福斯特共振能量转移

【科学背景】原子光学天线是未来光学技术发展的重要趋势。其作用是实现极端的光场增强，推动光与物质之间的相互作用，离不开先进的光学材料和精确的实验技术。传统的纳米天线在光场增强和纳米尺度光学应用中发挥了关键作用，但其性能常受到环境诱导的非辐射过程的限制，这限制了其在更精细应用中的潜力。近年来，美国芝加哥大学Alexander A. High教授团队发现，金刚石中的IV族色心，如锗空位（GeV），作为固体中的原子光学偶极子，展示出了卓越的光学相干性和高场增强能力。这些原子光学天线利用其量子力学性质，可以在纳米尺度上实现巨大的光场增强。与传统纳米天线相比，原子光学天线不仅在场强度上具有显著优势，而且由于其较低的非辐射衰减率，能够在非常小的尺度上展现出优异的光学性能。这种原子光学天线的独特优势使得其在光谱学、传感和量子科学等领域得到了广泛应用。例如，利用GeV天线进行的实验表明，其在近场的光强度增强高达一百万倍，能够有效检测和操控附近的碳单空位，并通过福斯特共振能量转移（FRET）实现单个中性空位的荧光检测。这种极高的灵敏度和精确度为新兴的光学应用提供了前所未有的机会，并推动了相关技术的发展。【科学亮点】1. 实验首次实现了掺锗金刚石空位中心（GeV）作为原子天线的应用本研究首次将掺锗金刚石空位中心（GeV）作为原子天线进行实验验证。通过利用GeV的光学特性，我们成功地演示了其在光场增强和局部光强度放大的应用潜力。2. 实验通过共振激发和数值模拟，测量了GeV的近场光强度增强&bull 共振激发： 在实验中，我们对GeV进行共振激发，观察到其产生的驻波近场电磁场具有显著的增强效应。测量结果表明，在距离小于1纳米的范围内，GeV近场的光强度增强高达百万倍。&bull 数值模拟： 通过数值模拟，我们计算了GeV的散射光场强度，展示了其在特定条件下的巨大场增强。模拟结果显示，与共振激发场相比，散射场的强度可以达到高达10^8倍的增强程度。&bull 对比分析： 与传统的纳米天线相比，GeV作为点状量子发射体具有较低的非辐射衰减率和非常窄的线宽，这使得其对共振频率的扰动具有极高的灵敏度，并能够实现超常的场增强效果。3. 实验应用及前景展望&bull 检测与操控： 我们利用GeV天线探测并操控了附近的碳单空位（VC），并通过福斯特共振能量转移（FRET）首次实现了来自单个中性空位的可检测荧光。&bull 未来应用： GeV原子天线的独特特性为光谱学、传感和量子科学等领域的应用提供了新机遇，并可能推动相关技术的发展和新应用的探索。【科学图文】图1: 锗germanium，GeV天线。图2: 锗GeV天线感测、调控和光学激发近端空位。图3: 零声子线zero-phonon line，ZPL劈裂与泵浦阈值功率负相关。图4: 比较非共振激发，揭示了场增强。图5:相比于银纳米球，锗GeV天线效应。【科学启迪】本文的研究揭示了掺锗的金刚石空位中心（GeV）作为原子天线在光学增强领域的巨大潜力。首先，GeV展现出在纳米尺度上的极高光学场增强能力，能够实现近场强度增强高达一百万倍，这为科学研究和技术应用提供了前所未有的机会。其原子级别的尺寸和低非辐射衰减率使其在生成和操控局部电磁场方面具有独特的优势，与传统的纳米天线相比，这种增强效应与物理尺寸基本解耦，从而避免了小型金属散射体因欧姆损耗导致的响应下降问题。此外，GeV的高光学相干性和窄线宽使其在光谱学和传感应用中具有极高的灵敏度，能够检测和操控邻近的碳空位（VC）并实现荧光显微探测。这种特性不仅拓宽了原子天线在光谱学和量子科学中的应用范围，还在单分子拉曼光谱、光诱导催化等领域提供了新的研究工具。特别是通过福斯特共振能量转移（FRET）技术，GeV天线可以驱动来自单个中性空位的可测量荧光，为单个量子系统的研究提供了新的途径。原文详情：Li, Z., Guo, X., Jin, Y. et al. Atomic optical antennas in solids. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01456-5

加利福尼亚州阿西洛马-2019年4月8日-在第60届实验核磁共振会议上（ENC）今天，Bruker公司宣布在超高场（UHF）高分辨率NMR波谱学中取得突破性进展，该成果将应用于结构生物学和固有无序蛋白（IDPs）的研究。UHF NMR技术与X射线晶体学或低温EM等其它结构生物学分析方法互为补充，可以提供溶液和生理条件下的蛋白质分子动力学、功能性折叠以及与药物分子的结合等信息。布鲁克在2018年末成功地推出了世界上第一台稳定且均匀的标准腔 Ascend 1.1GHz NMR磁体。该磁体的开发旨在满足科学家们在研究更大分子量的蛋白质，功能无序性和大分子复合物过程中日益增加的灵敏度和更高分辨率的科学需求。最近几个月，Bruker和一些重要的UHF合作者在Bruker瑞士的GHz级磁体工厂通过一系列高分辨率和固态NMR实验展示了这一前沿技术的强大功能和优势。多年来，高分辨率NMR仅限于23.5特斯拉的磁场，相当于1.0GHz的质子（1H）共振频率。这个限值是由金属低温超导体（LTS）的物理性质决定的，第一台Avance 1000 NMR波谱仪是2009年在法国里昂的超高场磁共振中心实现的。高温超导磁体（HTS）最早发现于20世纪80年代，它为在低温下获得更高磁场打开了一扇大门，但YBCO HTS磁带制造和超导磁体技术中的巨大的挑战使得UHF进一步发展直到最近都令人望而生畏。Bruker的新型高分辨率1.1GHz磁体的推出很好地证明了新的LTS-HTS混合磁体技术的可行性，在HTS材料制造，测试和磁带连接以及UHF磁体稳定，均匀性，淬火保护和动力控制领域都取得了巨大的进步。布鲁克Biospin集团总裁Falko Busse博士说：“这款破纪录的25.9特斯拉NMR谱仪很好地展示了我们在LTS-HTS混合超导磁体领域以及UHF NMR探头和谱仪开发领域的技术能力”。“Bruker很自豪能够再次为生命科学研究界提供一种全新频率的NMR波谱仪，来推动生物化学，结构生物学和材料学走在研究的前沿。这个1.1GHz的系统也是我们开发第一个1.2GHz NMR磁体过程中的关键一步。”来自意大利佛罗伦萨大学磁共振中心和化学系的Lucia Banci和Claudio Luchinat教授是布鲁克UHF项目的长期合作伙伴，有望完成世界上第一台高分辨率1.2GHz波谱仪。在1.1GHz系统上进行实验后，他们表示：“我们对关于UHF NMR的这一重要成就表示赞赏。我们用一个3毫米TCI超低温探头在这种场强下实现了1.1GHz，不能不说这一进步十分惊人，这让我们能够在原子分辨率水平上更详细地研究固有无序蛋白质的结构。在1.1GHz谱仪上采集的实验数据很好地展示了超高场NMR实验的优点，我们期待着不久的将来能够在1.2GHz谱仪上进行实验。”“我们对布鲁克的UHF磁体技术印象深刻，这让我们可以和111 kHz魔角旋转（MAS）固态NMR探头一起进行测试。一位来自苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）的1.2GHz潜在用户Beat Meier教授这样说道，“明显提升的灵敏度将是生物和生物医学研究中成功的一个关键点，例如针对蛋白质复合物和阿尔茨海默-β纤维。”来自苏黎世联邦理工学院（ETH）的Matthias Ernst教授继续说道：“这种新仪器的灵敏度令人印象深刻，高速MAS下质子检测的新应用将成为可能。此类新型高温超导磁体的均匀性是无可挑剔的，符合我们对均匀性的严格要求，这也是领域里一直备受关注的问题。”德国哥廷根马克斯普朗克生物物理化学研究所主任兼研究员的Christian Griesinger博士观察到：“结合静态X射线结构，这1.1GHz数据首次定量解释了FRET（福斯特共振能量转移）效率。这一量化结果为传感器研究开发人员进一步优化钙离子传感器打下了坚实的基础，钙离子传感器是利用空间分辨荧光分析技术测量神经元中钙浓度的关键点，因此也是神经生物学中必不可少的工具。我们期待着1.2GHz波谱仪的诞生，并把它用于目前的项目中来表征固有无序蛋白质的液滴和低聚物，这些蛋白质是许多疾病的主要参与者，例如神经变性和癌症。这些重要的无序系统目前无法用结构生物学中的其他方法，如X射线结晶学或低温电子显微镜，以埃分辨率进行研究。”来自田纳西州孟菲斯市St. Jude儿童研究医院的结构生物学系主任Charalampos Kalodimos博士说，一旦工厂完成所有测试，他们有望获得世界上第一台1.1GHz NMR光谱仪。他又补充道：“我们期待着今年晚些时候，我们的机构将收到第一台1.1GHz NMR波谱仪。1.1GHz系统将是我们在动态分子机器领域进行研究的最重要的工具，例如对分子伴侣和蛋白激酶的研究。我们对布鲁克能够取得这一巨大的技术成就表示由衷的赞美。”布鲁克公司今天还宣布，它已收到德国柏林Leibniz Forschung分子药理学研究所教授Hartmut Oschkinat和Adam Lange的1.2GHz NMR系统的额外采购订单。Bruker公司现在总共已收到九台1.2GHz NMR波谱仪的采购订单，到目前为止全部都在欧洲。关于布鲁克公司布鲁克公司致力于为科学家们创造有利条件，实现技术突破，并且开发一系列全新的应用程序，以便提高人们的生活质量。科学家们借助于布鲁克公司的高性能科学仪器以及高价值分析和诊断解决方案，能够在分子、细胞和微观层面对生命和物质进行研究和探索。布鲁克公司与客户密切合作，在生命科学分子研究、应用和制药应用、显微镜和纳米分析、工业应用、细胞生物学、临床前成像、临床表型组学和蛋白质组学研究，以及临床微生物学领域推动创新，提高生产力，并且为客户实施的方案和项目助一臂之力。

仪器信息网讯 2021年11月5日，第四届中国国际进口博览会于上海隆重开幕。作为联通中国与世界的窗口，进博会架起企业合作交流的舞台，同时彰显了中国市场巨大的魅力。而今年的进博会，科学仪器的“戏份”格外出彩。其中，提供食品和农产品领域全面分析解决方案的丹麦福斯分析仪器公司精彩亮相进博会。进博会现场，福斯华（北京）科贸有限公司总经理汪振华先生接受了仪器信息网特别采访，分享了福斯公司此次参加进博会的亮点以及福斯公司中国市场的发展战略等。福斯华（北京）科贸有限公司总经理汪振华先生接受仪器信息网采访作为丹麦展团的一员，福斯此次是第一次参加进博会。谈到参加进博会的目的，汪振华先生表示，虽然福斯是一个很小众的品牌，但是服务的是中国最高端的用户，所以想通过进博会这样的国家级平台，在中国真正推广公司的品牌，提高福斯的知名度。此次进博会，福斯特别展示了全新一代乳品分析仪MilkoScan™FT3、肉制品分析仪FoodScan™2，以及酒类分析仪WineScan™等产品。福斯借助政策红利以及强有力的技术优势为食品及农产品行业客户持续创造价值，近年来不断刷新在中国市场的销售业绩。汪振华先生自豪地表示，福斯中国市场业绩占福斯全球的20%左右，是福斯所有分公司里面最大的一家，也是福斯全球第二大的销售公司，在福斯全球化体系中占据了非常核心的地位。如今全球经济形式日益复杂，疫情的不确定性仍在持续，但是作为2020年全球唯一实现经济正增长的主要经济体，中国市场的重要性在各跨国公司的战略布局中也愈发凸显。特别是随着中国“十四五”的开局，各大跨国集团都在深耕中国市场、践行本土化战略，福斯公司就是其中的佼佼者。据汪振华先生介绍，从70年代产品进入中国，福斯一直在坚持本土化战略。尤其是2008年在苏州建设的苏州工厂，是福斯除丹麦工厂以外的唯一的一家工厂。此外，福斯在中国设有研发中心和技术服务团队。采访最后，汪振华先生特别表示，“配合今年的‘十四五’规划，我们将会在人才、研发、生产等方面加大投入，推出更多国产化的产品，服务于中国国产化、智能化的建设。”详细内容请见：