便携性显微镜

近日，北京市教育委员会、北京市财政局联合印发《北京实验室建设运行和经费管理法》，鼓励高校创建“北京实验室”，指出“北京实验室是依托北京高校建设的科研平台，是北京高校承接国家和北京市重大任务的重要载体”，这一举措旨在推动科研创新和高精尖学科建设。便携式显微镜助力高校“北京实验室”建设在这样的背景下，一批高端实用的仪器设备将会在“北京实验室”大展身手。如便携式显微镜作为一种先进的科研工具，可以在多个方面助力北京实验室的建设。以下是便携式显微镜如何助力实验室建设的具体分析：提升科研效率与灵活性显微镜是实验室必要仪器，而便携式显微镜是便携性、易用性、时尚性，融为一体的产物，可广泛应用在传统显微实验室内，助力传统显微镜生出翅膀，实现原位观察与测量，是对传统显微实验室一种有力补充，能够极大助力高校实验室建设。Anyty（艾尼提）便携式显微镜3R-MSA600S观察虫类 另外，与传统显微镜相比，便携式显微镜具有无须制样、原位观察、突破空间等优势，新一代的青年学子更喜欢这种简单、直接的沟通方式，生动而活泼的实验氛围，就像给传统实验室加上翅膀，增加对科学的兴趣和理解，能有效体会到更简单、更快捷的接近事物的本质，能促进人，从底层逻辑的思考，实现从0到1的启发。丰富科研手段与方法便携式显微镜通常配备多种观察模式和功能，如显微镜3R-MSA600S定制款，可任意切换白光、红外、紫外等光源，能够满足不同科研需求。科研人员可以根据实验需要选择合适的观察模式，获取更全面、更准确的样本信息。另外，便携式显微镜支持图像和视频采集功能，科研人员可以方便地记录实验过程和结果。便携式显微镜3R-MSA600S高校实验室应用价格优惠有助于普及相较于传统显微镜，便携式显微镜的价格更为亲民，这使得更多的学校和教育机构能够购买并配备这种设备。当师生能够人手一台便携式显微镜时，他们可以更加频繁地进行显微观察实验，从而加深对微观世界的理解，提高科学素养。便携式显微镜3R-MSBTVTY高校实验室应用综上所述，便携式显微镜以其便携性、实时性、多样性和跨学科性等特点，在北京实验室建设中能够发挥着重要作用。它不仅提升了科研效率和灵活性，丰富了科研手段与方法，而且价格优惠，使用简单。因此，北京实验室在建设过程中应充分考虑便携式显微镜的应用和推广。

便携式显微镜的广泛普及 加快相关学科的突飞猛进1、 便携式显微镜之于科学的意义不在野外，而在于突破时空，让研究更精彩便携式显微镜允许科学家在野外、实验室外或其他难以接近的地点进行即时观察和分析。这大大加快了研究速度，减少了样本在运输过程中可能发生的降解或污染。对于生态学、环境科学、地质学等领域的研究人员来说，现场即时分析是他们工作的关键，便携式显微镜为他们提供了极大的便利。其实，便携式显微镜意义不仅是在室外，而更重要的是实时，突破了空间，拉近了时间，其不论是在实验室内、还是工厂车间，大家都需要随时、随手、简单而高效的显微观察与记录。便携式显微镜之于科学的意义不在野外 而在于突破时空2、 便携式显微镜之于教育不仅是启蒙，更是兴趣与好奇，撒向天空的种子，终将会生根发芽便携式显微镜是便携性、易用性、时尚性，融为一体的产物；使其非常适合用于中小学、大学的科学教育，其潜能可广泛应用在传统显微实验室内，助力传统显微镜生出翅膀，实现原位观察与测量，是对传统显微实验室一种有力补充。无须制样、原位观察、突破空间，是传统台式显微镜无法提供的体验，而新一代的青年学子，及青青奇兽们，是更喜欢这种简单、直接的沟通方式，生动而活泼的实验氛围，就像给传统实验室加上翅膀，增加对科学的兴趣和理解，能有效体会到更简单、更快捷的接近事物的本质，能促进人，从底层逻辑的思考，实现从0到1的启发。 教育不仅是启蒙 更是兴趣与好奇 撒向天空的种子 终将会生根发芽3、 便携式显微镜之于现场，这不是简单加持，更是一场行业赋能便携式显微镜的核心是“快”、是“来得快”（我小巧，随时在这里）、是“简单得快”（我操作方便、自动对焦）、是“记录得快”（随时拍照、录像）、是“分析得快”（可定量测量，上传云端、进行AI诊断）；而一切的“快”，都是对时间的缩小，是现场机会的把握。不论是对于工业生产线上、或是考古研究、还是消防火调、或是海关、边检、食检、安监、等需要现场检测或办公的领域来说，便携式显微微镜之于现场、都不是简单加持，更是一场行业赋能，或说是一种工具升级，尤如石器之于火器。便携式显微镜之于现场 这不是简单加持 更是一场行业赋能最后、便携式显微镜发展到今天，诚然还有他的局制性，而现成熟的方向是5-100微米的显微尺寸，而5微米以下还需要更加努力；另外，也会科学家说，现在显微镜的应用空间越来越少了，其当然在实验室还受到电子束、X射线、质谱等的替代分析，但是显微镜是最早的科学研究的方式，其对影像最直接的观察，从来都是人类的天性，也会一直都是，我们最容易、最需要接受的一种方式，所以，他不是被替代，会一直在，尤其是便携式显微镜。 写到最后，作者本人是专注从事便携式显微镜领域的研究，很是期待各行业、各领域的精英、学者、从业人员，大家都可以广泛交流，促使完善便携式显微镜更加适应于相应的领域，共同制定相关的行业标准，以及更好的满足行业要求。

[报告简介] 在环境检测，工业质检，地质勘探等领域，通常会需要对样品进行随时随地的表面形貌测量。而在诸多表面形貌成像设备中，来自加拿大ICSPI公司的nGauge便携式原子力显微镜因其突出的便携性和易用性，成为能够满足上述要求的一种的解决方案。与传统的表面成像设备相比，nGauge原子力显微镜的设备具有方便携带（设备尺寸仅有手掌大小）、分辨率高（高可达1 nm）、探针更换简单，操作过程方便，无需后续维护等优势，能对样品随时随地地进行纳米高速表面成像。在本报告中，将重点介绍nGauge便携式原子力显微镜，并结合来自国内外科研院所和工业用户的实际使用情况，探讨nGauge便携式原子力显微镜在各领域的应用。nGauge便携式芯片原子力显微镜（AFM）实物图。左图为使用状态，右图为收纳状态。[直播入口] 请扫描下方二维码进入直播预约界面，无需注册！扫码即刻预约，无需注册！[报告时间]开始 2022年06月29日 14:00结束 2022年06月29日 14:30[主讲人介绍]喻博闻 博士喻博闻博士，毕业于澳大利亚昆士兰大学机械与矿业学院，博士期间研究方向为微纳机电器件中的界面问题，以及微纳尺度操纵和加工技术。于2021年4月加入Quantum Design中国子公司表面光谱部门，负责微纳加工相关产品在的应用开发、技术支持及市场拓展工作。nGauge便携式原子力显微镜（AFM）特点：更小巧，更便携拥有的AFM微纳机电芯片，使得nGauge原子力显微镜（AFM）系统仅有公文包大小，可随身携带。 更简单，更易用只需点击鼠标三次即可获得样品表面纳米形貌信息，无需配置减震平台。 更高性价比扫描速度快，可扫描大尺寸样品。一个针可以进行上千次扫描，无需繁琐的更换针操作和其他后期维护工作。 部分应用案例：材料 - 钢铁抛光样品表面检测光学显微镜图像nGauge AFM三维成像生物 - 皮肤样本光学显微镜图像nGauge AFM三维成像器件 - 微纳光学器件检测SEM图像nGauge AFM三维成像光电子器件检测SEM图像nGauge AFM三维成像部分文章列表：[1]. Zhao, P., et al., Multiple antibiotics distribution in drinking water and their co-adsorption behaviors by different size fractions of natural particles. Science of The Total Environment, 2021. 775: p. 145846.[2]. Guo, P., et al., Vanadium dioxide phase change thin films produced by thermal oxidation of metallic vanadium. Thin Solid Films, 2020. 707: p. 138117.[3]. Connolly, L.G., et al., A tip-based metrology framework for real-time process feedback of roll-to-roll fabricated nanopatterned structures. Precision Engineering, 2019. 57: p. 137-148.[4]. O' Neill, C., et al., Effect of tooth brushing on gloss retention and surface roughness of five bulk‐fill resin composites. Journal of Esthetic and Restorative Dentistry, 2018. 30(1): p. 59-69. 部分已有用户：

便携式显微镜之所以在工业检测、科研和考古等领域得到广泛应用，主要是因为它克服了传统显微镜笨重、不易移动、操作繁琐等缺点。便携式显微镜设计紧凑，重量轻，携带方便，可以随时随地进行检测。便携式显微镜的几个典型的应用场景如下：一、表面检测在制造业中，产品的表面质量对其性能和使用寿命至关重要。便携式显微镜可以快速准确地检测产品表面的微观缺陷，如划痕、凹坑等。便携式自动对焦显微镜MSBTVTY检测喷漆划痕二、电子行业在电子行业中，对元器件的检测要求非常高。便携式显微镜可以用于观察、检测电路板、芯片等元器件的微观结构，确保其质量。同轴光金相显微镜检测晶圆示意图三、金属加工金属加工过程中，常常需要对工件进行无损检测。便携式显微镜可以通过观察金属的微观结构和质量，以及焊接点的连接质量等，检测其内部缺陷，提高工件的质量和可靠性。便携式显微镜MSA600S检测刀具划痕四、纺织行业纺织品的纤维结构和品质对其性能和外观至关重要。便携式显微镜可以用于观察纺织品的纤维结构，检测其质量和均匀性。五、考古行业便携式显微镜是分析鉴定和保护文物工作最常用的分析工具之一。由于其小巧便携、价格便宜、实用性强、操作简单等特点，越来越多的博物馆、科研机构的科技考古实验室都配备了便携式显微镜。便携式显微镜多用于观察纸张、织物、陶瓷、青铜器、石器等各类文物，也可以在考古现场对土壤等进行微观观察，是考古时最常用的工具之一。便携式显微镜看古玩六、生命科学研究在细胞生物学和解剖学研究中，便携式显微镜有助于观察细胞、组织、器官的超微结构和形态特征，以及病理变化等问题。在医学诊断中，它能够帮助医生对皮肤、黏膜等部位进行快速、准确的检测和诊断，例如用于鉴别癌细胞、真菌感染、精子计数等。随着科技的不断进步，便携式显微镜的性能和应用领域还将继续拓展，为科研和实际应用带来更多可能性。

只要拥有一款“魔镜”，手机也能秒变显微镜!27日，一款由兼具极客、创客双重身份的资深互联网高手彭仁诚率领团队研发出的“可拍照的便携式显微镜”正式开始网络众筹，众筹首日即破5万元大关。这款“魔镜”可轻松将手机变成200倍以上的显微镜，简单、便携，各种微生物形态清晰可见，能让孩子轻松享受科学乐趣，激发孩子对科学的好奇心和探索欲，因此而广受关注。　　科学仪器变身“家用玩具”　　彭仁诚所率领的一支集结大陆和台湾科技人才的研发团队研发出的“可拍照的便携式显微镜”，完全颠覆了大家对于显微镜的既定印象，使得“高大上”的科学仪器变成了随手可用的“家用玩具”。　　彭仁诚告诉记者，首日网络众筹反响热烈出乎他的意料，他之所以选择开发“魔镜”展开自主创业之路，“为的是给孩子增加一双发现的眼睛，去发现从未见过的微观世界的奇妙，在趣味中获得知识，增长好奇心，让科学家的梦有机会成真”。　　彭仁诚昨天在报社现场给记者展示了“魔镜”的用法，只需把魔镜夹在手机镜头上，把玻片放在载台上，并用附带的磁性夹具夹上，手机“秒变”高精度显微镜。　　蚊子嘴巴竟然是细细长长可以90度弯曲的“长矛”，蝴蝶翅膀放大来看简直美呆了，苍蝇腿的腿毛竟然像钢针一样，水稻杆子里面竟然藏着一个个奥特曼……透过“魔镜”，记者立马看到一个新奇、全新的微观世界。　　为小朋友打造微观“捷径”　　除了网络众筹，从前天开始，珠海朋友圈里就被这只神奇的“魔镜”不断刷屏。网友“夏娃妈”告诉记者，爱科学的女儿看到这款“魔镜”肯定会高兴得尖叫，“我早就想在适当的时候给女儿买一个显微镜，但一想到显微镜的笨重和不易操作，就不免打退堂鼓，‘魔镜’了却了我的纠结，它即时为热爱科学的小朋友提供了一个窥视微观世界的‘捷径’。”　　彭仁诚的朋友圈也被家长们的留言“挤爆”了。“没想到家长的反应这么热烈，我真担心需求太大，我们的团队一时供应不及。”彭仁诚告诉记者，“魔镜”的放大真实达到200倍以上，可以看到比头发丝细90倍的物体，这样的精度对镜头的生产工艺要求非常非常高，为了保证质量，由合作伙伴在台湾生产。　　玻片是展现显微世界的关键部分。“魔镜”精心设计了昆虫翅膀、动物触角、植物茎、昆虫口器等9个种类，每张玻片边缘都进行了八面倒角处理，细心考虑到了小朋友的安全。　　父爱满满，极客变身创客　　熟悉彭仁诚的网友都知道，如此低调的极客却有着辉煌的履历——1999年进入亚洲仿真的核心技术团队的彭仁诚曾获得过珠海市科学技术进步奖，并曾担任过金山网络副总监、猎豹移动技术总监，是小有名气的互联网高手。　　“虽然在企业里干得如鱼得水，但30多岁时，突然‘情怀’上身，希望能开创一番自己的事业。”据彭仁诚透露，他的此次创业之举是受6岁女儿的一个好奇发问激发，是饱含父爱的任性之举。　　有一天，女儿被蚊子咬了，问他：“爸爸，蚊子嘴巴是怎么咬到我的呢?”他心中一动，女儿的求知是纯真和最直接的，他如何鼓励她的求知呢?“一个趣味性知识性的玩具，可能是一个非常好的向导，女儿的好奇发问激发了我研发‘魔镜’的创想。魔镜，是我们送给孩子的最好礼物，给孩子增加一双发现的眼睛。”　　彭仁诚透露，从上周开始，他的团队已经开始在珠海市科技馆开设科技班，每周四至周六，结合魔镜的使用，对珠海的孩子进行微观世界的科普。他还专门开设了微信公众号“显微世界”，希望让更多的孩子爱上科学，受惠于科学。

一直以来，工厂在产品检测、品质控制环节，涉及到微小物体或要检测产品的局部微小的细节，或检测要求精度较高，都要用到显微镜放大观察。而随着科技的发展，尤其是便携式显微镜的成熟和发展，以其小巧轻便、操作简单等优势在工业检测方面得到广泛应用，成为工业检测重要工具。 Anyty[艾尼提]便携式显微镜3R-WM401WIFI检测刀具 显微镜是工业检测重要仪器，在工业上观测材料、品质检测等，为提示工业制造精度具有很大的帮助。不过随着市场经济的发展，在工业产品质量控制与检测中，需要在生产环节各个节点进行品质抽检等，因此传统的显微镜存在移动不便、操作困难等弊端。 另外，品质检测人员要在普通显微镜的强光下，用显微镜的目镜观察细节，这样时间长了，不但会影响员工的用眼健康，品质检测人员流失严重，耗费大量的员工培训和管理的时间和精力，而且造成品质控制不严，影响公司的产品品质和客户信誉，从而严重影响公司的发展。 Anyty[艾尼提]便携式显微镜3R-MSBTVTY检测零部件 在这样的市场环境下，此类问题亟待解决。依托光电技术不断发展，便携式显微镜应运而生。 当前针对工业检测等方面，3R公司推出了一系列高清晰的不同规格类型的Anyty[艾尼提]便携式显微镜方案，有手持的，有直接带显示屏的，也有无线WiFi的等，当前已在工厂产品检测及品质控制等方面得到广泛应用，有效的弥补了传统显微镜的一些问题。 相比于传统显微镜，Anyty[艾尼提]便携式显微镜优势明细，小巧便携，非常适合不同的工作现场；而且具体一键自动对焦，操作简单，容易上手；自带屏幕，可进行精准测量，可拍照录像，对数据进行采集储存，便于生产检测报告等，成为工业检测重要工具。 Anyty[艾尼提]便携式显微镜3R-MSA600S筛网检测 总而言之，Anyty[艾尼提]便携式显微镜在工业检测领域广泛应用，并且能够针对不同用户提供个性化解决方案，为企业制造水平的提升提供重要产品支持和技术支持。

近日，Quantum Design中国将首套便携式芯片原子力显微镜Redux成功交付于广东工业大学。该设备不仅具有方便携带、操作简单、扫描速度快、可扫描大尺寸样品、无需维护等优点，还可以迅速找到感兴趣的测量位置，实现相关区域的快速高精度测量。我们相信Redux将助力课题组在新型材料、微纳电子、光机电等诸多研究领域取得进一步的发展。图1. 落户于广东工业大学的便携式芯片原子力显微镜Redux。左图为Redux未工作时的设备照片；右图为Redux工作时的设备照片。图2.左图为广东工业大学老师独立操作Redux的照片。右图为现场获取的AFM形貌表征结果图。广东工业大学安装的ICSPI全新升级款Redux，配备了减震平台和降噪腔，特别适用于在实验室条件下根据科研或教学的需求表征不同领域的样品。图3. Redux对各类样品进行AFM表征结果。(a)钢铁样品表面AFM形貌图。(b)皮肤样品表面形貌图。(c) 微柱阵列三维表征结果。(d) 二氧化硅聚合物复合材料相扫描结果。 ICSPI公司便携式芯片原子力显微镜以其优异的性能和创新性的创新技术，很大程度上降低了传统AFM的复杂操作，得到了国内外相关科研和研发机构的广泛认可。目前，全球范围内已有多个科研院所和企业购买了便携式芯片原子力显微镜，其中包括北京林业大学、天津工业大学、广东工业大学、复旦大学、滑铁卢大学、多伦多大学、伯克利大学（UC Berkeley）、希捷公司、3M公司和东芝公司等。经过国内外众多科研、研发和质检相关部门对ICSPI公司产品的广泛使用，便携式芯片原子力显微镜的可靠稳定等性能受到使用者的一致认可。图4. ICSPI公司便携式芯片原子力显微镜部分用户单位相关产品1、便携式芯片原子力显微镜https://console.instrument.com.cn/#/product/instrumentmanagement/instrument?redirect=%2Fcontent%2Fcompanydynamic%2Fcompanynews

标题：Buckwheat self-assembling peptide-based hydrogel: Preparation, characteristics and forming mechanism期刊: Food Hydrocolloids IF 10.7DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2021.107378【论文摘要】 肽基水凝胶由于其突出的生物相容性和生物可降解性，在3D打印、伤口愈合、人工合成肉、生物传感器和药物递送等领域得到了关注。肽基水凝胶主要是通过化学合成和微生物重组的方法获得。合成肽的一个优点是可以根据具体需求进行设计和自组装。然而，合成肽在实际应用中还存在序列短、纯化低、分散性差和安全性低等问题。与合成肽相比，天然肽具有绿色、安全等优点，因此从天然来源蛋白质中生产自组装肽的相关研究就显得十分重要。 近日，北京林业大学课题组基于酶水解荞麦蛋白进行自然肽自组装研究，为以天然肽为基础合成水凝胶探索出新的道路。相关工作以《Buckwheat self-assembling peptide-based hydrogel: Preparation, characteristics and forming mechanism 》为题，发表于国际SCI期刊《Food Hydrocolloids 》上。 值得注意的是，本文作者利用便携式芯片原子力显微镜nGauge完成了所有生物样品的形貌表征。便携式芯片原子力显微镜nGauge是由加拿大ICSPI公司设计研发的，具有小巧、灵活、方便携带、操作简单、扫描速度快、可扫描大尺寸样品、无需后续维护、无需减震以及超级稳定等优点，适合各类纳米表征应用场景，从科学研究、高等教育到户外工作用户的样品都能实现3D表面形貌快速成像分析，创新技术降低了传统AFM的复杂操作，也拓宽了传统AFM的应用范围！ 【图文导读】 图1. （A）荞麦蛋白及其水解液的十二烷基硫酸钠聚丙烯酰氨凝胶电泳（SDS-PAGE）和水解程度结果。（B）5.5%的荞麦蛋白浓度在120 min后的水解结果。（C）12%的荞麦蛋白浓度的水溶胶。（D）12%的荞麦蛋白浓度在120 min后的水解结果。图2. （A）荞麦蛋白浓度为12%的水凝胶随着水解时间硬度的变化。（B）水凝胶形成潜力和（C）硬度。BP（荞麦蛋白），BPH（120分钟水解产物），BSP（大分子样品）。图3. 利用便携式芯片原子力显微镜nGauge获得的（A1-A3）BP，BPH和BSP的形貌图，（B1-B3）BP，BPH和BSP的相位图和（C1-C3）BP，BPH和BSP的高度分析结果。扫描面积为5 x 5 μm2。图4. 利用nGauge便携式原子力显微镜获得的BP，BPH，BSP颗粒粒径的统计结果。图5. BP，BPH和BSP水凝胶的扫描电子显微镜结果。【论文结论】 北京林业大学课题组利用温和酶从荞麦蛋白中获得具有成胶能力的天然肽，代替合成肽制备水凝胶。研究人员研究了利用荞麦天然蛋白制备自组装肽的可行性，并获得了水凝胶。此外，还研究了通过水解产生的荞麦肽通过自组装形成具有良好物理性质水凝胶的机理。该研究为从植物蛋白中生产纳米尺度自由组装肽提供了路线，也为天然肽基水泥胶在依赖合成肽的一系列应用中提供了使用机会。

文章名称：Metal-organic framework-intercalated graphene oxide nanofiltration membranes for enhanced treatment of wastewater effluents期刊：Chemical Engineering Journal IF 15.1文章DOI：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150207 【引言】水是地球上尤为珍贵而又不可或缺的资源之一，对于人类的健康和发展至关重要。然而，水资源可能受到来自工业排放物、城市废水和农业废水等方面的污染，因此我们亟需有效的水资源净化技术，去除水中的有害污染物，提高农业和工业的用水质量。基于膜过滤的水净化技术是一种十分有前景的水处理方法。其中，纳米过滤（NF）技术由于在水净化方面所显示出的巨大潜力，引起了学术界和工业界的广泛关注。 【成果简介】近日，丹麦奥尔堡大学联合山东硅元新材公司提出基于沸石咪唑盐框架（ZIF-8）-氧化石墨烯（GO）中间层的一种新型纳米过滤薄膜。所制备出的GO/ZIF-8（GZ）纳米过滤膜展示出了优异的亲水性和优秀的污水净化能力。与原有的GO过滤膜相比，GZ纳米滤膜拥有更好的抗污性，同时保持相当的盐和有机物的截留率。通过对3种不同工业废水过滤的实验结果来看，GZ纳米过滤膜能够在错流过滤中保持高的稳定性。相关研究内容以《Metal-organic framework-intercalated graphene oxide nanofiltration membranes for enhanced treatment of wastewater effluents》为题，发表于国际SCI期刊《Chemical Engineering Journal》上。 值得注意的是，本文使用ICSPI公司研发的便携式芯片原子力显微镜nGauge对GO和GZ的表面形貌进行了表征。便携式芯片原子力显微镜nGauge具有小巧灵活、方便携带，操作简单，扫描速度快，可扫描大尺寸样品，一个针尖可以进行上千次扫描，无需维护、无需减震、超级稳定等优点，不仅适用于科学研究、高等教育、工业检测等领域，对户外和非实验室获得原子力显微镜(AFM)表征的用户也非常友好，极大的拓宽了传统AFM的应用范围！ICSPI公司便携式原子力显微镜(AFM)，左）Redux AFM 右）nGauge【图文导读】图1. GZ过滤膜的结构和过滤过程示意图。 图2. （a）ZIF-8纳米颗粒的SEM表征结果。（b）GO的SEM表征结果。（c）GZ纳米过滤薄膜的XRD表征结果。（d）GZ纳米过滤薄膜的FTIR表征结果。GZ后的数字为GO和ZIF-8的质量比例。图3. 不同GO和ZIF-8质量比例下的GZ膜的表面和截面的SEM表征结果，纯GO(a-b)；GZ9-1（c-d）；GZ7-3（e-f）；GZ5-5（g-h）。图4. 利用nGauge便携式AFM所表征的GO和GZ的表面形貌结果，(a) GO (b) GZ9-1 (c) GZ7-3 (d) GZ5-5 (e) GZ3-7 (f) GZ1-9。 图5. （a）水的接触角随着不同ZIF-8含量的变化。（b）不同ZIF-8含量的薄膜在不同PH值下的zeta电位的变化。 图6. 用所制备的GZ薄膜对印刷行业的废水进行过滤的对比结果。（a）总有机碳量的减少结果。（b）离子截留率。（c）过滤前后的印刷工业废水的UV–Vis表征结果。（d）原始废水，经过基底材料和经过GZ纳米过滤膜过滤后废水的对比。 【结论】从论文中可以看出，研究人员通过简单的涂覆法制备了GO/ZIF-8纳米过滤膜。由于将适量的ZIF-8添加到GO的基材中，使得制备出的过滤膜在通量和选择性方面有着明显的提高。通过实验结果可以看出，所制备的GZ膜可以进行多次洗涤，可重复使用。GZ纳米过滤膜的成功制备，为工业和农业废水的高效，无害化处理提供了新的解决途径。相关产品1、便携式芯片原子力显微镜https://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C487657.htm

近期，QuantumDesign中国引进了加拿大ICSPI公司设计和生产的便携式nGauge原子力显微镜（AFM），该设备基于其有的芯片式自感应探针技术，摆脱了传统AFM对激光的依赖，带给了传统AFM革命性的变化！ nGauge便携式芯片原子力显微镜（AFM）具有小巧灵活、方便携带，操作简单，扫描速度快，可扫描大尺寸样品，无需维护、无需减震、超稳定等优点，适合各类纳米表征应用场景，从科学研究、高等教育到工业用户的样品3D表面形貌快速成像分析等，革命性的创新技术大的降低了传统AFM的复杂操作，也大的拓宽了传统AFM的应用范围！图1. nGauge便携式芯片原子力显微镜（AFM）实物图。左图为使用状态，右图为收纳状态。nGauge便携式原子力显微镜（AFM）特点：更小巧，更便携拥有的AFM微纳机电芯片，使得nGauge原子力显微镜（AFM）系统仅有公文包大小，可随身携带。 更简单，更易用只需点击鼠标三次即可获得样品表面纳米形貌信息，无需配置减震平台。 更高性价比扫描速度快，可扫描大尺寸样品。一个针可以进行上千次扫描，无需繁琐的更换针操作和其他后期维护工作。 部分应用案例：材料 - 钢铁抛光样品表面检测光学显微镜图像nGauge AFM三维成像生物 - 皮肤样本光学显微镜图像nGauge AFM三维成像器件 - 微纳光学器件检测SEM图像nGauge AFM三维成像光电子器件检测SEM图像nGauge AFM三维成像部分文章列表：[1]. Zhao, P., et al., Multiple antibiotics distribution in drinking water and their co-adsorption behaviors by different size fractions of natural particles. Science of The Total Environment, 2021. 775: p. 145846.[2]. Guo, P., et al., Vanadium dioxide phase change thin films produced by thermal oxidation of metallic vanadium. Thin Solid Films, 2020. 707: p. 138117.[3]. Connolly, L.G., et al., A tip-based metrology framework for real-time process feedback of roll-to-roll fabricated nanopatterned structures. Precision Engineering, 2019. 57: p. 137-148.[4]. O' Neill, C., et al., Effect of tooth brushing on gloss retention and surface roughness of five bulk‐fill resin composites. Journal of Esthetic and Restorative Dentistry, 2018. 30(1): p. 59-69. 部分已有用户：样机体验：为了更好的服务客户，Quantum Design中国引进nGauge便携式芯片原子力显微镜样机，为大家提供样机体验机会，还在等什么？赶快联系我们吧！ 电话：010-85120277/78 邮箱：info@qd-china.com，期待与您的合作！

【论文信息】Enhanced degradation of few-layer black phosphorus by fulvic acid: Processes and mechanisms期刊: Water Research IF 13.4DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120014 【背景概述】黑磷纳米片是一种与石墨烯相似的具有类似层状结构的二维纳米材料。由于其具有优秀的导电特性与可调控的能带结构，黑磷纳米片已被广泛应用于电池储能、癌症治疗、电催化和光催化固氮等领域。但是，由于第五主族的磷原子上存在孤对电子，导致黑磷纳米片很容易被氧化，尤其当黑磷纳米片被排放到水中时，该材料很容易被水中所溶解的氧气分解，形成磷氧阴离子，如果大量的黑磷纳米片被排放到自然水体中，其分解物质将会给水生生物带来氧化应激和发育毒性，严重制约了黑磷的应用。此外，磷氧阴离子还会刺激小球藻的过量繁殖，导致水体的过营养化。之前关于黑磷纳米片在水中氧化分解的研究，主要集中在氧气含量，PH值对黑磷纳米片氧化分解速度的影响，对于黑磷纳米片与自然水体中广泛存在的黄腐酸之间的作用尚未充分研究。 近日，中国地质大学何伟教授课题组与德国达姆施塔特工业大学强强联合，对不同黄腐酸浓度条件下的黑磷纳米片的分解进行了系统性研究。在研究中，通过利用便携式原子力显微镜(AFM)对黑磷纳米片和黄腐酸的二维、三维形貌进行了系统的微观表征。根据相关AFM表征结果，提出了在黄腐酸的参与下，黑磷纳米片的分解机理。相关研究成果已发表在水科学高水平期刊《Water Research》上。 【图文导读】图1. 在氧化-光照条件下，黑磷纳米片在不同浓度的黄腐酸（0,2.5,5 mgC/L）中的降解动力学过程，（a）总磷-氧阴离子（Δ[O-P]）,（b）次磷酸盐（H2PO2-），（c）亚磷酸盐（HPO32-），和（d）磷酸盐（PO43-）。图2. 在氧化-光照条件下，黑磷纳米片在不同浓度的黄腐酸中降解前（a,b和c）和降解后（d,e和f）的透射电镜表征。黄腐酸在图中用红色圆圈圈出。图3. 在原液中的黑磷纳米片微观表征。（a）用nGauge对样品进行AFM三维形貌表征，（b）透射电镜表征，（c）nGauge对样品的AFM二维表征结果，（d）nGauge AFM对（c）中划线部分，黑磷样品的高度测量数据，和（e）经AFM测量样品厚度的直方图统计图。图4. 在原液中的黄腐酸微观表征。（a）用nGauge对样品进行AFM三维形貌表征，（b）透射电镜表征，（c）nGauge对样品的AFM二维表征结果，（d）nGauge AFM对（c）中划线部分，黄腐酸的高度测量数据，和（e）经AFM测量样品高度的直方图统计图。图5. nGauge AFM表征黑磷纳米片在降解前（a）和在氧化-光照条件下降解43天后的形貌结果。（（b）黄腐酸浓度0 mgC/L，（C）2.5 mgC/L，和（d）5 mgC/L）图6. 在降解反应前和反应后黑磷纳米片的XPS光谱中C1s峰（a）和P2p峰（b）的表征结果。图7. 黄腐酸存在或不存在的条件下，黑磷纳米片的降解机制。本研究中是按照（3）的路径对黑磷纳米片进行降解。 【结论】何伟教授课题组利用便携式原子力显微镜(AFM)，大量测量黑鳞纳米片和黄腐酸在反应过程中二维和三维形貌的表面变化，同时借助XPS等其他技术手段，研究了黑鳞纳米颗粒在不同浓度黄腐酸条件下的分解过程与机理。实验结果表明，黄腐酸的存在，在无氧和有氧条件下均可加快黑鳞纳米片在水中的分解，在光照条件下可以产生更多的次磷酸盐，在无光的条件下主要提高磷酸盐的产生。 本文中研究人员使用的便携式原子力显微镜(AFM)是加拿大ICSPI公司设计和研发的，其基于特有的芯片式自感应探针技术，摆脱了传统AFM对激光的依赖，给AFM带来了里程碑式的变化！同时，设备具有小巧、灵活、方便携带、操作简单、扫描速度快、可扫描大尺寸样品、无需后续维护、无需减震超级稳定等优点，非常适合科研研究、高等教育、工业检测等领域的客户，尤其对于需要在户外和非实验室获得原子力显微镜(AFM)表征的用户来说，是一款不可或缺的设备！ICSPI公司便携式原子力显微镜(AFM)，左）Redux AFM 右）nGauge

期刊：Food Hydrocolloids IF 11.504文章DOI：https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2022.108303 【引言】 目前，全球肥胖和高血脂症形势严峻，摄入脂质的消化和吸收一直备受关注。现在常用的抑制脂肪消化吸收的药物副作用明显，亟需寻找绿色、安全的治疗肥胖和高血脂的策略。众所周知，摄入的脂质首先需要由脂肪酶水解成游离脂肪酸，才能进一步被吸收，胆酸盐稳定的脂质乳液是脂肪酶发挥水解作用的关键平台和前提条件。对于生物活性物质对脂肪消化吸收的抑制，目前大多数研究只从生化角度关注活性物质对脂肪酶的直接抑制作用，而忽略了脂肪酶赖以发挥作用的胆酸盐稳定的脂质乳液平台这个关键前提。 【成果简介】 近日，北京林业大学生物科学与技术学院食品学科范俊峰教授团队在国际食品高水平期刊《Food Hydrocolloids》发表了题为“The interfacial destabilization of bile salt-emulsified oil droplets, essential for lipase function, is mediated by Lycium barbarum L. leaf polysaccharides”的研究论文，以胆酸盐稳定的脂质乳液平台为研究对象，创新性地从界面化学的视角揭示了多糖与肠道分泌的脂质消化剂之间的相互作用，为生物活性物质抑制脂肪消化的研究奠定了新的理论基础。 值得注意的是，本文使用便携式原子力显微镜nGauge对枸杞叶中提取的多糖进行了形貌表征。便携式芯片原子力显微镜nGauge具有小巧灵活、方便携带，操作简单，扫描速度快，可扫描大尺寸样品，一个针尖可以进行上千次扫描，无需维护、无需减震、超级稳定等优点，适合各类纳米表征应用场景，拓宽了传统AFM的应用范围！图1. nGauge便携式芯片原子力显微镜（AFM）实物图。左图为使用状态，右图为收纳状态。 【图文导读】 图2. 使用nGauge便携式原子力显微镜对从枸杞叶中提取的多糖进行形貌表征。（LP:多糖，LD:脱钙多糖,SP:多糖分解产物，SD：脱钙多糖分解产物）图3. 对获得多糖颗粒进行（A）粒径统计，（B）Zeta电位，（C）XRD，（D）FTIR 光谱表征。图4. 胆盐，多糖，胆盐-多糖的（A）三相接触角，（B）表面张力，（C）FTIR光谱。图5. 胆酸盐和多糖（A）以及胆酸盐和除矿物质多糖（B）之间的相互作用。 【结论】这些发现从界面化学的角度为植物源多糖对脂肪消化的影响提供了新的见解，也进一步加深了我们对多糖与肠道分泌的脂质消化物相互作用的理解。便携式芯片原子力显微镜nGauge也将继续助力食品科学、半导体工业、材料工业、纳米技术、生命科技、涂料，聚合物和复合材料等行业的发展。

据国外媒体9日报道，它和一枚50便士的硬币一样重，小到足以放到裤子口袋中，但这种开创性新型显微镜的作用可没有大打折扣。这种装置叫Foldscope，可提供2000多倍的放大效果，有望彻底改变放大物体的方式。　　一种可能彻底改变物体放大方式的新型显微镜已在秘鲁亚马逊雨林进行测试。这张照片显示，几只蚂蚁在显微镜下保护一只水蜡虫。　　这种装置叫Foldscope，可提供2000多倍的放大效果，它和一枚50便士的硬币一样重，小到足以放到裤子口袋中，或许会彻底改变物体放大的方式。　　波梅兰茨对这种微型显微镜进行了测试。这位野外生物学家在南美洲用它拍摄到鼠尾草花的这张特写照。　　波梅兰茨对这种微型显微镜进行了测试。这位野外生物学家在南美洲用它拍摄到鼠尾草花的这张特写照。　　美国加利福尼亚州洛杉矶市野外生物学家波梅兰茨(照片显示)测试了微型显微镜Foldscope。　　照片显示，一只蜘蛛感染冬虫夏草。这种寄生真菌取代了蜘蛛体内的组织。　　在这张用手机拍摄的照片中，100美元纸币的纤维清晰可见。　　波梅兰茨将微型显微镜Foldscope连接到手机上，然后拍摄到这些不同寻常的照片。　　这张用微型显微镜Foldscope拍摄的照片展示了一株马利筋草的绚烂细节。美国野外生物学家艾伦-波梅兰茨对它进行了试验。他在秘鲁亚马逊雨林中停留一个月，用这种微型显微镜捕捉到一系列惊人照片。这位25岁科学家用它拍摄了一组照片，展示了一只被感染的蜘蛛和一片被虫瘿覆盖的叶子。其他照片还展示了一朵花瓣的细胞和一只未知螨虫的放大图像。　　美国加利福尼亚州洛杉矶市的波梅兰茨表示：“使它成为革命性工具的是它探测致病因素或研究未知物种的方式。还有一点就是它的售价不到1美元。这使它可以得到广泛使用，或许适用于数百万人，例如孩子、医护人员和野外生物学家等。有时我们在野外根本不知道我们要观察什么，直到很晚的时候才明白这一点。”　　这位科学家说：“在有些情况下，你回到实验室，想获得一些不同于野外的发现，例如收集更多信息或进行更多的观察。但微型显微镜Foldscope使你在野外就可直接研究目标，然后你可以带它们回实验室，开展更加细致的科研工作。”　　波梅兰茨将微型显微镜Foldscope连接到手机上，然后拍摄到这些不同寻常的照片。该装置的尺寸是70毫米乘20毫米，重量仅0.3盎司(约合8.5克)。相比之下，一部传统显微镜却重达512盎司(约合15公斤)。　　不到10分钟内，可将一张平面纸组装成微型显微镜Foldscope。使用者可用折纸方法将它制作而成。这种微型显微镜是加利福尼亚州斯坦福大学生物工程系普拉卡什实验室一个研究小组的智慧结晶。　　波梅兰茨说：“微型显微镜Foldscope并不能替代可提供更高分辨率、更强大的传统显微镜。但后者有很多缺点，例如很大，又昂贵，还只能在实验室内使用。微型显微镜Foldscope被设计成一种便携式工具，可随时随地使用，让你及时近距离观察微观世界。我认为它不会取代传统显微镜，却毫无疑问，它会弥补传统显微镜的不足。大多数孩子从未用过传统显微镜，所以微型显微镜Foldscope可帮助贫穷地区的学生探索微观世界和科学。”

智能制造时代的到来，使得工业制造变得更加智能化，现如今科学仪器真走向不断袖珍化、智能化的发展方向。近日，美国休斯敦大学电机与电脑工程系的华裔教授石为穿发明了一款手机显微镜。　　美国休斯敦大学电机与电脑工程系的华裔教授石为穿最近发明了一款将智能手机变身为显微镜的超级武器——“点透镜”，可以用来观察小至微米的微观世界。这种点透镜轻巧、方便携带，预期将在教育、医疗等领域有着广泛的应用前景。　　实验室里的传统显微镜，动辄上万美金，且携带不便。而石为穿教授团队研发的这种点透镜，就像是一个智能手机的隐形眼镜，想要用的时候把它贴到手机镜头上，手机瞬间变身为显微镜。点透镜使用聚合物材料制作，只有两个米粒儿大小、携带超方便，而且制造成本低。点透镜突破了传统镜片叠加光学镜头的限制，分辨率高，可以清晰地观察到一滴水中形状各异、生机勃勃的微观生物。 点透镜有着广泛的应用领域，所有做微观观察的应用，都可以考虑点透镜，加上现在智能手机非常便宜，在一些偏远地区和发展中国家，也可以使用手机配备点透镜。一个最重要的应用就是医疗，点透镜可以协助做病理切片观察，协助诊断病情，大大降低诊断的花费。使用点透镜技术，还能方便探测水域中的病菌等微生物对人类健康产生的影响。另一个最直接的用途就是教育领域，学生做生物或化学试验，或去野外观察植物、动物，携带一个轻巧的点透镜，就等于带了一个显微镜，可以随意拍摄想感兴趣的东西，还可以录影。

近日，科学家开发了一种通过智能手机运行的便携式显微镜，可以估计样本DNA分子的长度，发现人类基因组拷贝数变异和其他疾病的遗传特性。这种显微镜，体积较小，重量不足190克，只需要三个AAA电池就可运行的，而成本只需400美元。 　　2015年即将到来，科学家们预测在新的一年里，不少新技术将与我们的日常生活结合更紧密，近期来自加州大学旧金山分校的一组研究人员就研发出了一种智能手机附件，能检测样品中DNA分子的长度。 　　这一研究成果公布在12月10日的ACS Nano杂志上，这一附件重量仅为190克(以下)，价格为400 美元，需要3节 AAA 电池。从功能上说，研究人员能利用这一附件完成拷贝数变异，以及疾病其它遗传特征的分析，这将成为现场诊断领域的又一新星。 　　研究人员在文章中证明了这一职能手机显微镜能分析荧光标记的DNA分子纯化溶液。首先将溶液放置在两个盖玻片之间，这样就能有效的将DNA拉升为直线，然后通过荧光显微镜附件内的蓝色激光照射在DNA上，智能手机就能完成一系列的拍照，并传送到远程服务器，计算片段长度。 　　一般来说设备能分析的DNA分子长度为10000～48，000 个碱基对大小，研究人员发现智能手机显微镜也能预测大约长度为约1，000 个碱基对的片段大小，这与传统的台式荧光显微镜的出错率差不多。 　　一些其他研究组也表示希望能利用智能手机显微镜，在缺乏必要基础设施的地区进行诊断治疗，这些地区也是最需要快速诊断传染性疾病的地方。 　　 　　文章作者，电力生物工程师Aydogan Ozcan认为这一发现是个人电脑的一项革命性成果，&ldquo 看看我们早期的计算机，它们十分笨重，也很昂贵。现在计算机变得轻便，可便携了&hellip &hellip 几乎每个人都能买得起。同样，显微镜观察也会朝着这一方向发展，我们研发了小型化微观和纳米分析工具，我们能令它们更加方便使用，更加强大。&rdquo 　　不仅是显微镜，科学家们也研发了不少便携式的设备，如华裔科学家戴聿昌教授开发出了一种便携式细胞计数器，能在几分钟内，用扎指头的方式就能获得结果。 　　便携式白细胞计数器可以用于改善针对患有慢性疾病，比如白血病或其它癌症患者的门诊监测。而且也可以通过组合使用，帮助偏远地区的远程医疗，甚至可以用于宇航员，宇航员长期暴露于辐射中，利用这一设备，当他们还在太空中的时候就进行检测。 　　此外针对今年暴发的埃博拉病毒，意大利国家传染病研究所的研究人员也研发出了快速检测埃博拉病毒的便携设备，可在75分钟内检测出血液样本中是否存在埃博拉病毒。 　　这种设备采用分子生物学技术即时聚合酶链式反应。这种设备灵敏度极高，即便是微量的人类血液经过多次稀释也能检测出所含病毒，而且能够早期甄别病毒，显着减少传染风险。

华为手机上的仪器：“显微镜”10月8日消息，根据美国商标和专利局近日公示的技术专利，华为公司获得了一项手机显微镜技术专利，镜头与被拍摄物体的距离保持0.5毫米左右，可以放大20-400倍。OPPO 此前曾在Find X3 Pro 手机中引入了“显微镜”功能，可以实现60 倍放大。华为公司于2021年提交了这项专利申请，提供了更丰富的显微镜应用场景。华为提交该专利期间仍处于疫情期间，在专利描述中特别介绍了识别拍摄对象细菌数量、提供卫生建议等等。在此简要介绍下该专利原理如下：电子设备上配有2个基础组件，一个是普通相机，而另一个是微距相机，该微距相机采用平场消色差微型物镜，光学分辨率为2.Math.m。1. 首先常规相机拍摄：该相机可识别物体的场景和类别，在示例中可以区分食物、手或餐桌。2. 再使用微距相机（Microscopic Camera）进行微观拍摄：接下来相机需要切换到显微镜模式，拍摄此前照片场景中的某个物体。显微镜模式的作用是揭示此前图像中的微观信息，可以显示细菌的种类和数量情况，这种微观视图为了解物体的卫生状况提供了宝贵的见解。3. 判断卫生情况：设备会根据普通摄像头的场景信息和显微摄像头的微观信息进行综合分析，此步骤对于准确确定物体的卫生状况至关重要。4. 智能提示：该技术可以通过文本、语音、振动或指示器等方式提供相关信息，详细描述对象的卫生情况，并提供改进和适当的卫生措施建议等等。华为在专利中还概述了多个应用场景：食品安全保证：您在家准备晚餐，可以用于确保要切的蔬菜是干净的。厨房用具维护：可以关心厨房用具的清洁度，例如咖啡机或微波炉。个人卫生评估：可以确保个人卫生，尤其是手部清洁。餐桌清洁度：您正在举办晚宴，并希望确保您的餐桌一尘不染。儿童玩具检查：您关心孩子玩具的清洁度。宠物卫生监测：您希望确保宠物生活空间的清洁度。遥遥领先，很快华为用户就能使用上一台最高能放大400倍的手机显微镜了。如此便携的神奇仪器，列文虎克老兄也得羡慕的“流口水”吧？超级便携的手机光谱仪法国公司GoyaLab推出了一款可以将任何智能手机或平板电脑变成超紧凑且功能强大的手持式光谱仪的设备GoSpectro，它的价格只有400多美元。简单来说，GoSpectro是一只可以安装在手机镜头上的分光镜。但是手机装上配套的APP后，二者就合体为一台紧凑却功能强大的便携式光谱仪。GoSpectro在整个可见光范围(400 nm-750 nm)上都很灵敏，光谱分辨率小于10nm，再现性为1nm。这种革命性的器件能够以紧凑性对光源进行光谱表征以及发射、透射或反射的测量光谱。它是在不同设置下和不同场景下测量光谱的理想伴侣，特别是在野外、户外等环境下更为适用。应用场景：珠宝行业：免提分析 纳米尺度测量 宝石分析、储存以及数据导出 无人眼疲劳检测。物证鉴定：便携式阅读器防伪标签(荧光墨水)、证物的实时验证。……虽然GoSpectro的参数及应用还远远比不上实验室中常见的光谱仪，但他的出现似乎在向这个世界宣告：科学仪器的手机时代已经来临。可以嵌入手机的光谱传感器在华为“显微镜”和GoSpectro光谱仪走入大家视野的同时，来自埃因霍芬理工大学（Technische Universiteit Eindhoven，以下简称：TU/e）的研究团队开发了一种新型近红外（NIR）光谱传感器，该传感器易于制造，并且尺寸与智能手机中的传感器相当，可用于工业过程监测及农业相关应用。这一突破性的研究成果已发表于Nature期刊。TU/e团队 图源Mantispectra官网“这项开发成本很低，因为我们可以批量生产众多传感器，并且目前已做好开展实际应用的准备。”该研究的共同第一作者、TU/e应用物理系光子和半导体纳米物理研究组的博士研究员Kaylee Hakkel说道，“该传感器芯片尺寸很小，甚至未来可以嵌入智能手机中。”图源Mantispectra官网这项研究的共同第一作者Maurangelo Petruzzella表示：“我们现在有基于该项技术的完整开发套件——SpectraPod，很多公司和研究团队利用它来构建应用程序。最棒的是，该传感器未来甚至可以在智能手机中普及，这意味着人们可以在家里用它来监测食物质量或健康状况。”开发套件SpectraPod 图源Mantispectra官网相比“手机外设”GoSpectro光谱仪，TU/e的芯片更趋近于“手机即仪器”理念的实现。“便携”是科学仪器行业近些年来公认的发展趋势之一，色谱、光谱、质谱等仪器的便携版已屡见不鲜。同时，随着传感器技术的发展，“便携仪器”的定义范围也在无限缩小。相信有一天，我们一定会见到更多品类手机仪器的诞生。

乔尼· 布莱切/文 　　显微镜是科研领域最典型的象征之一，提起它，很多人的脑海里都会浮现出身穿白大褂在实验室里寻求重大突破的科研人员。你或许还记得童年时期第一次透过显微镜观察池水中的草履虫，或洋葱上的细胞结构时的场景。数十年来，在显微镜的帮助下，我们诊断了无数的致命疾病，拯救了无数人的 生命 。然而，在世界的很多地方，这种设备却依然非常短缺。 　　但这种情形即将改变。科技正在发挥它应有的作用，它正在将智能手机、iPad甚至纸片变成耐用而便携的显微镜，而花费却只有区区几美元。 　　美国能源部太平洋西北国家实验室的科学家开发了一种小型设备，可以直接固定在智能手机或平板电脑上，将这些设备的摄像头变身为显微镜。他们使用3D打印机制作了这种配件，用它来固定价格低廉的玻璃珠，以此实现放大效果。 　　 　　一旦安装了这种配件，你就可以使用它观察标准载玻片上的样本，效果可以直接显示在屏幕上。目前有100倍、350倍和1000倍3种规格：100倍可以观察盐晶或叶片结构，350倍可以观察血液中的寄生虫（疟疾）或饮用水中的原生动物（隐孢子虫），1000倍可以观察炭疽孢子。这种配件的设计图可以直接在网上查看，所以如果你也有3D打印机，大约只需使用1美元的打印材料即可自己制作一个这样的显微镜。 　　澳大利亚国立大学的史蒂夫· 李(Steve Lee)博士已经找到了一种方法，可以直接在烤炉上烘烤显微镜镜头，并将其固定在智能手机上。方法与Shrinky Dink很相似，只不过使用的是与隐形眼镜相同的材料。为了制作这样的镜头，史蒂夫· 李将一滴胶状的聚二甲硅氧烷滴在载玻片上，并在158华氏度（70摄氏度）的温度下烘烤至变硬为止。史蒂夫· 李把另外一滴聚二甲硅氧烷滴在底座上，将载玻片翻转后再次烘烤，利用重力作用来形成水滴的形状。还可以多加几滴来制作最佳的镜头形状。 　　制作完成后，便可将镜头直接嵌入3D打印机打印的框架内，从而制作智能手机镜头。尽管放大倍数不算高，大约只有160倍，但仍然可以用于诊断黑色素瘤等疾病。这种小镜头的成本大约只有几美元。 　　 　　如果手头没有3D打印机和智能手机，还可以使用一些技术含量更低的方法：使用一张纸来制作，成本甚至不足1美元。斯坦福大学Prakash实验室的研究团队开发的Foldscope从折纸中获得了灵感，但却可以提供超过2000倍的放大效果。它看起来只是一张纸，把各个部位拆下来后便可以开始折叠了。研究人员并没有提供书面说明，但设计方案却很直观。一旦组装完成，便可使用这种显微镜观察常见的细菌和寄生虫。要制作Foldscope，只需要一张专门设计的聚丙烯纸、一个140倍的低倍数镜头或2180倍的高倍数镜头、一个3伏纽扣电池、一个白色LED灯泡、一个电滑块和一条铜带。 　　Foldscope的设计者表示，他们希望达成两大使命：通过&ldquo 让全世界的每个孩子都有一台显微镜&rdquo 来影响科学教育，通过开发坚固、易用的诊断设备来影响人们的健康。 　　这款产品已经提供给1万名用户进行测试，想要阅读测试者的故事，可以查看他们的官方博客Microcosmos。

日前，“双校记：透过显微镜看哈佛与清华”线上展览正式开幕，该展览由清华大学科学史系、清华大学科学博物馆与哈佛大学科学史系、哈佛历史科学仪器收藏馆联合举办，是清华大学科学博物馆与国外著名大学博物馆合作举办的线上系列展览之一。显微镜是近代科学的标志仪器。1665年，伦敦大瘟疫暴发，胡克出版了《显微图谱》一书，他使用的显微镜可以把标本放大30多倍，此后，荷兰的列文虎克研制了独具风格的、可放大200多倍的单式显微镜。18世纪之后，显微镜逐渐流通到世界各地，满足了人们的好奇心，揭开了自然界隐藏的奥秘，极大地促进了现代科学的进步。显微镜也进入了大学的课堂、实验室和博物馆。该线上展览展示了哈佛大学与清华大学所使用、制造和收藏的众多类型的显微镜，从一个侧面折射了这两所世界著名大学在科学教育、科学研究以及历史收藏等方面的发展轨迹。两代哈佛人的显微镜本次展览展出了一套生产于1720年前后的威尔逊螺旋筒型和圆规型单式显微镜，开发这类仪器的初衷是为了满足人们对小型便携式仪器日益增长的需求。这套显微镜原属于哈佛大学第9任校长爱德华霍利奥克。他在任期间，加强了哈佛大学（当时还是哈佛学院）在数学和科学方面的学术课程，并进行了一系列的学术改革，将学术成就作为哈佛大学的录取标准。此外，他还建立了北美第一个物理学实验室。哈佛大学在他长达32年的任期内得到了蓬勃发展。1730年前后，英国科学仪器制造商、工匠埃德蒙卡尔佩珀设计和制造了一种安装在三角支架上的显微镜，此款显微镜很快成为18世纪上半叶最流行的复式显微镜，并且持续生产了大约一百年。此外，展览还展出了一台卡尔佩珀型显微镜，生产于18世纪50年代， 其所有者和使用者是爱德华奥古斯都霍利奥克。他是爱德华霍利奥克的儿子，1746年毕业于哈佛大学，后来投身医疗事业，成为美国治疗天花的先驱，为成百上千的人接种了天花疫苗。霍利奥克活了100岁，在他漫长而辉煌的职业生涯中，为人看病达25万次。他也是马萨诸塞州医学会和美国艺术与科学院的创始成员，并担任过美国艺术与科学院的主席。马克吐温与留美幼童展览还展出了美国著名作家马克吐温的一台单目复式显微镜。马克吐温1835年出生于美国密苏里州佛罗里达，他的原名是塞缪尔兰霍恩克莱门斯。马克吐温字面意思是指十二英尺水深，是当时密西西比河安全水上航行的最低深度。马克吐温因旅行叙事小说享誉国际，尤其是《傻子出国记》《苦行记》《密西西比河上的生活》，以及他关于童年的冒险故事，如《汤姆索亚历险记》和《哈克贝利费恩历险记》。1868年，马克吐温从巴法罗迁到康涅狄格州哈特福德。当时耶鲁大学毕业生、投身洋务运动的容闳也在四处奔走，倡议清廷实行留学计划，最终清政府在1872—1876年派遣4批共120名幼童赴美留学，他们主要住在哈特福德，所以马克吐温与这些幼童成为了邻居，有的幼童还与马克吐温的女儿成为同学，并一起跳过舞。马克吐温住在哈特福德时，把显微镜交给了他的秘书富兰克林惠特莫尔保管。惠特莫尔在马克吐温去世后，又将显微镜交给了他的孙子约翰富兰克林恩德斯。恩德斯于1922年获得哈佛大学博士学位，1939年，恩德斯把这台显微镜捐赠给哈佛大学。1954年，在波士顿儿童医院工作的恩德斯因“发现了脊髓灰质炎病毒在多种类型组织中培育生长的能力”，获得了当年的诺贝尔生理学或医学奖。这台显微镜在近80年的时间里，从与中国留美幼童交往过的一代文豪传至著名的科学家，最后回到哈佛大学，完成了一段传奇之旅。“新”“老”显微镜的接力20世纪50年代购自其他国家的显微镜工具，如苏联产的МИМ-7型显微镜和民主德国产的耶拿蔡司牌大型工具显微镜，也是展览展出的一部分。这些显微镜在清华大学“服役”超过50年，为机械、材料和精密仪器学科的科研教学发挥了重要作用。展览以新型冠状病毒SARS-CoV-2的三维结构高分辨率渲染图结尾，这是清华大学和浙江大学的研究人员在2020年利用高分辨冷冻电镜断层成像方法首次解析出的。遥想1665年伦敦暴发鼠疫时，列文虎克还未开始对显微镜的研究；而到2020年，新型冠状病毒感染疫情防控形势严峻，科学家则利用电子显微镜等现代科学仪器，迅速查明了病毒的真面目。从哈佛大学和清华大学所使用、制造和收藏的显微镜中，我们可以一瞥几百年来科技的迅猛发展，并且通过展览我们也能感受到，不同文明之间的交流互鉴、不同国家的沟通合作，会带来更大的希望与福祉。（作者系清华大学科学史系助理教授、“双校记：透过显微镜看哈佛与清华”展览策展人）

日前，“双校记：透过显微镜看哈佛与清华”线上展览正式开幕，该展览由清华大学科学史系、清华大学科学博物馆与哈佛大学科学史系、哈佛历史科学仪器收藏馆联合举办，是清华大学科学博物馆与国外著名大学博物馆合作举办的线上系列展览之一。显微镜是近代科学的标志仪器。1665年，伦敦大瘟疫暴发，胡克出版了《显微图谱》一书，他使用的显微镜可以把标本放大30多倍，此后，荷兰的列文虎克研制了独具风格的、可放大200多倍的单式显微镜。18世纪之后，显微镜逐渐流通到世界各地，满足了人们的好奇心，揭开了自然界隐藏的奥秘，极大地促进了现代科学的进步。显微镜也进入了大学的课堂、实验室和博物馆。该线上展览展示了哈佛大学与清华大学所使用、制造和收藏的众多类型的显微镜，从一个侧面折射了这两所世界著名大学在科学教育、科学研究以及历史收藏等方面的发展轨迹。两代哈佛人的显微镜本次展览展出了一套生产于1720年前后的威尔逊螺旋筒型和圆规型单式显微镜，开发这类仪器的初衷是为了满足人们对小型便携式仪器日益增长的需求。这套显微镜原属于哈佛大学第9任校长爱德华霍利奥克。他在任期间，加强了哈佛大学（当时还是哈佛学院）在数学和科学方面的学术课程，并进行了一系列的学术改革，将学术成就作为哈佛大学的录取标准。此外，他还建立了北美第一个物理学实验室。哈佛大学在他长达32年的任期内得到了蓬勃发展。1730年前后，英国科学仪器制造商、工匠埃德蒙卡尔佩珀设计和制造了一种安装在三角支架上的显微镜，此款显微镜很快成为18世纪上半叶最流行的复式显微镜，并且持续生产了大约一百年。此外，展览还展出了一台卡尔佩珀型显微镜，生产于18世纪50年代， 其所有者和使用者是爱德华奥古斯都霍利奥克。他是爱德华霍利奥克的儿子，1746年毕业于哈佛大学，后来投身医疗事业，成为美国治疗天花的先驱，为成百上千的人接种了天花疫苗。霍利奥克活了100岁，在他漫长而辉煌的职业生涯中，为人看病达25万次。他也是马萨诸塞州医学会和美国艺术与科学院的创始成员，并担任过美国艺术与科学院的主席。马克吐温与留美幼童展览还展出了美国著名作家马克吐温的一台单目复式显微镜。马克吐温1835年出生于美国密苏里州佛罗里达，他的原名是塞缪尔兰霍恩克莱门斯。马克吐温字面意思是指十二英尺水深，是当时密西西比河安全水上航行的最低深度。马克吐温因旅行叙事小说享誉国际，尤其是《傻子出国记》《苦行记》《密西西比河上的生活》，以及他关于童年的冒险故事，如《汤姆索亚历险记》和《哈克贝利费恩历险记》。1868年，马克吐温从巴法罗迁到康涅狄格州哈特福德。当时耶鲁大学毕业生、投身洋务运动的容闳也在四处奔走，倡议清廷实行留学计划，最终清政府在1872—1876年派遣4批共120名幼童赴美留学，他们主要住在哈特福德，所以马克吐温与这些幼童成为了邻居，有的幼童还与马克吐温的女儿成为同学，并一起跳过舞。马克吐温住在哈特福德时，把显微镜交给了他的秘书富兰克林惠特莫尔保管。惠特莫尔在马克吐温去世后，又将显微镜交给了他的孙子约翰富兰克林恩德斯。恩德斯于1922年获得哈佛大学博士学位，1939年，恩德斯把这台显微镜捐赠给哈佛大学。1954年，在波士顿儿童医院工作的恩德斯因“发现了脊髓灰质炎病毒在多种类型组织中培育生长的能力”，获得了当年的诺贝尔生理学或医学奖。这台显微镜在近80年的时间里，从与中国留美幼童交往过的一代文豪传至著名的科学家，最后回到哈佛大学，完成了一段传奇之旅。“新”“老”显微镜的接力20世纪50年代购自其他国家的显微镜工具，如苏联产的МИМ-7型显微镜和民主德国产的耶拿蔡司牌大型工具显微镜，也是展览展出的一部分。这些显微镜在清华大学“服役”超过50年，为机械、材料和精密仪器学科的科研教学发挥了重要作用。展览以新型冠状病毒SARS-CoV-2的三维结构高分辨率渲染图结尾，这是清华大学和浙江大学的研究人员在2020年利用高分辨冷冻电镜断层成像方法首次解析出的。遥想1665年伦敦暴发鼠疫时，列文虎克还未开始对显微镜的研究；而到2020年，新型冠状病毒感染疫情防控形势严峻，科学家则利用电子显微镜等现代科学仪器，迅速查明了病毒的真面目。从哈佛大学和清华大学所使用、制造和收藏的显微镜中，我们可以一瞥几百年来科技的迅猛发展，并且通过展览我们也能感受到，不同文明之间的交流互鉴、不同国家的沟通合作，会带来更大的希望与福祉。

据澳大利亚&ldquo 新快网&rdquo 9月11日报道，在10日晚间悉尼市政厅举行的一个仪式上，Garvan医学研究学院和澳大利亚国立大学的研究人员因为&ldquo 便携手机显微镜片&rdquo 这项科技发明而获得了Eureka大奖。 　　据报道，仅仅需要一个扁豆大小的镜片即可把你的智能手机升级为超高像素的显微镜，来进行高级别的医疗图像观察。所花费的成本还不足1分钱(约合人民币5分钱)，这些镜片有在发展中国家和边远地区为科学和医学革命的潜质。它们能够让传统的大块头显微镜更加便于携带。这也让需要使用显微镜的学校和学生们能够更加便宜地获得该功能。 　　工程师和物理学家Steve Lee来自澳国立大学，他因为将实验原料留在实验室一个晚上，而不经意间用聚合物制造了一滴水珠。他说：&ldquo 我本来打算将它扔掉，但更加仔细地看过以后，我认为这还可能有用，因为水珠的形状是非常完美的。&rdquo 　　镜片是因为让聚合物在重力的作用下形成液体水滴的自然形态而制成的。和隐形眼镜、隆胸填充物的材质相同，这种聚合物可以用于密封浴室，而聚合物本身还不易被破坏或者划伤。当被安装在智能手机或者平板电脑上时，搭配闪光灯，这些镜片可以放大160倍，看到4微米的东西。 　　Garvan研究院临床免疫学者Tri Phan说，在这个科技让设备更小更便携的时代里，将显微镜缩小化也是非常有意义的做法。 　　他说：&ldquo 传统上来讲，使用显微镜时你需要一个实验室和中心的位置。而这种便宜、有效的方式，可以制造出高质量、高效率的镜片。&rdquo

美国密歇根大学的研究人员近日发明出一种新型生物传感装置，利用该装置，无需显微镜即可测量出细菌的生长过程及药敏特征。研究结果发表在1月15日的《生物传感器与生物电子学》期刊上。 　　科学家将这种装置称为“异步磁珠转动(AMBR)传感器”，它采用了一种可以在磁场中异步旋转的磁性小珠，任何附着到这种磁珠的物质都会降低其转速。在这项研究中，研究人员将杆状大肠杆菌附着在磁珠上，然后用AMBR传感器进行检测。 　　“当单个细菌附着上去后……将极大地阻碍磁珠，使磁珠旋转速率减慢到原来的四分之一”，领导这项研究的Raoul Kopelman教授解释，“若细菌再长大一点点，阻碍力将持续增大，转速也将随之变化，因而我们可测量出细菌的这种纳米级生长变化”。 　　利用同样的原理，该装置也可用于检测细菌的药敏性。当细菌受到药物影响停止持续生长，进而使得磁珠转速发生变化，于是研究人员便能在数分钟内知道药物是否对细菌产生了作用。 　　“采用这种方法，我们可以检测到小至80纳米程度的细菌生长变化，远比一台光学显微镜管用——显微镜的解析度也就大约250纳米”，文章第一作者Paivo Kinnunen说，“这种方法可以应用到任何微米级或纳米级的大小变化检测中”。 　　研究人员表示，这种新型生物传感装置或将有助于加快细菌感染治疗。(科学网 张笑/编译) 　　相关仪器：IX71型倒置光学显微镜 异步磁珠转动传感器 　　完成人：拉乌尔科普曼课题组 　　实验室：美国密歇根大学化学系、生物医药工程系、化学工程系、病理学系、应用物理计划兰道实验室 密歇根大学卫生系统临床微生物学与病毒学实验室群

今年2月上旬，神舟十五号航天员乘组使用空间站双光子显微镜，开展在轨验证实验任务并取得成功。这是目前已知的世界首次在航天飞行过程中，使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮及真皮浅层的三维图像。　在南京脑观象台投入使用的微型化双光子显微镜成像系统。　　“第三次双光子显微镜测试顺利结束！”　　“无比完美！”　　“这一次的曲线如此丝滑！”　　……　　4月1日上午，中国科学院院士、北京大学未来技术学院教授程和平的微信对话框，被同事们发来的这些评论不断刷新。而在中国航天员科研训练中心内，掌声此起彼伏。让大家欢欣鼓舞的，是中国空间站再次传来的好消息。　　当日，神舟十五号航天员乘组，使用空间站双光子显微镜进行成像测试。他们用探头轻轻掠过脸部和前臂，一旁的电子屏幕上立即显示出皮肤结构及细胞的三维分布影像。　　这不是显微镜第一次在轨成像测试。今年2月上旬，神舟十五号航天员乘组使用空间站双光子显微镜，开展在轨验证实验任务并取得成功。这是目前已知的世界首次在航天飞行过程中，使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮及真皮浅层的三维图像。　　“如果能从这些图像中发现空间环境中人体变化规律，就更好了！”程和平捧着手机与记者分享这些科学图像时说。　　只有了解程和平团队十年来经历的艰难曲折，才能体会这些图像的来之不易。2013年，程和平带领团队开启微型化双光子显微镜研究时，“全世界都不看好”。　　历经10年，该团队完成了从科研仪器技术创新，到技术产品化，再到技术服务平台化的跃迁。他们将中国带到全球大脑成像研究的前沿，让微型化双光子显微镜在中国的高校院所、企业得到推广应用，为脑科学研究搭建起重要实验平台、提供了海量数据支持。　　程和平希望，用微型化双光子显微镜拓展人类对脑宇宙的认知疆域，为探索脑机接口原理、深化对大脑疾病机制的了解、推进药物研发开辟一片新天地。神舟十五号航天员乘组在轨使用空间站双光子显微镜（视频截图）　　一束光的启迪　　意识的生物学基础是什么，记忆是如何存储和恢复的……在世界各国的脑科学计划中，这些问题吸引着全球科学家们不断上下求索。　　在2021年国际权威学术期刊《科学》发布的125个最前沿的科学问题中，有22个问题与脑科学相关。　　双光子显微镜的出现，仿佛是照在生命科学研究领域的一束光。　　1992年，程和平用世界上第二台双光子显微镜，首次实现了心肌线粒体成像。　　“双光子显微镜，是用两个光子同时激发同一个荧光分子的光学成像技术。它具有天然的光学断层扫描效果，能看到的组织深度更深，成像的清晰度更高，像一个高性能的X光机。”程和平说，与单光子显微镜相比，双光子显微镜看得准、看得深、光损伤小。但传统的台式双光子显微镜非常笨重，足有房间那么大，所以只能观察头部固定的动物或者动物的脑切片。　　研究一款微型化双光子显微镜，观察自由行走的小动物脑袋中的一颗颗神经元的动态变化，成为程和平藏在心底的一个梦想。　　一个梦想的点燃，有时只需一个使命的召唤。　　2013年，国家自然科学基金委员会启动了国家重大科研仪器研制项目。程和平带队申请了“超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统”项目。　　那一年，美国启动“创新性神经技术推动的脑计划”，欧盟启动了旨在建立大型脑科学研究数据库和脑功能计算机模拟平台的“人脑计划”。　　而此前，我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中，已把“脑科学与认知”列入基础研究8个科学前沿问题之一。　　“中国科学家只有用自己研发的观测仪器，做出原创性的脑科学成果，国际科学界才会认可。我们希望研制一款成像仪，率先让中国科学家用起来。用国外的仪器做研究，都是在别人建设的四梁八柱上做文章。”程和平用使命必达的决心来筹备项目的启动。　　一场跨越山海的探索　　想实现双光子显微镜在自由活动的动物体上的高清成像，必须为它“瘦身”。　　然而，极大的技术难度，让团队一度面临质疑。程和平向科技日报记者坦言，7200万元的投入“相当于一吨百元大钞”，究竟能不能收获一个看得见的未来，大家当时心里很忐忑。“那时世界多国尝试微型化双光子显微镜的研制，但都没有实质性突破，尝试十几次都无疾而终。”他说。　　程和平所言非虚。2008年，瑞士有课题组公布了他们的微型双光子系统，仅重0.9克，并实现了大鼠在体钙成像信号。但其空间分辨率极低，也未实现真正的自由运动下的成像。　　2009年，德国有课题组展示了它们的微型双光子系统，其理论分辨率接近大型的双光子显微镜。但其探头较重，扫描速度很慢。　　程和平身后，有一支不同寻常的团队，团队中有人研究超快激光器，有人专攻高速电路，有人擅长图像处理，有人能做大数据分析……然而，研究起步阶段，团队中无人具备研制系统性科研设备的经验，技术路线也不确定。　　“怎么办？只有一点点地认真做。”程和平给团队立下军令状。　　在项目开始的前两年，大家争分夺秒地汲取多学科的营养。在北京大学分子医学研究所300平方米的大仪器联合实验室里，来自机械、光学、生物、电路等研究领域的师生汇聚在一起，交流切磋。每周六上午的集体学习，大家分享一周行业动态，介绍各自研究进展。同时，大量的国内外顶尖专家被邀请来作报告。　　引进来的同时，团队也频频走出去。仅2014年，他们就涉足美国、俄罗斯、澳大利亚、西班牙。每去一个地方，大家都会在当天晚上写好总结，发给团队共同学习。空间站双光子显微镜对航天员皮肤表层成像。　　一场持续十年的攻关　　2017年，团队终于迎来了振奋人心的进展。　　在如今北京大学膜生物学国家重点实验室设备研发平台内，一个只有拇指大小、重约2.2克的显微镜探头，被珍藏在实验室深处——这是团队于2017年成功研制的第一台微型化双光子显微镜的核心部件。　　这台显微镜可以实现高时空分辨微型化成像，能实时记录数十个神经元、上千个神经突触动态信号。这些突破性的进展，使其入选2017年中国科学十大进展。　　4年后，该团队推出微型化双光子显微镜的2.0版本，其成像视野扩大到初代显微镜的7.8倍，同时具备三维成像能力，获取了小鼠在自由运动行为中大脑三维区域内上千个神经元清晰稳定的动态功能图像。　　今年2月，团队又发布了他们研制的微型化三光子显微镜。该显微镜能直接透过大脑皮层和胼胝体，首次实现对自由行为中小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，神经元钙信号最大成像深度可达1.2毫米，血管成像深度可达1.4毫米。　　致广大而尽精微。10年，微型化双光子显微镜完成了从高清成像，向更广、更深成像的科研布局。然而，这在研制一款“大国重器”的探索之旅中，也许仅仅是开始。　　2016年，当第一代微型化双光子显微镜的研究即将“破土”时，一个声音再次在程和平脑海里回响，“如果投入‘一吨百元大钞’，只是交付3台显微镜，性价比太低了。应该先让中国科研院所、企业的实验室用起来，做出领先国际的研究，再向国际市场推广。”　　让程和平下定决心办公司的，还有3年来培养起来的一支团队。“国家投入这么大，让我们长了一身本事，项目结题后如果团队散了就太可惜了。”程和平说。　　办公司让研究成果产品化，成为程和平团队的共识。2016年，程和平团队创立了北京超维景生物科技有限公司（以下简称超维景）。　　一个新时代开启了。　　一场自立自强的产业突围　　当科学技术的光芒照进产业，不仅砥砺技术创新的成色，也可以点亮一片“暗夜”。要将高端精密科研仪器产品化，元器件的可靠性、稳定性必须过硬。　　微型物镜，是微型化双光子显微镜的关键核心零部件。团队核心成员、北京大学未来技术学院特聘副研究员吴润龙记得，最初做原理样机时，团队从国外一家公司进口微型物镜。　　但当团队进入显微镜产品化阶段后，对方的发展战略也发生变化。“对方要求我们购买他们合作伙伴的单光子显微镜系统，物镜不再单独售卖，而这个系统的价格要100多万元。代价太大，我们不能被‘卡脖子’。”吴润龙说，自此，团队开始自行设计高数值孔径的微型物镜，并联合国内企业加工，在超维景进行装配和测试。　　自胜者强。2018年，赵春竹到北京大学未来技术学院做博士后研究，为助力物镜的自主研发按下了快进键。　　“经过三代技术攻关，我们已经掌握了高端物镜的设计技术。但在自主设计、加工的基础上，还要形成高精度自主装配的流程和方法。微型物镜由多个镜片叠加而成，每片直径约3毫米，最初我们将所有的镜片一起装配完后，统一调试，但发现精度相差太大。后来，我们优化了装调工艺，每安装一片镜片，都用仪器检测光轴偏移量、焦距等参数。由于物镜直径太小，一开始，调整几微米的误差，都要耗时一两天。”赵春竹回忆，最艰难的时候，大家几乎绝望。但抱着不破楼兰终不还的信念，大家几微米几微米地死磕，想办法迭代技术，最终攻克了高端微型物镜装配技术。　　光纤是显微镜微型化的另一个瓶颈。团队成员、北大电子学院副教授王爱民设计了一款蜂窝状的空芯光子带隙光纤，让激光通过光纤传输到微型化探头的过程中，脉冲不发生畸变、能量几乎不损耗，以有效激发小动物体内的荧光分子。　　但让王爱民措手不及的是，设计方案有了，国内却没有厂家能生产这种光纤。“我们最初找了一家外国公司订制。但一年后，这家公司提出翻番的价格，每米光纤的价格接近万元，仅光纤的成本就增加了几百万元。”他回忆说，团队被“逼上梁山”，转而联袂上海光机所的一位青年学者一起摸索加工工艺，进行国产化。　　在北京大学未来技术学院教授陈良怡看来，科研仪器国产化过程中的突围，也将带动应用基础研究与产业发展“双向奔赴”。　　“我们的论文发表后，很多技术被公开了，但很多人做重复实验时无法再现，是因为加工中有很多细节问题难以解决，这些细节在学术论文中也难以呈现。”陈良怡说，如果想将这款显微镜尽快用起来，就要将科研成果产品化，带动产业的发展。而产品化的过程，也促使他们思考，如何用成像技术推动神经科学、脑科学乃至整个生命科学基础研究的发展。　　目前，超维景研制的微型化双光子显微镜已服务了150余家国内实验室，年平均销售额达5000万元。今年，公司还将拓展国际市场。　　一项世界首创的应用　　10年前项目启动时，程和平抱着“从幼儿园开始读一个博士学位”的心态，研制微型化双光子显微镜。　　时光浩荡向前，多年的厉兵秣马是否能支撑国家重大战略需求？团队将答卷写进宇宙苍穹。　　2019年，在中国载人航天工程办公室大力支持下，程和平团队、中国航天员科研训练中心李英贤团队、北京航空航天大学冯丽爽团队联合相关企业及院所，组建了空间站双光子显微镜项目团队，由程和平担任总负责人。　　“中国要发展载人航天、要研究生命科学，太空是一个难得的实验室。在失重环境下，人体细胞是如何完成新陈代谢的，大脑的神经元又将发生什么变化，都是很好的研究课题。双光子显微镜成像深度深，可以帮助我们逐层扫描、分析航天员的细胞结构和代谢成分信息。”程和平说。　　2022年9月，空间站双光子显微镜研制成功。当年11月12日，空间站双光子显微镜搭乘天舟五号货运飞船成功运抵中国空间站，成为世界首台进入太空的双光子显微镜。　　今年2月上旬的一天，空间站双光子显微镜终于开机。坐在中国航天员科研训练中心看到航天员操作画面传回，程和平松了一口气：“终于成功了。”　　消息传来，整个团队沸腾了。“这辈子能做这么一件事情，值了！”王爱民至今回忆起来仍激动不已。　　鲜为人知的是，为了达到航天应用的标准，显微镜经历了一次次蜕变。　　精密的显微镜，要能承受飞船发射时的剧烈振动，这要求它足够抗振。“最初，激光器的核心部件被振得粉碎。”北京大学未来技术学院助理研究员王俊杰记得，为了让显微镜“强健筋骨”，他们将激光器的核心部件设计为固态结构，以增强激光器的机械强度，同时在激光器外部增加了减震装置，相当于给其上了一层保险。　　超维景的团队也参与进来。超维景超快激光事业部经理陈燕川介绍，他们将激光器核心部件置于-40℃至80℃的温度下循环试验，使部件在短期内反复承受极端高低温变化应力以及极端温度交替突变的影响，以排查隐患。为了确保万无一失，团队还制作多组关键部件样品，进行加量级、破坏性的振动冲击试验，保证显微镜能满足航天发射环境各种极端条件的挑战。　　最终，团队实现了多项突破：首次在轨验证实验实现了世界上首次双光子显微镜在轨正常运行，国内首次实现飞秒激光器在轨正常运行，国际上首次在轨、在体观测航天员细胞结构和代谢成分信息。　　一个梦想的启航　　从突破理论研究瓶颈，到试水产业蓝海，再到支撑国家重大战略需求，程和平团队将科技创新的底色写在从技术创新到产业应用的跃迁中。如今，一个更宏大的构想正在渐次舒展。　　在南京江北新区，成立近4年的北大分子医学南京转化研究院（以下简称转化院），已搭建起高端脑成像的公共技术服务平台“南京脑观象台”。后者可以提供微型化双光子显微镜、超灵敏结构光超分辨显微镜及高速三维扫描荧光成像系统等设备，帮助科研团队获得从大脑突触、神经元集群、神经环路，再到全脑水平的全景式脑功能成像。　　科研团队的身后，还有一群人与他们并肩作战。　　几乎每天，实验员陈雪莉都要为小鼠注入观测所需的荧光蛋白，对小鼠进行行为训练。　　当她为小鼠戴上显微镜探头后，一旁的屏幕上会立即呈现出小鼠大脑的钙活动影像。　　“脑观象台有一支技术团队。对于遴选通过的研究项目，技术团队会与科研团队一起制订实验计划，为学者们制备、训练小鼠，采集小鼠的脑活动成像数据，再将小鼠的行为学数据和脑活动数据匹配，供科研人员分析小鼠在表现出某种行为时，大脑发生了什么变化。”转化院副院长赵婷解释，脑观象台希望将学者们从繁琐高难的实验技术细节中解放出来，加速从理论设想到实验发现的进程。　　凭借南京脑观象台成像技术的支持，科学家们已经开始收获惊喜、成果迭出：小鼠有喜新厌旧的行为，而孤独症小鼠却存在这一行为缺陷；清醒状态下小鼠癫痫发作时，神经元异常放电……　　赵婷介绍，如今，脑观象台已经服务了100多家单位的180余个课题组，开机时间累计超过2万小时。脑观象台与江北新区联合发起的两期“探索计划”，也已累计支持48项课题研究。　　十年春华秋实。一颗在未名湖畔种下的种子，如今正在千里之外的扬子江畔落地生根、开枝散叶，荫泽全国的脑科学、神经科学等领域的研究。　　40多年前，少年程和平曾在他的笔记本上写下带有科幻色彩的理想——“做一款思维记录器”。　　跨越万水千山，如今，理想照进现实，中国脑科学研究风华正茂。

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clamp)等技术的发明和有效使用，得以使科学家在亚微米空间尺度(单个神经突触连接)，亚毫秒时间尺度(单次神经冲动电位)对神经元的功能进行研究。而最令人激动人心的是，近几年来蓬勃发展的光学显微成像技术，给实验神经科学带来了很多前所未有的思路和成果。2008年钱永健等人由于荧光蛋白(GFP，绿色荧光蛋白)的发现和使用，获得了诺贝尔化学奖，是对荧光成像技术的一次巨大肯定和推动。光学成像本身具有高分辨率、高通量(高速)、非侵入、非毒性等特点，再与荧光蛋白以及荧光染料等标记物在细胞中的定位与表达技术相结合，使得科学家可以特异性的分辨生物体乃至细胞内部不同结构与成分，并且能够在生命体和细胞仍具有活性的状态下(活体状态)对其功能进行动态观察。这就使得荧光成像技术成为了无可替代的，生物学家现今最为重要的技术手段之一。而随着近些年来各种新型的显微技术的出现，共聚焦显微镜(confocal microscopy)，相干拉曼成像(CARS)，超分辨率显微技术(super-resolution microscopy)，光片显微技术(lightsheet microscopy)等使得荧光显微镜的分辨率，速度，成像深度等进一步提高。 /p p 　　对于荧光成像技术在神经科学中应用，离不开双光子荧光显微镜(Two-photon Microscopy，简称TPM)1。目前，大多数细胞生物学，生理学研究主要还是在离体培养的细胞体系中研究。然而与细胞生物学研究有所不同的是，大脑的功能研究的整体性和原位性显得更加关键：仅研究分离的神经元无法解释神经系统的功能和规律。换句话说，必须要求神经元处在其正常生存的大脑环境中才能使其正常运转。然而，大脑是一个高度复杂的器官。即使是小鼠的大脑皮层也有将近1mm的厚度，海马，丘脑等深脑区核团更是深达3-5mm2，而且并不透明，充满了数以亿计的神经元胞体和突触，此外还有丰富的血管，粘膜(脑膜)，最外层还有厚厚的颅骨和头皮包裹。使用包括共聚焦显微镜在内的传统的荧光显微镜，由于被观测的信号会受到样本组织的散射和吸收，根本无法穿透如此深的组织进行成像。而双光子显微镜的发明，则为此类研究带来了希望。双光子显微镜特有的非线性光学特性，再加上其工作波长处在红外区域等特点，令其在生物体组织内的穿透深度大大提高3，使得双光子显微镜成为神经科学家进行活体神经成像最理想的工具。神经动作电位(action potential)本身很难被光学信号捕获，但是动作电位产生的去极化会引起神经元Ca2+浓度的变化(钙内流现象)。科学家已经开发出多种Ca离子浓度的荧光探针，进而通过这种钙离子浓度的变化引起的荧光信号的变化来反映出神经活动。于是，双光子显微镜与在体的神经元Ca离子浓度指示剂标记技术相结合，碰撞出了耀眼的火花: 使得人们可以研究处于生理状态时的动物大脑内的神经元活动4。 /p p 　　大脑的最重要功能是对生物体的行为活动进行调控，而反过来，最能反应大脑工作状态的同样是生物体的行为活动。所以说，为了了解大脑，研究者不仅要求在体状态下对神经元进行高分辨率观测，而且也希望生物体在被观测的阶段里，能够进行正常的行为活动。所以，在成像技术不断地提高分辨率和速度等性能的同时，科学家们也在积极开改进和革这些成像技术手段，使其进行成像时尽可能小的限制被观测对象的行为活动，以求得到最接近生理状态下的数据。但是这一目标始终存在诸多的技术瓶颈: 以啮齿类动物(大鼠或小鼠)神经元的双光子钙成像为例。早些年由于动物身体运动产生的晃动剧烈，而当时双光子显微镜成像速度又很低，所以科学家只能在麻醉状态下对头部固定的动物进行成像。后来随着成像速度的提高，并且对开颅手术技术的很大改进，使得科学家可以在清醒状态下对动物的神经活动进行观察(仍然需要头部固定)。近些年来，随着基因改造技术的突飞猛进，通过病毒转染和转基因技术，在神经元内源性表达“基因编码类钙指示剂(genetically encoded calcium indicator, 简称GECI)”成为神经元钙成像的大趋势4。这种由神经元自身产生钙指示剂的方法与之前的钙染料技术相比有着巨大的优势: 信噪比提升了一个数量级 对神经元特异性好，可以区分不同的神经元类型 并且可以在大脑神经元内持续表达数月(病毒转染)甚至整个生命历程(转基因动物)。于是，大概10年前开始，科学家就开始利用双光子成像结合GECI技术对神经元的活动和结构变化进行长期的观测和追踪，从而对记忆的形成，神经元病变等问题有了更深入的认识。其中，现在性能最好，使用最为广泛的GECI为绿色荧光钙调蛋白Gcamp家族4。目前已经改进到第六代，Gcamp6f，Gcamp6f已经成为神经成像里最受欢迎的指示剂之一。目前科学家最流行的对小动物行为过程中大脑活动进行成像的方法，是将虚拟现实与双光子成像相结合，在动物头部被固定的情况下，在其眼前制造影像，让动物认为自己处在”真实“的环境之中5。通过小鼠四肢在类似跑步机或者鼠标滚球上的运动来模拟其真实活动。以求达到研究神经元在动物行为中所起到的作用(如图1)。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/e167bfbc-be4e-4b26-aa38-6f15b1fdca08.jpg" title=" 1.png" width=" 600" height=" 429" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 429px " / /p p style=" text-align: center " 图1 双光子成像结合虚拟现实场景，对头部固定，身体活动的动物进行研究。图片来自 sup 5 /sup /p p 　　然而，这种虚拟现实加头部固定成像的方法，已经遭到许多科学家的质疑。人们认为，头部固定的动物在实验期间一直处在物理约束和情绪压力下，因此无法证明神经元对外界的响应在虚拟现实和自由探索下是等价的。更重要的是，许多社会行为，比如亲子护理，交配和战斗，都不能用头部固定的实验来研究。如何在动物自由活动的时候，直接对其神经元进行成像，是神经科学家还未能得到解决终极的诉求。 /p p 　　一个理想的解决方案是开发微型荧光显微镜直接固定在自由活动的动物身上，让动物“带着显微镜跑”6。这种尝试大概从20年前开始。起初，科学家只是将一根或几根光纤插到小鼠头上，用以激光导入和荧光信号采集。然而，这种方式而只是记录某个区域内信号的总和，不具有空间分辨率，算不上真正意义上的成像。在最近的十几年里，由于光学，电子，材料技术的发展，人们开始尝试研制真正意义上的微型显微镜。其中，微型单光子宽场显微镜(miniature wide-field microscope)，由于其原理与结构相对简单，是目前人们主要尝试研制的微型显微镜技术。例如由Ghosh及其同事开发的显微镜，通过将小型LED光源，微型CCD和自聚焦透镜整合到一个小于25px3的框架之中，研制出了一个重量为1.9g的微型宽场显微镜。该技术被用于研究大脑海马区place cell等与记忆和本能相关的实验当中7。然而，宽场成像方式由于不能很好的对离焦区域的背景信号进行过滤，并且对光的散射敏感，所以其无法达到细胞分辨率。更难以对更精细的诸如树突，轴突，树突棘等结构进行观察。所以一直难以达到神经科学家满意。 /p p 　　于是，从大概15年前开始，世界上一些研究和开发双光子成像技术的研究组开始尝试将双光子显微镜这种在神经成像领域已经获得广泛应用的技术进行微型。然而，目前只有为数不多的几个课题组报道了他们在微型双光子显微镜研制方面的进展: 在2001年，Denk等的工作被认为是研制微型双光子显微镜的第一步8。然而，它仍然太过“巨大”(长7.5厘米，重25克)，而且成像速度很慢(2 Hz 128x128的尺寸下速度为2 Hz， 512x512的尺寸下为0.5 Hz，如图2a)。之后，其他一些课题组相继报道了不同的微型双光子系统。 Helmchen课题组在2008年报道了他们的微型双光子系统，仅重0.9克9。它实现了512X512幅面下的8 fps的成像速度速度，并展示了利用该系统实现的大鼠在体钙成像信号。然而，从展示的效果来看，其空间分辨率极低，而且并没有实现真正的自由运动下的成像(如图2b)。Mark Schnitzler课题组在2009年也发表了他们的微型双光子系统10。他们的系统首次使用了微机电扫描镜(MEMS)来进行扫描，并将Z聚焦模块集成在了探头之中(如图2c)。但是扫描频率仍然很低(400x135约为4Hz) 空间分辨率也远远达不到要求(横向1.29 μm，轴向10.3 μm)。这些方面限制了其在神经元细胞核亚细胞水平成像中的应用。 Kerr课题组在2009年展示了它们的系统11，跟之前的微型双光子显微镜相比较，由于应用了微型透镜组构成的微型物镜(NA达到了0.9)，这套系统的空间分辨率更高。然而，这套探头的重量也随之提高(5.5g)。此外，由于其仍然使用振动光纤的方式来进行扫描，所以其成像速度仍然比较慢。(对于64x64为10.9Hz，对于理论上的512x512为1.25Hz)(如图2d)。此外，还有一个之前所有的微型双光子系统都没有解决的问题。由于微型双光子显微镜一般需要利用光纤将飞秒激光导入到探头之中，而光纤由于存在诸如色散、截至模式、导通带宽等一系列限制，所以某一款光纤一般只允许一定带宽(一般为几十纳米)和特定中心波长的光传播。那就需要在制作微型显微镜的时候，结合使用的荧光指示剂所需要的激光波长对光纤进行选择。但是，目前商业化的，可以用来进行飞秒光传输的空心光子晶体光纤(hollow-core Photonic Crystal Fiber， HC-PCF)种类非常有限。例如，全球最大的光子晶体光纤生产商NKT公司仅提供中心波长为800nm，1030nm，1300nm和1550nm的HC-PCF。所有现有的微型双光子显微成像系统都是基于这几款光纤所限定的中心波长进行开发的。但是很遗憾的是，本文上述所提到的目前最广泛使用的GcamP指示剂需要920 nm的激光进行激发。所以先前的所有微型双光子都不能对Gcamp进行有效的成像。这限制了微型双光子显微镜的发展。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/4c1d7c1d-53eb-4a41-96d0-98ecb5ebda8d.jpg" title=" 2.png" / /p p style=" text-align: center " 图2 微型双光子发展史上的几个典型工作。a、b、c、d分别选自参考文献 sup 8、9、10 /sup 和 sup 11 /sup /p p 　　之所以这些早期的微型化双光子显微镜都无法得到真正的使用和推广，其原因在于，若要制造出具有实用价值的微型双光子显微镜，比研制单光子微型显微镜复杂和困难的多得多。微型双光子显微镜需要需要解决如下几个关键技术难题： /p p 　　1 如何将飞秒激光有效的导入微型显微镜 /p p 　　2 如何在微型显微镜内进行扫描/图像重建 /p p 　　3 如何在微型显微镜中进行高质量的激光汇聚，高效激发双光子信号。 /p p 　　4 如何有效的对荧光信号进行收集 /p p 　　5 如何使整个系统在动物剧烈运动时仍保持稳定 /p p 　　6 在满足前5项条件下，重量是否足够轻，以致尽量小地对动物的活动造成影响 /p p 　　本文作者所在的课题组，是由北京大学分子医学研究所、信息科学技术学院、动态成像中心、生命科学学院、工学院联合中国人民解放军军事医学科学院组成跨学科团队。我们在程和平院士的带领下，在国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制专项《超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统》的支持下，历经三年多的协同奋战，成功研制了新一代高速高分辨微型双光子荧光显微镜，并将其取名为FHIRM-TPM。原始论文于5月29日在线发表于自然杂志子刊Nature Methods (IF 25.3)12。在这项成果中，我们解决了上文所提及的早先微型化双光子显微镜研制中存在的问题，获取了小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/0418a0a6-f357-4e18-91b0-ef1c23d670bd.jpg" title=" 3.png" width=" 600" height=" 470" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 470px " / /p p style=" text-align: center " 图3 FIRM-TPM示意图，来自 sup 12 /sup /p p 　　新一代微型双光子荧光显微镜体积小，重仅2.2克，适于佩戴在小型动物头部，通过颅窗实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。在大型动物上，还可望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。相比单光子激发，双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势，所以成像质量远优于目前领域内主导的、美国脑科学计划核心团队所研发的微型化宽场显微镜。其横向分辨率达到0.65μm，与商品化大型台式双光子荧光显微镜可相媲美 采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术，成像帧频已达40Hz(256*256像素)，同时具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力。最为重要的是，FHIRM-TPM克服了先前限微型双光子显微镜应用的两个障碍。首先，我们定制设计的HC-PCF为 920纳米飞秒激光脉冲提供了无畸变传输，这种改进让有效的激发例如Thy1-GFP和GCaMP-6f等常用荧光指示剂成为可能。第二，由于双光子点扫描显微镜的高空间分辨率和层切能力，安装到动物头上的微型双光子显微镜非常容易受到运动伪影的影响。为了解决这个问题，我们对整个系统进行了充分的优化：(a)使用柔软的新型光纤束SFB来使得动物运动引起的扭矩和拉拽力最小化，并不降低光子收集效率 (b)采用独立的可旋转连接器来连接光学探头上的光纤和电线，以使动物在自由探索期间线的扭曲和缠绕最小化 (c)使用高速成像以减少运动引起的帧内模糊。此外，我们在实验之前预先训练动物适应安装在其头骨上的微型显微镜，并滴加1.5%低熔点琼脂糖使其充满物镜和脑组织之间，这些措施都显著降低了探头与大脑之间的相对运动，进而改善了实验短期和长期的稳定性，于是实现了在动物进行包含大量身体和头部运动的行为学试验中中进行高分辨率成像。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/0d8849db-62d7-4fdd-b7e0-4e572b3a1b03.jpg" title=" 4.png" width=" 600" height=" 437" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 437px " / /p p style=" text-align: center " 图4 FIRM-TPM实物图，来自 sup 12 /sup /p p 　　树突棘活动是神经元信息处理的基本事件，利用台式双光子显微镜在头固定的动物上的研究表明单个神经细胞的不同树突棘可以被不同朝向的视觉刺激或不同强度频率的声音刺激所激活。FHIRM-TPM实现了与传统的大型的台式双光子显微镜相同的分辨率和光学层切能力。与微型宽场显微镜相比，FIRM-TPM的高空间分辨率，固有的光学切片能力和组织穿透能力以及相当的机械稳定性都是极有优势的。所以虽然通过微型宽场显微镜可以获得数百个神经元在细胞水平上的活动，但是我们的 FHIRM-TPM无疑提供了一个更加强大的工具，即在自由活动的动物中对更加基本的神经编码单位——树突棘的时空特性进行观测。它能够在对小鼠依次进行的行为学试验(例如悬尾，跳台，以及社交行为)的过程中长时间观察位大脑中的神经元胞体、树突和树突棘的活动。这些功能的展示充分证明了FHIRM-TPM具有良好的性能和稳定性。未来，与光遗传学技术的结合，可望在结构与功能成像的同时，精准地操控神经元和大脑神经回路的活动。微型双光子荧光显微镜整机性能十分稳定，可用于在动物觅食、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下，或者在学习前、学习中和学习后，长时程观察神经突触、神经元、神经网络、远程连接的脑区等多尺度、多层次动态变化。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/90a13003-d9fd-404d-8df3-64926f598012.jpg" title=" 5.png" width=" 600" height=" 283" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 283px " / /p p style=" text-align: center " 图5 三种模式在结构学成像中的成像质量对比，来自 sup 12 /sup /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/44bc19d8-0a51-4583-8784-2f9240ac1cdd.jpg" title=" 6.png" / /p p style=" text-align: center " 图6 FHIRM-TPM在三种不同的行为学范例对小鼠大脑皮层神经元活动进行成像，来自 sup 12 /sup /p p 　　从2001年Denk发表第一篇微型双光子显微镜的原型机以来，微型双光子显微镜的发展已经走过了15年的时间。15年的发展历程，微型双光子显微镜从最开始的25克笨重的身躯，只能在分离的组织中进行验证性的实验8到如今重量仅两点几克重，可以对自由活动的小鼠神经元进行树突棘级别的成像，可以说取得了一定的进步。然而，在看到这个领域取得的成就的同时，也应看到，至今为止，微型双光子显微镜还未像共聚焦显微镜或者是荧光光片显微镜一样被生物学家广泛认可和应用。而后者(光片显微镜)的发展时间更短(2008年Science的一篇文献一般被认为是现代荧光光片显微镜镜的开端13)。究其原因，除了技术本身的限制以外，整个研究领域的气氛和投入，也是重要的影响因素之一。 /p p 　　纵观这15年来微型双光子显微镜的发展道路，开疆拓土者有之 改革创新者有之 另辟蹊径者有之 浑水摸鱼、指鹿为马者亦有之。然而遗憾的是，愿意心无旁骛、全情投入者鲜有之 有意愿和能力建立为这个研究的领域建立范式者亦鲜有之。而中国，在不久前在这个领域基本上属于完全的空白。更不要说什么领先世界。 /p p 　　然而令人十分兴奋的是，中国国家基金委国家重大科研仪器设备研制专项在2014年正式将“超高时空分辨微型双光子在体显微成像系统”立项。以5年七千两百万人民币的研究经费对这一项“世界上做的还并不怎么好，中国基本没人做过”的技术进行攻关研发。这样的大力投入无疑为这一领域注入了新鲜血液和十足动力。而我也有幸在博士五年期间全程参与了这个项目的工作。从2012年来到该项目首席负责人程和平院士和陈良怡研究员的联合课题组至今，我见证了这个项目从无到有，团队从幼小稚嫩到壮大成熟的整个过程。如今，我们有了初步的成果，不仅让我们这样一支完全由中国本国科研工作者建立的团队在世界上处在了较为领先的位置，同时也把这个领域向前推动了一些，我感到无比激动和自豪。 /p p 　　该成果在2016年底美国神经科学年会、2017年5月冷泉港亚洲脑科学专题会议上报告后，得到包括多位诺贝尔奖获得者在内的国内外神经科学家的高度赞誉。冷泉港亚洲脑科学专题会议主席、美国著名神经科学家加州大学洛杉矶分校的Alcino J Silva教授在评述中写道，“从任何一个标准来看，这款显微镜都代表了一项重大技术发明，必将改变我们在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式。它所开启的大门，甚至超越了神经元和树突成像。系统神经生物学正在进入一个新的时代，即通过对细胞群体中可辨识的细胞和亚细胞结构的复杂生物学事件进行成像观测，从而更加深刻地理解进化所造就的大脑环路实现复杂行为的核心工程学原理。毫无疑问，这项非凡的发明让我们向着这一目标迈进了一步。” /p p 　　1. Denk, W., Strickler, J. & amp Webb, W.Two-photon laser scanning fluorescence microscopy. Science248, 73-76(1990). /p p 　　2. Gewin, V. A goldenage of brain exploration. PLoS Biol3, e24 (2005). /p p 　　3. Zipfel, W.R.,Williams, R.M. & amp Webb, W.W. Nonlinear magic: multiphoton microscopy in thebiosciences.Nat Biotechnol21, 1369-1377 (2003). /p p 　　4. Chen, T.W. et al.Ultrasensitive fluorescent proteins for imaging neuronal activity. Nature499, 295-300 (2013). /p p 　　5. Minderer, M.,Harvey, C.D., Donato, F. & amp Moser, E.I. Neuroscience: Virtual realityexplored. Nature533, 324-325 (2016). /p p 　　6. Hamel, E.J., Grewe,B.F., Parker, J.G. & amp Schnitzer, M.J. Cellular level brain imaging inbehaving mammals: an engineering approach. Neuron86, 140-159 (2015). /p p 　　7. Ghosh, K.K. et al.Miniaturized integration of a fluorescence microscope. Nat Methods8, 871-878(2011). /p p 　　8. Helmchen, F., Fee,M.S., Tank, D.W. & amp Denk, W. A Miniature Head-Mounted Two-Photon Microscope.Neuron31, 903-912 (2001). /p p 　　9. Engelbrecht, C.J.,Johnston, R.S., Seibel, E.J. & amp Helmchen, F. Ultra-compact fiber-optictwo-photon microscope for functional fluorescence imaging in vivo. Optics Express16, 5556 (2008). /p p 　　10. Piyawattanametha, W.et al. In vivo brain imaging using a portable 2.9 g two-photon microscope basedon a microelectromechanical systems scanning mirror. Optics Letters34, 2309(2009). /p p 　　11. Sawinski, J. et al.Visually evoked activity in cortical cells imaged in freely moving animals. Proceedings of the National Academy ofSciences106, 19557-19562(2009). /p p 　　12. Zong, W. et al. Fasthigh-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freelybehaving mice. Nat Methods (2017). /p p 　　13. Keller, P.J.,Schmidt, A.D., Wittbrodt, J. & amp Stelzer, E.H. Reconstruction of zebrafishearly embryonic development by scanned light sheet microscopy. Science322, 1065-1069 (2008). /p

|作者：彭金波1,2,† 江颖3,4,††(1 上海交通大学 李政道研究所 )(2 上海交通大学物理与天文学院 )(3 北京大学物理学院 量子材料科学中心 )(4 北京大学轻元素先进材料研究中心 )本文选自《物理》2023年第3期摘要：扫描探针显微镜主要包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜，其利用尖锐的针尖逐点扫描样品，可在原子和分子尺度上获取表面的形貌和丰富的物性，改变了人们对物质的研究范式和基础认知。近年来，qPlus型高品质因子力传感器的出现将扫描探针显微镜的分辨率和灵敏度推向了一个新的水平，为化学结构、电荷态、电子态、自旋态等多自由度的精密探测和操控提供了前所未有的机会。文章首先简要介绍原子力显微镜的发展历史和基本工作原理，然后重点描述qPlus型原子力显微镜技术的优势及其在单原子、单分子和低维材料体系中的应用，最后展望该技术的未来发展趋势和潜在应用。关键词：扫描探针显微镜，原子力显微镜，qPlus力传感器，高分辨成像，原子分辨01原子力显微镜的诞生显微镜是人类认识微观世界的最重要工具之一。光学显微镜的诞生让人们第一次看到了细菌、细胞等用肉眼无法看到的微小物体，从而打开了崭新的世界。然而，由于光学衍射极限的限制，光学显微镜的空间分辨率一般局限于可见光波长的一半左右(约300 nm)，很难用于分辨纳米尺度下更细微的结构，更无法用于观察物质最基本的原子结构排布。要想进一步提高探测的空间分辨率，一种途径是减小探测波的波长，比如扫描电子显微镜就是利用波长更短的电子波来进行成像。另一种途径是采取近场的局域探测，比如近场光学显微镜及其他基于局域相互作用探测的扫描探针显微镜。可以想象，要想获得更高的空间分辨率，就需要对样品的探测更加局域，即“探针”尖端足够尖，最好只有探针和样品最接近的几个原子能够发生相互作用，“感受”到彼此。这种相互作用可以是电子波函数的交叠或者原子作用力等。1981年，Binnig和Rohrer发明了扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，STM)，STM是基于探测针尖和样品之间的隧道电流来进行空间成像的工具。由于隧道电流正比于针尖尖端几个原子与衬底原子的电子波函数的交叠，对针尖与样品之间的距离非常敏感，因此可以获得原子级的空间分辨率。STM的发明，使得人们可以在实空间直接观察固体表面的原子结构，因此荣获1986年的诺贝尔物理学奖[1]。然而，STM依赖于隧道电流的探测，无法用于扫描绝缘样品，因此使用范围受到了极大的限制。有趣的是，在早期的STM实验中，研究人员发现当针尖和样品比较近而出现隧道电流时，会同时产生较强的相互作用力。Binnig意识到通过测量针尖与样品原子之间的相互作用力也可用来对样品表面成像。1986年，他提出了基于探测针尖和样品之间原子作用力的新型显微镜——原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)[2]，并随后与Quate和Gerber搭建出了第一套可以工作的AFM[3]。三人于2016年获得了Kavli纳米科学奖。AFM是基于针尖与样品之间原子作用力的探测，不需要样品具有导电性，因而可以用于研究包括金属、半导体、绝缘体等多种材料体系，大大弥补了STM的研究局限。此外，AFM还可以在大气和液体环境中工作，具有很好的工况条件和生物体系兼容性。这些优势使得AFM成为纳米科学领域使用最广泛的成像工具之一。然而，AFM并不像STM那样在发明之初就获得了原子级分辨率，而是直到5年之后(1991年)，惰性固体表面的原子分辨成像才得以实现[4，5]。近年来，由于qPlus力传感器的引入，AFM的空间分辨能力得到了极大的提升。通过针尖修饰，人们可以更加容易地获得原子级成像，甚至实现氢原子和化学键的超高分辨成像。接下来，本文将简要介绍常见AFM的基本工作原理，然后着重介绍基于qPlus力传感器的AFM(简称qPlus-AFM)及其在各种体系中的应用，最后展望qPlus-AFM在物理和其他领域的潜在应用和面临的挑战。02常规AFM的原理和工作模式介绍2.1 AFM工作的基本原理目前使用最为广泛的是激光反射式AFM，其典型的结构示意图如图1(a)所示[6]。最核心的部分是力传感器，它一般是一个由微加工技术制备的可以振动的悬臂(常用的材料是硅或者氮化硅)，悬臂的末端有一个与悬臂梁一体的尖锐针尖，悬臂的背面镀有一层金属以达到镜面反射。当一束激光照射到悬臂上，光斑被反射到一个对光斑位置非常敏感的光电探测器上。当针尖扫描样品表面时，由于针尖与样品之间存在相互作用力，悬臂将随样品表面形貌的起伏而产生不同程度的弯曲形变，因而反射光斑的位置也会发生变化。通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。图1 AFM工作的基本原理[6] (a)典型激光反射式AFM的结构示意图；(b)超高真空下针尖与样品的相互作用力Fts及各成分力与针尖—样品距离z的关系2.2 原子力的分类在超高真空环境中，针尖与样品之间的相互作用力(Fts)与针尖—样品距离z之间典型的关系曲线如图1(b)所示。Fts大致可以分为长程力和短程力，长程力通常包括范德瓦耳斯力和静电力等，其衰减长度一般为几纳米或者几十纳米。短程力主要包括来自针尖和样品之间形成化学键的作用力和由于针尖—样品电子云交叠产生的泡利排斥力，其衰减长度一般约为0.1 nm左右。长程力对距离不敏感，很难分辨较小的表面起伏，要想获得较高的空间分辨率，需要让短程力的贡献占主导。在特殊的环境下，针尖和样品之间的相互作用力还包括机械接触力、毛细力、磁场力、卡西米尔力、水合力等。2.3 AFM的主要工作模式AFM有多种工作模式，通常分为静态模式和动态模式，后者包括非接触模式和轻敲模式两种(图2(a))。在静态模式下，针尖以拖拽的形式在样品表面扫描并记录表面的形貌起伏变化，因此也叫接触模式。悬臂的形变量为q=Fts/k (k为悬臂的劲度系数)，为了提高力探测的灵敏度，一般使用较软(k较小)的悬臂。为了避免较大的吸引力引起针尖发生“突跳”现象，静态模式主要工作在短程的排斥力区间(图2(b))，因此空间分辨率较高。但这种模式下针尖和样品之间的相互作用力较大，容易对较软的样品产生破坏。图2 AFM的工作模式[6] (a)接触模式、非接触模式和轻敲模式的示意图；(b)不同模式的大致工作范围(区分并不严格)；(c)悬臂在频率调制和振幅调制模式下的共振曲线。人们也经常把振幅调制模式称为轻敲模式，把频率调制模式称为非接触模式在动态模式下，悬臂被压电陶瓷励振器驱动以共振频率振动，当振幅A足够大使得回复力k∙Amax(Fts)时可以避免“突跳”现象的发生。动态模式有轻敲模式和非接触模式两种。轻敲模式类似于盲人使用手杖行走，其振幅比较大，一般从几纳米到一百多纳米，主要的力的贡献来源于针尖距离样品很近甚至接触的时候。这种模式对样品的损坏小，适用于不同的材料，是目前AFM使用最为广泛的模式。但是这种模式由于包含较多的长程力贡献，因此一般较难获得原子级分辨。此外，由于轻敲模式下振幅较大，测量振幅变化的信噪比较高，这种模式一般使用幅度调制(amplitude modulated，AM)，即以固定频率和振幅的激励信号来驱使悬臂振动，针尖和样品的作用力会引起悬臂振幅(及相对于激励信号的相位)的变化，将测量的振幅(或相位)的变化作为反馈信号可以获取样品表面的形貌信息(图2(c))。非接触模式的振幅一般是几纳米或埃的量级，针尖在振动过程中不会接触样品，因此可以避免对样品的扰动或者破坏。非接触式AFM除了可以使用AM模式外，还能以频率调制(frequency modulated，FM)模式工作。这其实与收音机的AM和FM模式原理类似，只是工作的频段不同。在FM模式下，悬臂保持相位和振幅不变，针尖和样品的作用力引起悬臂振动频率的变化，测量振动频率的变化可以得到样品表面形貌的信息(图2(c))。AM和FM模式下悬臂的共振频率变化的响应时间[7，8]分别约为τAM=Q/(πf0)，τFM=1/(2πf0)，其中Q是悬臂的品质因子，f0为悬臂的本征振动频率。由此可见，AM模式的响应时间会随Q因子的增加而线性变大，而FM模式的响应时间不受Q因子的影响。在超高真空低温环境中，悬臂的Q因子会比大气环境下增加几十倍，这使得AFM对力的敏感度及信噪比会有很大提升，但也会使得AM模式下AFM的响应时间大幅延长，导致扫描成像需要很长的时间。因此，AM模式(轻敲模式)主要被用于大气或者液体环境中。Q因子的增加对FM模式下AFM的响应时间没有影响，所以FM模式是超高真空环境下被广泛使用的工作模式，即保持高Q因子的同时还能保证较高的扫描速度。2.4 影响频率调制AFM噪音大小的因素在FM模式下，AFM直接探测的信号是针尖—样品相互作用力引起的悬臂频率偏移∆f，利用公式[9]可进一步转化为相互作用力Fts。频率偏移对应的相对噪音，因此可以用δkts的形式来表示FM模式下AFM测量中4种主要的噪音来源，分别为[10]热噪音：力传感器信号探测的噪音：AFM悬臂振荡的噪音：漂移噪音：其中kB为玻尔兹曼常数，T是温度，B是与扫描速度对应的带宽，nq是悬臂偏转信号探测的噪音密度，r 是频率的漂移速率，N是扫描图像的像素数。由上述式子可知，k越小，4种噪音都更小，因此在满足k∙Amax(Fts)的前提下，选择的k越小越好；Q越大，会使得第一和第三种噪音更小，但过大的Q会使得悬臂在FM模式下的稳定起振难以维持；振幅A越大，前三种噪音都更小，但A太大会引起短程力贡献大幅减小的问题(见下节)。03基于qPlus力传感器的非接触式AFM3.1 振幅对非接触式AFM分辨率的影响在FM模式下，AFM探测的频率偏移∆f，可以转化为权重函数w(z,A)和针尖—样品相互作用力的梯度的卷积[11]。如图3所示，w(z,A)是与振幅A和距离z相关的半椭圆，kts是力Fts与z曲线的梯度，也呈现为勺子形，只是最低点对应的距离z有所不同。可见，当振幅较大时，长程力对频率偏移的贡献占主导；随着振幅减小，短程力的贡献变大。当振幅与短程力的衰减长度(亚埃级)接近时，更容易得到原子级分辨率[10]。图3 长程力和短程力的贡献与AFM悬臂振幅A的关系[11]3.2 qPlus力传感器的发明传统AFM力传感器一般采用微加工制备的硅或者氮化硅悬臂，其劲度系数较小(约1 N/m)，力的探测灵敏度高。为了能探测短程力从而实现高空间分辨，往往需要让针尖靠近表面，从而导致“突跳”的发生。为了避免“突跳”引起的针尖损坏，需要悬臂在较大的振幅下工作。然而，大的振幅会使长程力的贡献增加，引起AFM的空间分辨率大大降低。图4 石英音叉和qPlus力传感器实物图 (a)，(b)手表中拆出来的石英音叉[12]；(c)第一代qPlus力传感器的实物图(图片来自德国雷根斯堡大学Giessibl课题组)[13]；(d)第四代qPlus力传感器的实物图(图片来自北京大学江颖课题组)[6]要想克服上述矛盾，实现在小振幅下工作的同时而不引起“突跳”的发生，则需要使用劲度系数k较大的悬臂。石英音叉是被广泛用于手表中的计时元件(图4(a)，(b))[12]，劲度系数高，可产生极高精度的振荡频率(一般为32—200 kHz)，且具有很高的Q因子。此外，其悬臂的形变可以利用石英的压电效应以电学的方式来直接探测，不需要激光系统，更容易兼容低温环境。早期，人们一般是在石英音叉的一个悬臂上粘上针尖来作为力传感器使用。然而，两个悬臂(相当于两个耦合的谐振子)由于质量和受力的不对称性导致Q因子大幅度降低，严重降低了AFM的信噪比。1996年，Giessibl将音叉的一个悬臂固定在质量很大的基底上，而在另一个自由的悬臂上粘上针尖以作为AFM力传感器，这样把两个耦合的谐振子变成单个独立的谐振子，可以保持较高的Q因子，且Q因子几乎不受针尖—样品相互作用力的影响。因此，这种力传感器被称为qPlus力传感器[13](图4(c))。目前，qPlus力传感器已经经过了四代的升级和改进，最新的版本是直接设计单个石英悬臂作为力传感器(图4(d))。表1 微加工硅悬臂力传感器与qPlus力传感器典型参数的对比[6]典型的qPlus力传感器与广泛使用的微加工硅悬臂力传感器的主要参数对比见表1。可以看到，qPlus力传感器悬臂的劲度系数高得多(一般约1800 N/m)，因此其力灵敏度一般情况下低于硅悬臂。然而，qPlus力传感器可以在非接触模式下，以极小的振幅(约100 pm)近距离扫描样品，而不会出现“突跳”现象。由于qPlus-AFM的振幅可以与短程力的衰减长度接近，因此短程力的贡献非常大，更加容易获得超高的空间分辨率。最近，田野等通过优化设计qPlus力传感器，将Q因子提升到140000以上，最小振幅小于10 pm，最小探测力小于2 pN，从而将qPlus力传感器的性能推向了一个新的水平[14]。此外，使用导电针尖，并通过单独的导线把经过针尖的电流提取出来，可以很容易地将qPlus-AFM与STM集成在一起，以同时发挥STM和AFM的功能。关于qPlus-AFM更为系统的介绍见综述[10，11]。3.3 获得超高空间分辨率的关键如前所述，针尖与样品间的相互作用越局域，空间分辨率越高。换言之，要想获得超高的空间分辨率，需要减小长程力的贡献，凸显短程力的贡献。要实现这一点，有两点非常关键：一是使用与短程力衰减长度接近的亚埃级的小振幅工作(详见3.1节)；二是让针尖更加尖锐，减少长程的范德瓦耳斯力的贡献。对于AFM成像来说，针尖末端几纳米的部分尤其是针尖末端的几个原子扮演着最重要的角色。为了让针尖末端更尖锐，常用办法是让金属针尖轻戳金属衬底或对针尖进行原子或者分子修饰，使得短程的泡利排斥力、化学键力或者高阶静电力占主导。3.3.1 短程的泡利排斥力当针尖与样品的距离足够近时，二者的电子云会发生交叠，产生很强的短程泡利排斥力。大部分时候，泡利排斥力是对固体及分子体系成像获得原子级分辨率的关键。2009年，Gross等[15]发现对针尖修饰一氧化碳(CO)分子后，可以实现对单个并五苯分子的化学键和结构(图5(a))的超高分辨成像(图5(c))，其分辨率已经超过了STM图像(图5(b))。这种超高空间分辨率的成像主要起源于CO针尖“尖锐”的p轨道与并五苯分子之间电子云交叠所导致的短程泡利排斥力。这种针尖修饰方法简单易行，成像分辨率高，使得qPlus-AFM成像技术迅速获得了广泛的应用。除了CO分子修饰外，人们还可以对针尖修饰其他种类的原子或者分子，以提高空间分辨率或者实现其他特定功能，例如Cl离子[16]和Xe分子[17]修饰的针尖以及CuO针尖[18]等。图5 基于泡利排斥力的单分子化学键成像[15] (a)并五苯分子的结构图；用 CO 分子修饰的针尖得到的 STM 图(b)和AFM图(c)3.3.2 短程的化学键力当针尖和衬底的化学活性都较强时，在近距离扫描过程中，二者可以形成局域的化学键，基于这种短程的化学键力，也可以获得超高的空间分辨率。典型的例子是半导体表面的AFM高分辨成像。例如，Giessibl等[19]发现在用AFM扫描Si(111)-(7×7)样品时，针尖会从样品上吸起一些Si团簇而被修饰，因此在扫描时容易与样品表面带悬挂键的Si原子形成共价键，而得到原子级分辨率。然而，这种成像方式对表面结构扰动较大，不适用于弱键和分子体系。3.3.3 短程的静电力通常所说的静电力主要来源于低阶静电力，比如点电荷与点电荷或者电偶极之间的静电力，其大小分别正比于r -2和r -3(r是二者作用的距离)，是较长程的相互作用力，因此空间分辨率较低。而在某些特殊的情况下，高阶静电力的贡献会起主要作用，而且是更加短程的，因此会导致分辨率的显著提升。一个典型的例子是对离子晶体(如NaCl，MgO，Cu2N等)的原子分辨成像。离子晶体表面周期性的正负电荷排布产生指数衰减的短程静电势分布[20]，针尖与离子晶体表面的短程静电力作用可以得到原子级分辨的成像[21]。图6 基于高阶静电力的水分子高分辨成像 (a)CO针尖示意图(上)及DFT计算得到的CO针尖的电荷分布(下)，呈现出明显的电四极矩特征[16]；(b)水四聚体的原子结构图(上)和AFM图(下)[16]。白色箭头和弧线分别指示水分子中氧原子和氢原子的位置；(c)Au(111)上双层二维冰的原子构型(上)和AFM图像(下)，其中可以分辨平躺(蓝色箭头)和直立(黑色箭头)的水分子[23]；(d)Au(111)表面由Zundel类型水合氢离子(黑色箭头)自组装形成的单层结构图(上)和AFM图像(下)[14]另一个例子是利用CO针尖对强极性分子的高分辨成像。彭金波等[16]利用CO修饰的针尖(图6(a)上图)扫描水分子四聚体时，发现即使在针尖距离较远时也能获得亚分子级的分辨率(图6(b))，且图像的形貌与水分子四聚体的静电势分布极其接近，从中可识别水分子OH键的取向。通过理论计算得知，CO修饰的针尖具有电四极矩(图6(a)下图)，与水分子电偶极之间存在高阶静电力相互作用，这是一种更为短程的静电力(正比于r -6)，因此能够在未进入泡利排斥区域时获得超高空间分辨。这种基于微弱的高阶静电力的成像技术可以区分水分子中氢、氧原子的位置和氢键的取向并且扰动极小。近年来，这个技术已被成功应用于亚稳态水分子团簇[16]、盐离子水合物[22]、二维冰[23](图6(c))及单层水中的水合氢离子[14]的非侵扰高分辨成像(图6(d))，将水科学的研究推向了原子尺度。04超高分辨qPlus-AFM的应用相对于传统的AFM，qPlus-AFM可以很方便地与STM集成在一起，并兼容超高真空和低温环境，而且可获得原子级甚至单个化学键级的超高空间分辨率。这些优势使得qPlus-AFM获得了广泛的应用，大大促进了表面科学和低维材料研究领域的快速发展。下面我们简要介绍qPlus-AFM在高分辨结构成像、电荷态和电子的测量、原子力的测量和操纵等方面的应用和最新进展。4.1 高分辨结构成像qPlus-AFM在高分辨结构成像方面得到了最为广泛的应用。Gross等[15]通过对AFM针尖进行CO修饰，首次实现对有机分子的化学结构的直接测量(图5)，触发了一系列后续研究，包括：分子之间的氢键相互作用[24]、分子化学键键序[25]、铁原子团簇[26]、化学反应产物识别[27]等。近年来，人们通过控制有机分子前驱体的表面化学反应可以精确制备低维纳米材料，如石墨烯、石墨烯纳米带等。STM虽然被广泛用于表征其电子态，但是难以直接确定其原子结构、局域缺陷和边界构型等。qPlus-AFM对原子结构的敏感及超高的空间分辨率，可以很好地解决这些问题。例如，Gröning等[28]利用扫描隧道谱成像观测到了石墨烯纳米带末端的拓扑末端态(图7(a)右)，并通过AFM成像确定了拓扑非平庸的石墨烯纳米带的原子构型(图7(a)左)。图7 qPlus-AFM在低维材料高分辨成像中的典型应用 (a)表面合成的石墨烯纳米带的AFM图(左)和0.25 V偏压下的dI /dV 图(右)[28]，四角较亮部分指示拓扑边缘态；(b)利用磁性针尖得到的绝缘反铁磁NiO表面的AFM图像(左)及沿[100]方向相邻两个Ni原子不同自旋取向对应的高度轮廓线(右)[34]此外，qPlus-AFM开始被用于绝缘体表面原子结构的高分辨成像，如KBr[29]，CaF2[30erif font-size:14px "[51] Schirhagl R，Chang K，Loretz M et al. Annu. Rev. Phys. Chem.，2014，65：83

在切除恶性脑肿瘤时，医生既不想留下任何癌细胞，又要保护健康脑组织，将对神经的伤害尽可能降到最低。然而一旦打开了病人颅骨，就没时间在笨重的显微镜下对组织样本进行病理分析。据美国华盛顿大学最新消息，该校工程师与斯坦福大学纪念斯隆凯特琳癌症中心、巴罗神经学研究所合作，开发出一种手持式微型显微镜，让医生在手术时也能看到细胞水平，帮他们决定该在哪里果断下刀，在哪里刀下留情。 新的手持显微镜比钢笔略大一点，用了一种叫做“双轴共焦显微技术”的新方法，能更清晰地“看透”不透明组织，捕获组织表层以下半毫米的细节。研究人员之一、华盛顿大学机械工程副教授乔纳森刘说：“要看到组织表面以下，就像开着灯在浓雾中驾驶，无法看得太远。但我们用的（显微镜）就像雾光灯，从不同的角度照亮并减少炫光，能在浓雾中看得更远。” 要让显微镜更小，通常要牺牲图像质量或分辨率、视域、深度、对比度、处理速度等性能。研究人员结合了快速高质量图像的处理传输技术，实现了各种图像指标的平衡。他们发表在《生物医学光学快报》上的论文称，微型显微镜的分辨率足以看到亚细胞水平，其拍摄的小鼠组织图像能和在临床病理实验室经过多天处理后的图像媲美。 乔纳森刘表示，手术中要知道切除的究竟是不是肿瘤，外科医生只能用眼睛看，凭借触觉和术前脑成像，有时会相当主观。如果能在手术过程中放大组织，看到细胞水平，有助于他们精确区分肿瘤和正常组织，会让手术效果更好。 研究人员希望将微型显微镜作为一种临床癌症筛查工具，他们将在2017年对其进行测试，然后在2到4年里将其用于手术或其他临床程序。 上图为了造出手持双轴共焦显微镜，研究人员将原来的桌面显微镜原型缩小成约钢笔大小。

由丁明孝、梁凤霞、洪健、李伯勤、王素霞、朱平领衔主编的《生命科学中的电子显微镜技术》，经过八年编著，于今日正式出版。它凝聚了国内外45位电镜专家的经验和智慧，是一部综合性、实用性、专业性极强的经典著作。本书以促进生物电镜实验水平和制样效率的不断提高为目的，主要介绍了当前各类生物电镜技术，侧重实验技术的难点要点，实验问题和解决途径，强调实验设计理念与具体操作细节。全书共分为8章，包括：常规生物电镜样品制备技术，电镜原位成分分析技术，电镜三维重构技术，光电关联显微成像技术，植物组织的透射电镜样品制备技术，医学电镜超微病理诊断及电子显微镜的结构、原理及操作要点等内容。这部著作凝结着编写组的知识和心血，代表着一代中国电镜工作者的最高水平，将成为我国生命科学电镜技术及电镜教育事业的里程碑。八年来，全国生物电镜工作者一起见证了它的酝酿和诞生。这部著作在当前特殊的国际形势下诞生，具有特别的现实意义和历史意义，是全体电镜人的骄傲。为庆祝这部著作的发行，且应广大读者要求，希望获得领衔作者丁明孝教授的寄语签名，经过与丁老师沟通，中镜科仪将准备100册，由丁老师集中签名。请需要购买的老师尽快在如下链接中进行登记。点击链接填表订书： https://f.wps.cn/fw/N0vNiDmQ/

YH-MIP-0103型显微镜不溶性微粒检测仪检测介绍药典规定：按照中国药典0903章节的要求，不溶性微粒的检测有两个方法，光阻法不溶性微粒检查和显微镜不溶性微粒检查。随着光阻法收录入药典作为不溶性微粒检查的一个方法以来，由于其操作简单，检测速度快，无需制样等优点深受广大用户的喜爱，也便成了用户偏爱和较高一种的检查方法。而显微镜法不溶性微粒慢慢淡出人们视野。随着药学的发展，尤其是制剂学的飞速进步，各式新的剂型进入临床，如注射用乳剂，常见的有丙泊酚、中长链脂肪乳、三腔袋脂肪乳等，脂质体，混悬剂，滴眼剂，混悬剂，易产生气泡剂型等。此种注射剂剂型的特殊性，无法利用常用的光阻法检测不溶性微粒，因为其样品本身的不透明性、高粘度等原因，使得采用光阻法检测会产生假性结果，因为光阻法会将样品本身和气泡也作为颗粒计入。中国药典CP中规定所有的注射剂都要做不溶性微粒项目检查，故而显微镜法不溶性微粒检查设备是非常重要的选择。常规显微镜不溶性检查的缺陷常规显微镜不溶性微粒检查大家会采用一台简单显微镜，人工进行计数。此种操作的难点是：无法避免人为的原因导致计数的偏差，主观性太强；最重要的是人为计数对实验员眼睛的要求较高，用眼过度会造成视力过早下降，引起一些不必要的眼疾；操作不规范性，测试结果重复性差YH-MIP-0103系列显微镜不溶性微粒检测仪上海胤煌科技有限公司自主研发生产的全自动显微镜不溶性微粒检测仪YH-MIP-0103系列，从样品制备到测试完成有一套完整的方案。1）直接按照药典要求出具报告；2）全自动进行滤膜全扫描，并进行颗粒图片分析；3）可以区分颗粒性质，鉴别不溶性微粒的来源，是金属还是纤维；4）按照颗粒性质进行归类分析统计；5）光阻法检测不通过时，作为光阻法不溶性微粒的一个验证；显微镜不溶性微粒检测仪设备构成样品过滤装置，烘干装置，检测分析系统，电脑等。检测分析系统可以根据用户要求配置奥林巴斯体式显微镜、奥利巴斯金相显微镜、徕卡金相显微镜、尼康金相显微镜等。显微镜不溶性微粒检测仪应用领域应用范围：乳剂、脂质体、滴眼剂、混悬剂、易产生气泡剂型、粘度大制剂等执行标准：中国药典CP，美国药典USP 788、USP 789，欧洲药典 EP，英国药典 BP2013，日本药典JP等YH-MIP-0103系统介绍：组成：显微镜颗粒分析系统既可以观察颗粒形貌，还可以得到粒度分布、数量、大小、平均长径比以及长径比分布等，为科研、生产领域增添了一种新的粒度测试手段；该系统包括光学显微镜、数字CCD 摄像头、图像处理与分析软件、电脑、打印机等部分组成；是传统显微测量方法与现代图像处理技术结合的产品；软件：测试软件具有操作员管理系统、测试标准、零件测试模板、图像存储、颗粒追踪、报告输出、清洁度分析等功能；全面自动标准选择、颗粒尺寸设定、颗粒计数，或按用户设定范围计数，自动显示分析结果，并按照相关标准确定产品等级；专业软件控制分析过程，手动对焦，手动光强，自动扫描，自动摄入，自动分析；专用数字摄像机将显微镜的图像拍摄及扫描；全自动膜片扫描系统，无缝拼接， 数字化显微镜分析系统；数据传输：R232 接口数据传输方式将颗粒图像传输到分析系统； 颗粒图像分析软件及平台对图像进行处理与分析；显示器及打印机输出分析结果；特点：直观、形象、准确、测试范围宽以及自动识别、自动统计、自动标定等特点； 避免激光法的产品缺陷，扩展检测范围；YH-MIP-0103系统介绍：胤煌科技为您奉献的专门高性价比实验室显微镜。可以轻松地根据需要进行明场、暗场、相衬、荧光、偏光等多种观察；还可以连接照相机、数码摄像头，与电脑联机工作。1）物镜:独立校正光学系统，物镜拥有更高的数值孔径，成像更加平坦，清晰范围可达视场边缘。5X、10X、20X、30X、40X、50X、80X、100X 等可根据要求选配、经过防霉处理；2）目镜:高眼点，屈光度可调。10X 目镜视场范围有 20mm 和 22mm 两种配置。经过防霉处理；3）阿贝聚光镜:数值孔径 NA1.25，中心可调，带相衬板插孔，配孔径光阑调节装置，聚光镜孔径光阑采用与物镜色圈相同颜色的标记，方便您的使用；4）暗场聚光镜：专门用于暗场观察，安装方便；5）偏光装置：加配起偏器和验片器，您便可以轻松进行简易偏光观察；6）多功能转盘式相衬聚光镜:数值孔径 NA1.25，配置多功能相衬聚光镜，您可以配合 10X-100X 相衬物镜进行相衬观察，配合 10X-40X 物镜进行暗场观察，也可以明场观察；7）内倾式转换器：方便您放置切片，变换物镜进行观察；8）机械载物台:平台尺寸大于 100*100mm，可容纳 2*50mm 快切片，配切片定位夹；X/Y 方向移动范围大于 50*50mm。低位同轴移动手轮；9）无导轨机械载物台:平台尺寸大于 100*100mm，可容纳 2*50mm 快切片，配切片定位夹；X/Y 方向移动范围大于 50*50mm，低位同轴移动手轮，调节手轮可以根据您的用手习惯任意安装在载物台的左手或右手一侧；10）电动载物台:平台行程：大于 80*70mm；行程：2000μm；定位精度：≤±5μm；典型分辨率： 单步 0.625μm；11）观察筒:双目或三目铰链式观察筒；三目分光比 20/80，可以轻松与数码摄像头或照相机连接工作；视场较高可配置到 22mm；有 48-75mm和 52-75mm 两种不同的双目瞳孔,调节距分别适用于亚洲和欧美人士使用，您可以根据自己双目距离作出灵活的选择；12）粗微动手轮高度可调:根据您手形的大小，粗微动手轮高度可调，为您的手臂带来轻松和舒适；13）照明系统:6V/20W、6V/30W 卤素灯或者 LED 多种光源可供选择。抽屉式的灯座设计让您只需简单地拔出、插入便可方便地更换灯泡；14）高效率的独立散热系统:即使在 6V/30W 卤素灯 48 小时不间断照明的环境下，机身也不会烫手，完全解决了长期困扰研究人员的机身发烫问题；15）增高器：果您体型高大，可选配增高器，保证您观察时的坐姿更加舒适；16）搬运把手：保证您移动显微镜时轻松安全；YH-MINP-0103产品配置 显微镜不溶性微粒检测仪技术参数测试范围: 1 μm - 500 μm放大倍数：40X-l000X 倍比较大分辨：0.1 μm显微镜误差：0.02（不包含样品制备因素造成的误差）重复性误差： 93%软件运行环境：Windows 2000、Windows XP接口方式：RS232 或 USB 方式供货期：30 个工作日精 确 度：95%（按中国药典 2010 版校准）YH-MIP-0103分析过程： YH-MIP-0103系统介绍：美国药典 USP 788、USP 789、USP35-NF30、USP32-NF27；欧洲药典 EP6.0、EP7.0、EP7.8、EP8.0；英国药典 BP2013、BP2012、2010、2009；日本药典 JP16、JP15、JP14；印度药典 IP2010 版；WHO 国际药典 IntPh 第四版；中国药典 2010 年、2015 年；GB8368 输液器具；ISO21510；ISO11171 等。GB/T 11446.9-2013 电子级水中微粒的仪器测试方法。可根据客户要求，植入相应“光阻法颗粒度”测试和评判标准。 创新点：显微镜不溶性微粒检测仪 全自动进行滤膜全扫描，并进行颗粒图片分析，可以区分颗粒性质，鉴别不溶性微粒的来源，是金属还是纤维按照颗粒性质进行归类分析统计，检测分析系统可按客户要求配置奥林巴斯体式显微镜、奥林巴斯金相显微镜等 显微镜不溶性微粒检测仪

普洛帝不溶性微粒检测显微镜计数系统PLD-MPCS2.0A不溶性微粒显微镜计数系统 不溶性微粒显微镜法 显微镜计数系统 显微镜不溶性微粒计数系统不溶性微粒显微镜计数系统是普勒新世纪实验按照普洛帝分析仪器事业部的规划，于2001年推向市场的成熟系统仪器；符合中国药典规范附录0903不溶性微粒检查法第二法(显微计数法}。观察颗粒形貌，还可以得到粒度分布、数量、大小、平均长径比以及长径比分布等，为科研、生产领域增添了一种新的粒度测试手段；不溶性微粒显微镜计数系统微纳米颗粒计数器为一种图像法粒度分布测试以及颗粒型貌分析等多功能颗粒分析系统，该系统包括光学显微镜、数字 CCD 摄像头、图像处理与分析软件、电脑、打印机等部分组成；测试软件具有操作员管理系统、测试标准、零件测试模板、图像存储、颗粒追踪、报告输出、清洁度分析等功能；全面自动标准选择、颗粒尺寸设定、颗粒计数，或按用户设定范围计数，自动显示分析结果，并按照相关标准确定产品等级；将传统的显微测量方法与现代的图像处理技术结合的产物；专业软件控制分析过程，手动对焦，手动光强（颗粒清洁度测试必须人为干预进行），自动扫描，自动摄入，自动分析；专用数字摄像机将显微镜的图像拍摄及扫描；全自动膜片扫描系统，无缝拼接，数字化显微镜分析系统；R232接口数据传输方式将颗粒图像传输到分析系统；颗粒图像分析软件及平台对图像进行处理与分析；显示器及打印机输出分析结果；直观、形象、准确、测试范围宽以及自动识别、自动统计、自动标定等特点；避免激光法的产品缺陷，扩展检测范围；现实NAS、ISO等国际标准方法的认可；提供“OIL17服务星”签约式服务；不溶性微粒显微镜计数系统产品应用：大输液、小针剂、水、水乙二醇、水溶液、溶水产品等检测！完全并高于2020版《中国药典》的要求，内置药典、麻醉器具、输液器具检测标准，可直接进行各种装量的注射液、无菌粉末，及医疗器具微粒污染滤除率检测；航空、航天、电力、石油、化工、交通、港口、冶金、机械、汽车制造、制冷、电子、半导体、工程机械、液压系统等领域；对各类液体如油田回注水、污水、自来水、纯净水、高纯水、电子级水、超纯水、口服液、酒、饮料、牛奶、清洗剂、润滑油等液体进行固体颗粒污染度检测及不溶性微粒的检测。不溶性微粒显微镜计数系统执行标准：GB/T 11446.9-2013 电子级水中微粒的仪器测试方法美国药典USP 788、USP 789、USP35-NF30、USP32-NF27；欧洲药典EP6.0、EP7.0、EP7.8、EP8.0；英国药典BP2013、BP2012、2010、2009；日本药典JP16、JP15、JP14；印度药典IP2010版；WHO国际药典IntPh第五版；中国药典2020年、2020年；GB8368输液器具；ISO21510；ISO11171等。0.1~3000μm的超宽范围、超高分辨率满足全球510多个标准要求。可根据客户要求，植入相应“光阻法颗粒度”测试和评判标准。不溶性微粒显微镜计数系统技术参数：订制要求：各类液体检测要求；测试范围: 1μm-500μm放大倍数：40X～l000X倍分辨率：0.1μm显微镜误差：0.02（不包含样品制备因素造成的误差）重复性误差： 5%（不包含样品制备因素造成的误差）数字摄像头(CCD)：300万像素标尺刻度：0.1μm分析项目：粒度分布、长径比分布、圆形度分布等自动分割速度： 93%软件运行环境：Windows 2000、Windows XP接口方式：RS232或USB方式供货期：30个工作日精 确 度：95%（按中国药典2020版校准）；10% （按美国药典、ISO21501校准）鉴定机构：国家西北计量测试中心（民品）售后服务：普洛帝中国服务中心/普研检测。创新点：1、我司符合药典2020版0903显微镜法的仪器 2、实现上光源、下光源双向监测功能 3、引入金属颗粒、非金属颗粒和纤维丝等颗粒属性检测 4、微量样品0.01ml的痕量试样测试 5、高分辨率可实现X100~X1000的测试 不溶性微粒检测显微镜计数系统

显微镜技术经过长期发展，加之近年来物理学界接二连三出现的重大科研进展，终于，在2008年，显微镜发展史上的新成果&mdash &mdash 超高分辨率荧光显微镜为科学家所研制出。人们预言，它定会成为生物学家的好帮手。 　　Stefan Hell打破了物理学界的传统看法 　　自从1873年Ernst Abbe第一次发现光学成像具有衍射限制现象以来，物理学界就公认，显微镜的分辨率具有极限，该极限与光源的波长有关。直到一个多世纪之后，罗马尼亚物理学家Stefan Hell推翻了这一观点。他是首位不仅从理论上论证了，而且用实验证明了使用光学显微镜能达到纳米级分辨率的科学家。 　　罗马尼亚物理学家Stefan Hell，现任德国马克斯· 普朗克生物物理化学研究院(Max Planck Institute of Biophysical Chemistry)主任。 　　早在上世纪80年代中期，当时师从德国海德堡大学(University of Heidelberg)一位低温固态物理学家的Stefan Hell就已经发现，如果不是像常规那样使用一个透镜聚焦，而是将两个大孔径的透镜组合在一起聚焦，就可以提高光学显微镜的分辨率。Stefan Hell是首位发现这一现象的研究人员。 　　Hell于1990年顺利完成了他的博士学业，但同时，这也意味着他将无法再凭借奖学金的资助进行研究了。Hell最终决定独自一人继续在家研究以上的发现，并最终成功发明了4Pi显微镜。 4Pi显微镜，超高分辨率成像中的一个步骤 　　时任美国马萨诸塞州坎布里奇市哈佛大学(Harvard University)化学系教授的Sunney Xie遇到了Hell，当他了解了Hell发明的4Pi高分辨率显微镜时，Xie对Hell勇敢地对传统物理学观点提出挑战的精神表示赞许。 　　随后，Hell带着他的发明来到了位于德国海德堡的欧洲分子生物学实验室(European Molecular Biology Laboratory, EMBL)，并获得了德国科学基金会提供的奖学金。1991年，Hell在该实验室开始他的博士后研究工作。 　　起初，许多科学家，包括那些声名显赫的物理学家都认为Hell的工作对于提高光学显微镜的分辨率没有太大的意义。他们认为，Hell仅用他那少得可怜的科研经费来从事这项研究简直就是在冒险。但Hell却始终坚信他能够打破衍射极限。 　　Hell的努力没有白费，他的冒险终于获得了回报。1992年，Hell第一次用他的4Pi高分辨率显微镜证明了他的确能将传统光学显微镜的分辨率提高3~7倍。然而，尽管Hell提高了Z方向的分辨率，他还是没能突破衍射极限的限制。 　　此后不久，Hell又在芬兰土尔库大学(University of Turku)得到了他的第二个博士后职位。一个星期六的早晨，Hell正躺在研究生公寓的床上看一本有关光学量子理论的书，突然，灵光一闪，Hell脑海里浮现了一个想法：如果使用一种合适的激光，仅激发一个点的荧光基团使其发光，然后再用一个面包圈样的光源抑制那个点周围的荧光强度，这样就只有一个点发光并被观察到了。Hell给他的这项发明取名STED，即受激发射损耗显微镜(stimulated emission depletion)。有了这个想法后，Hell立即行动，冲进实验室进行相关实验。每当回想起当时的心情，Hell都会觉得那是他科研生涯中最激动的时刻。 　　曾在EMBL与Hell共事，并共同研发4Pi显微镜的Pekka Hanninen指出，Hell在土尔库大学进行研究工作时非常刻苦。那时，他经常被许多问题困扰。尽管如此，研究过程中还是有许多快乐萦绕着他们。Hell不仅是一名严谨的科学研究者，还是一名音乐爱好者，每当工作至深夜时，实验室走廊总会回响起Hell吹奏萨克斯风的动听乐声。 由共聚焦显微镜(左图)和STED(右图)成像的一个神经元。 　　1994年，Hell在《光学快报》(Optics Letters)上发表了他关于STED的理论文章。不过直到多年以后，这项理论才得以在实践中被证实。在那段时间里，Hell一面继续研究工作，一面四处奔走筹集科研经费，还卖掉了他4Pi 显微镜的专利。 　　但是那个时候Abbe的衍射极限理论仍然在学界占统治地位，许多物理学家对Hell的理论都持怀疑甚至批评态度，因此他们也都将研究重点放在其它的成像技术上。尽管如此，Hell还是在1997年与马普生物物理化学研究所签订了一份长达5年的合同，以继续他的STED研究。 　　1999年，Hell将他的研究成果分别投给了《自然》(Nature)杂志和《科学》(Science)杂志，不过都被退稿。当时两位杂志的主编都没有意识到他的研究成果将会改变整个显微镜领域。 　　直到2000年，事情才终于有了转机&mdash &mdash 《美国国家科学院院刊》(PNAS)发表了Hell的科研成果。采用 Hell的STED技术，人们第一次得到了纳米级的荧光图像。Hell的工作由此获得了广泛的肯定，2002年，他获得了马普研究所的终身职位。从此，Hell一直在马普研究所从事成像技术的研究工作。 　　紧随STED这项开创性工作之后，世界各地实验室等研究机构内陆续出现了一批高分辨率的显微镜技术。例如，由珍妮莉娅法姆研究学院(Janelia Farm Research Campus)的物理学家兼工程师Mats Gustafsson领导的研究团队开发出了结构光学显微镜(structured-illumination microscopy, SIM)。 果蝇卵母细胞内的肌动蛋白的3D SIM成像，该照片拍摄于完整的卵泡内。 　　SIM技术的原理是通过一系列光成像的图案对低分辨率莫尔条纹形式的精细结构进行成像，此类图像是采用其它技术所无法观察到的。然后再由计算机处理、分析这些条纹中包含的信息，最终就可以获得高分辨率的图像。 　　同年，Gustafsson小组得到了HeLa细胞中肌动蛋白细胞骨架的图像，他的图像相比传统显微镜的图像来说，在测向上的分辨率提高了2倍。随后，Gustafsson小组又使用非线性技术将整体分辨率提高了4倍。 　　科研竞赛 　　2006年，超高分辨率显微镜研究行业翻开了新的篇章。Eric Betzig、Harald Hess以及Lippincott-Schwartz小组、Samuel Hess小组以及庄晓威(音译)科研小组几乎同时报道了他们提高显微镜分辨率的科研成果，下面分别介绍这三个小组的研究情况。 　　Eric Betzig、Harald Hess以及Jennifer Lippincott-Schwartz小组 　　2005年夏天，细胞生物学家Jennifer Lippincott-Schwartz卸下了她在美国马里兰州贝塞斯达美国国立卫生研究院(HIV)暗室里的红色灯泡。Lippincott-Schwartz正在为赋闲在家的两位物理学家Eric Betzig和Harald Hess腾出空间，筹备实验室。正是这两位物理学家研制出了光敏定位显微镜(photoactivated localization microscopy, PALM)，他们的这种新产品能将荧光显微镜的分辨率提升至纳米级水平。 　　接下来的整个冬天，Eric Betzig、Harald Hess以及Lippincott-Schwartz等人都一直在那间狭小的没有取暖设备的实验室里工作。现在就职于美国弗吉尼亚州阿士伯恩霍华德休斯医学研究所珍妮莉娅法姆研究学院(Howard Hughes Medical Institute&rsquo s Janelia Farm Research Campus in Ashburn, Virginia)的Hess承认，自己与Betzig对生物学的认识都不深。不过近15年来，他们一直都在努力，希望能运用生物学知识获取高分辨率的显微图像，但是没有取得明显进展。然而，当Hess和Betzig了解到Lippincott-Schwartz和George Patterson在2002年发明的光敏绿色荧光蛋白(photoactivatable green fluorescent protein)后，他们知道他们已经找到了解决问题的关键所在。 　　回想起当时的情形，Lippincott-Schwartz指出：&ldquo 他们当时非常激动。我还记得当我们得到第一张显微图像时，你根本无法看出那是什么东西。直到我看到他们将荧光图像和电镜图像叠加之后的结果才相信，我们成功了。我当时觉得这一切真是太神奇了。&rdquo 　　2006年，Eric Betzig、Harald Hess以及Lippincott-Schwartz小组在《科学》(science)杂志上发表了他们的PALM研究成果。使用PALM可以清楚得看到细胞黏着斑和特定细胞器内的蛋白质。 　　Samuel Hess小组 　　Samuel Hess小组是上述三个小组之一。Hess是美国缅因州立大学(University of Maine)物理系的助理教授。2005年夏天，Hess一直在和他们学校的化学工程师和生物学工程师，就如何提高观察活体细胞脂筏结构的分辨率等问题进行交流。 　　2005年的一个夏夜，Hess被邻居家举办舞会的声音吵醒。半睡半醒的Hess走下楼来，随手画了一副设计图，他的这种设计是需要借助荧光标记的蛋白质来显示细胞形态的。第二天早上，当Hess重新翻看这幅非清醒状态绘制的潦草的设计图时，不由得大笑起来。不过令人吃惊的是，他的这幅设计图竟然没有一点问题。于是他把这幅图拿给物理系的同事检查，但同事也没有发现任何问题。 　　接下来，Hess就按照他的设计图开始制作显微镜了。此时，他的科研经费所剩不多，而结题时间转眼就到。因此，Hess等人以最快的速度组装好显微镜，并进行了试验。同时，在不到两天的时间里，缅因州立大学表面科学技术实验室的同事就为Hess制备好供检验显微镜效果的蓝宝石晶体样品。 　　对于同事们的帮助，Hess总是不胜感激。 　　2006年，《生物物理学期刊》(Biophysical Journal)刊登了Hess小组的科研成果。他们将这项研究成果命名为荧光光敏定位显微镜(fluorescence photoactivation localization microscopy, FPALM)。2007年，Hess小组证明了FPALM可以分辨细胞膜脂筏上的蛋白质簇。 　　庄晓威科研小组 　　与此同时，另一个研究小组&mdash &mdash 哈佛大学霍华德休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Investigator at Harvard University)的研究员庄晓威科研小组也在研究高分辨率成像技术。 　　通过3D STORM观察到的一个哺乳动物细胞内线粒体网状系统。传统荧光成像(左图) 3D STORM成像(中图)，其中，采用不同颜色标记出z的位置 3D STORM成像中xy维图像(右图)。 　　其实，这三个小组都有一个共同的也是非常简单的理念，那就是先获得单分子荧光图像，再将成千上万个单分子图像叠加在一起，获得最终的高分辨率的图像。 　　早在2004年初，庄等人就已经意外发现了有一些花青染料可以用作光敏开关。这也就意味着这些染料既可以被激活发出荧光，也可以被关闭不发光，人们可以使用不同颜色的光束来随意控制这些花青染料的开和关。 　　从那以后，庄等人就一直在研究如何用光敏开关探针来实现单分子发光技术。他们希望能用光敏开关将原本重叠在一起的几个分子图像暂时分开，这样就能获得单分子图像，从而提高分辨率。Eric Betzig小组和Samuel Hess小组也都采用了同样的策略，只不过他们使用的不是光敏开关而是一种可以先被荧光激活继而被漂白失活的探针。 　　2006年，庄的科研成果在《自然-方法》(Nature Methods)杂志上发表，他们将这项成果命名为随机光学重建显微镜(stochastic optical reconstruction microscopy, STORM)。使用STORM可以以20nm的分辨率看到DNA分子和DNA-蛋白质复合体分子。 　　此后几年，超高分辨率荧光显微镜又得到了进一步的发展。现在，生物学家已经能够使用超高分辨率荧光显微镜在纳米水平上观察细胞内部发生的生化变化了。以往那些大小在200nm至750nm之间的模糊泡状图像再也无法对他们造成困扰了。尽管早在上世纪80年代，科研机构里就已经出现了超高分辨率显微镜的构思，但只是最近几年里这项技术才伴随着它的商业化进程获得了快速发展。现在，已经有几十家实验室安装了这种最新型的显微镜并投入了使用。正像Lippincott-Schwartz所说的，超高分辨率显微镜正在以飞快的速度被科研界接受，在生物学界更是如此。 　　超高分辨率显微镜的成绩 　　已经开始使用这些显微镜的生物学家对这项技术都表示出了极高的热情。Jan Liphardt这位在美国劳伦斯伯克力国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)工作的生物学家，还清楚地记得他2006年第一次在《科学》(science)杂志读到Betzig的那篇有关PALM技术的论文时的激动心情。当他看到那幅线粒体蛋白的图像时立刻想到了该技术可以用于他自己的微生物研究领域。 　　Liphard说道：&ldquo 通常，我们得到的大肠杆菌荧光图像都只有20像素，甚至更低，现在突然有一幅几千像素的图片摆在你面前，你可以想象那是一种什么感觉。&rdquo 　　Liphard现在正与Betzig以及其他一些研究人员一起研究大肠杆菌的趋化现象(chemotaxis)。Liphard还提到：&ldquo 我从没想到这项技术达到的分辨率有这么高，可以如此清楚地看到细胞内单个蛋白质分子的定位，甚至还能定量。而对我来说，每天的工作实际上就是在弄清楚这些蛋白质在什么位置，什么时候存在。而之前我们的研究主要采用间接方法。但超高分辨率显微镜这项新技术是我从事科研工作这么长时间以来，感触最深，获益最大的一项科技成果。&rdquo 　　美国丹佛市科罗拉多州立大学医学院(Medicine at the University of Colorado Denver)的助理教授Nicholas Barry也正在和Betzig合作，他们使用了一台蔡司的全内反射荧光成像系统(total internal reflection fluorescence imaging, TIRF)来研究肾细胞顶端胞膜上的蛋白质簇。 　　Barry指出，只需要一台蔡司显微镜和普通电脑，差不多就足够了。此外，他们还花费3万美元添置了两台激光发射器。现在，Barry等人可以在8分钟内得到一幅图像，这幅图像由10000帧图像合成，每一帧图像上显示10个分子。最后的图像文件大小大约是0.3GB。Barry等人还使用Perl语言自己开发了一套免费程序。Barry表示：&ldquo 这里面包含了每帧图像的资料信息，客户可以根据这些信息进行相关计算。&rdquo Barry充满信心地提到，很快就会有人为NIH的那套免费图像分析软件ImageJ开发出一套运算程序作为插件使用。 　　美国斯坦福大学(Stanford University)化学及应用物理系教授W.E. Moerner曾于1989年第一个在试验中使用光学显微镜得到了单分子图像。W.E. Moerner教授表示，这几年来，超高分辨率显微镜研究领域已经取得了巨大的进展，终于达到了纳米级单分子分辨率。他兴奋地说：&ldquo 经过了近20年对单分子成像课题的研究，我们终于取得了完美的成果。&rdquo 　　展望 　　自从2006年STORM技术和PALM技术问世以来，科技工作者就一直在不断努力，对它们进行改进、完善和提升。2008年，Lippincott-Schwartz的研究团队将PALM技术和单颗粒示踪技术(single-particle tracking)结合，成功地观测到活体细胞胞膜蛋白的运动情况。同年，庄小威研究组在《科学》(science)杂志上也发表了他们的3D STORM成像成果，该技术的空间分辨率比以往所有光学3D成像技术的分辨率都要高出10倍。论文中，他们展示了用3D STORM成像技术拍摄的肾细胞内微管结构图和其它的分子结构图。随后，他们又进一步将该技术发展成了多色3D成像技术(multicolor 3D imaging)。Gustafsson，还有其他一些科研工作者使用3D SIM技术(该技术使用3束干涉光，而不是常见的2束)观察到了共聚焦显微镜(confocal microscopes)无法观测到的哺乳动物细胞核内结构。位于德国的世界知名光学仪器制造公司蔡司公司进一步发展了SIM和PALM技术，不过他们将PALM称为PAL-M。蔡司公司预计将于2009年末推出全新的成像产品。 　　2008年，Hell小组使用STED技术通过抗体标记目标蛋白，观察到了活体神经元细胞中突触小泡(synaptic vesicles)的运动过程。同年稍晚些时候，他们又使用4Pi显微镜和STED技术得到了固定细胞内线粒体的3D图像，分辨率达到了40至50nm。最近，他们又使用超高分辨率显微镜成像技术对脑切片组织中的形态学变化进行了研究，并得到了活体神经元细胞树突棘(dendritic spines)的3D图像。 PALM在哺乳动物细胞内拍摄到的粘附复合物。 　　由于最近几年这些新技术的不断涌现，现在可以对活体细胞进行三维观察了。Gustafsson指出，随着PALM技术和STORM等新技术的出现，以前很多看起来不可能的事情现在都变得可能了。 　　尽管已有许多科学家从这项技术进展中获益，但是仍然可以进一步提高，以使更多的研究人员能够在自己的工作中使用它。到目前为止，那些成功应用此项技术的实验室都采取了正确的技术组合：研究人员可以很好地将物理学与生物学相结合&mdash &mdash 他们将显微镜装配并做适当的调节，然后用它对生物学样品进行检测。Moerner指出，软件的编写也不容小觑：对检测到的光子进行定位和报告需要进行准确计算，从而得到合适的分辨率。 　　仅仅是显微镜的价格就已经限制了它的普及性，Leica&rsquo s TCS STED显微镜高达100万美元。因此，如何获得相应的资金来购置显微镜仍然是摆在研究人员面前的一个难题，位于丹佛市的科罗拉多大学(University of Colorado)光学显微镜组主任Bill Betz这样说道。 　　Betz曾申请用于显微镜购置的资金，但遭到了拒绝。但他表示，他们已经计划再次申请相关资金。而Stefan Hell曾指出，激光领域的技术进展已经可以使得研究人员自己在实验室内构建一个STED平台，花费只需不到10万美元。 　　除了要将这一技术方法普及，使生物学家能够加以利用之外，该项技术的研发人员还表示，他们已经开始致力于研究更宽范围及更多样的荧光探针了。更好的探针当然能够为我们带来更高的分辨率及更快速的图像处理。美国纽约阿尔伯特&bull 爱因斯坦医学院(Albert Einstein College of Medicine)解剖学及结构生物学副教授Vladislav Verkhusha说到：&ldquo 为了对活体哺乳动物细胞进行研究，你就需要有一整套的荧光标记蛋白和可通过光控开关控制的蛋白质。&rdquo 他本人在荧光蛋白领域的研究工作就受益于PALM的出现。 　　庄晓威的众多项目之一便是与Alice Ting及其在麻省理工学院(MIT)的实验室合作，对蛋白标记技术进行研究，希望能够找到一种方法可以将小和明亮的光控开关可控的探针标记于细胞的特异蛋白上，从而可以对活细胞进行成像。她提到：&ldquo 将遗传标记方法与小而明亮且可被光控开关控制的探针结合在一起，将是今后发展分子级别超高分辨率成像的十分理想的一种方法。&rdquo 　　尽管研发人员还将继续努力，以进行相应技术的提高，但是超高分辨率荧光显微镜更加广泛的应用还是毫无疑问地成为新的一年的标志。Harald Hess说：&ldquo 这一技术的确会为生物学家的工作带来很大的帮助。同时，我们也在不断询问，&lsquo 你们想要用它做什么精彩的实验?&rsquo 事实上，我们也得到了许多精彩的答案。&rdquo

2023年2月23日，北京大学程和平-王爱民团队在 Nature Methods 在线发表题为 Miniature three-photon microscopy maximized for scattered fluorescence collection 的文章。 文中报道了重量仅为2.17克的微型化三光子显微镜（图1），首次实现对自由行为小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，为揭示大脑深部结构中的神经机制开启了新的研究范式。 图1 小鼠佩戴微型化三光子显微镜实景图 解析脑连接图谱和功能动态图谱是我国和世界多国脑计划的一个重点研究方向，为此需要打造自由运动动物佩戴式显微成像类研究工具。2017年，北京大学程和平院士团队成功研制第一代 2.2 克微型化双光子显微镜，获取了小鼠在自由行为过程中大脑皮层神经元和神经突触活动的动态图像。2021年，该团队的第二代微型化双光子显微镜将成像视野扩大了 7.8 倍，同时具备获取大脑皮层上千个神经元功能信号的三维成像能力。 微型化三光子显微镜突破成像深度极限 海马体位于皮层和胼胝体下面，在短期记忆到长期记忆的巩固、空间记忆和情绪编码等方面起重要作用。在啮齿类动物研究模型中，海马距离脑表面深度大于一个毫米。由于大脑组织，特别是胼胝体，具有对光的高散射光学特性，所以突破成像深度极限是长期以来困扰神经科学家的一个极大的挑战。此前的微型化单光子及微型化多光子显微镜均无法实现穿透全皮层直接对海马区进行无损成像。此次，北京大学最新研发的微型化三光子显微镜一举突破了此前微型化多光子显微镜的成像深度极限：1、显微镜激发光路可以穿透整个小鼠大脑皮层和胼胝体，实现对小鼠海马CA1亚区的直接观测记录（图2）。神经元钙信号最大成像深度可达1.2 mm，血管成像深度可达1.4 mm。2、在光毒性方面，全皮层钙信号成像仅需要几个毫瓦，海马钙信号成像仅需要20至50毫瓦，大大低于组织损伤的安全阈值。因此，该款微型化三光子显微镜可以长时间、不间断连续观测神经元功能活动，且不产生明显的光漂白与光损伤。图2 微型三光子显微成像记录小鼠大脑皮层L1-L6和海马CA1的结构和功能动态。CC：胼胝体。绿色代表GCaMP6s标记的神经元荧光钙信号，洋红色代表硬脑膜、微血管和脑白质界面的三次谐波信号。 全新的光学构型设计 北京大学微型化三光子显微镜成像深度的突破得益于全新的光学构型设计。（图3）图3 微型化三光子显微镜光学构型 通过对皮层、白质和海马体建立分层散射模型进行仿真，发现荧光信号从深层组织到达脑表面时已经处于随机散射的状态，使得显微物镜荧光收集效率降低，从而极大限制了成像深度。针对这一问题，经典阿贝聚光镜结构被引入构型设计中：微型阿贝聚光镜与简化的无限远物镜密接可以提高散射光的通透效率；阿贝聚光镜与激发光路中的微型管镜部分复用，可以进一步简化结构，降低损耗。总体上，新微型化显微镜的散射荧光收集效率实现了成倍的提升。 生物应用 同时，利用微型化三光子显微镜，作者研究了小鼠顶叶皮层第六层神经元在抓取糖豆这一感觉运动过程中的编码机制：发现大约37%的神经元在抓取动作之前就开始活跃且在抓取时最活跃，大约5.6%的神经元在抓取动作之后开始活跃，说明不同神经元参与了不同阶段的编码。（图4）这一结果初步展示了微型化三光子显微镜在脑科学研究中的应用潜力。 图4 小鼠顶叶皮层第六层神经元在抓取糖豆任务中的不同反应类型北京大学未来技术学院博士后赵春竹、北京大学前沿交叉学科研究院博士研究生陈诗源、北京大学分子医学南京转化研究院研究员张立风为该论文的共同第一作者，北京大学程和平、王爱民、赵春竹为论文的共同通讯作者，北京超维景生物科技有限公司胡炎辉、李谊军、陈燕川、付强、高玉倩、江文茂、张颖也参与了此项工作的开发。该项目得到科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、中国医学科学院医学与健康科技创新工程—脑疾病的线粒体机制研究创新单元、国家自然科学基金委、国家重大科研仪器研制专项、科技部重点研发计划等经费支持。超维景一直致力于前沿生物医学成像技术的产业转化，为推动生命科学的研究与发展提供优质的、系统化的解决方案。 经过多年的沉淀 我们即将推出自主研发的最新一代微型化三光子显微成像系统敬 请 期 待 ！Nature Methods 原文链接：https://doi.org/10.1038/s41592-023-01777-3