很多单位提供样品测试服务。王振友研究员说：“当前首要任务是推广合作，希望有更多的人了解并使用该技术。未来要进一步解决关键部件的成本和性能提升的问题，我们将依托空天院雄厚的工程技术能力组织人力将其攻克下来。”