二维空间瞄准系统

?SDOM的原理示意图　　10月31日，Nature Methods杂志的“研究亮点”栏目报道了由北京大学席鹏课题组及其合作者提出的一种新的基于偏振偶极子方位角的超分辨技术SDOM。这一技术不仅为超分辨提供了一种全新的荧光偶极子的维度、提升了分辨率，能够更清晰地认识其标记的蛋白结构，还为本领域近期的一个热点争论提供了解答。　　北京大学博士生张昊、清华大学博士生陈龙为共同第一作者，北京大学席鹏教授、澳大利亚悉尼技术大学金大勇教授及清华大学清华信息国家实验室张奇伟课题组的高军涛副研究员为共同通讯作者。　　从“显微”到“显纳”　　随着显微技术的发展，人们观察事物的尺度已经可以深入到微米，甚至是纳米级别。　　然而，显微技术本身也有天花板。德国物理学家恩斯特阿贝曾指出：光学显微镜分辨率的极限，大约是可见光波长的一半，最小约为200纳米(阿贝衍射极限)。　　不仅如此，显微技术本身的发展局限也会影响到其它学科。北京大学工学院教授席鹏告诉《知识分子》，比如，生物学家更乐于追求在微观层面了解生命的奥秘，“分辨率决定了细胞的研究深度”。　　据席鹏介绍，显微镜主要分为光学显微镜和电子显微镜两大类。电子显微镜虽然分辨率可以做到很高，但低温、真空等实验环境往往会影响实验对象的生物活性。因此，科学家们一直在不断努力，试图寻找突破光学显微镜分辨极限的方法。　　在寻求突破的过程中，诺奖得主Eric Betzig于1995年在论文中提出了“从不同维度将荧光分子区分开来，从而实现超分辨”的想法论。这一思想与现实中三维空间观察(超分辨)及对应二维投影(传统成像)类似。　　在进行显微观察时，人们为了确定单点的位置，会从不同维度对一个点进行描述，最简单的方法就是坐标法：在三维空间确定三个坐标轴，然后用三个维度(x,y,z)进行描述。而Betzig教授则添加了第四个维度——时间，将空间上重叠的点分离，从而更加细致的描述一个点的位置。随后，Betzig教授提出了单分子定位超分辨技术PALM，这一技术通过在时间维度将分子分开，从而实现了超分辨。　　然而，虽然PALM的空间分辨率可达10-20纳米，却由于该技术需要将粒子在时间上拆分，直接造成时间维度的牺牲，因此其成像时间比较长(典型在十几分钟量级)。　　?Betzig提出的超分辨思想：从另一维度对荧光分子进行分离，从而达到超分辨。　　偏振：超分辨显微的新“四维”　　此次席鹏课题组则在三维坐标的基础上引入了第四个新的维度——荧光偏振。　　荧光的偏振特性(Fluorescence Polarization)的发现要早于超分辨概念，1926年就被Jean Baptiste Perrin(法国物理学家，1926年诺贝尔奖获得者)等人发现。然而在荧光超分辨显微中，对于荧光的其他特性如荧光强度、激发与吸收光谱、荧光寿命等方面，皆存在很好的应用，但人们却对荧光偶极子的方向(偏振)却甚少关注。　　虽然之前有科学家在偏振方向做出了一定的尝试，但所获成果却在该领域引起了一定的争议和质疑。　　2014年，Peter J. Walla课题组在Nature Methods上发表文章，通过对激光进行偏振调制来实现稀疏重构的超分辨成像。而在今年年初，同样在Nature Methods上，Jan Keller课题组则对此提出了质疑，并发表了针对这一文章的评论：利用荧光偏振不能够获得进一步的超分辨。Walla课题组一方面承认了Keller等人的观察，另一方面则用新的实验捍卫他们自己的工作，从而引出了一个有意思的争论：偏振调制能否为超分辨带来更多信息?　　由于Walla课题组和Keller课题组都是从传统的荧光强度来看待这一问题，席鹏课题组及其合作者则从偏振方向提出了一种名为SDOM(Super-resolution Dipole Orientation Mapping)的新型超分辨技术，该技术引入荧光的偶极子角度作为荧光分子的第四维度，同时从荧光强度和荧光各向异性来考虑偏振调制能否带来更多超分辨信息，完美地回答了这一争论[7] 。　　?Nature Methods 2016年1月就“偏振调制是否对超分辨有帮助”这一问题展开了争论。　　据席鹏介绍，传统的荧光各向异性显微成像技术往往只能观察简单样本的荧光偏振，而对于复杂样本，荧光的偏振由于阿贝衍射极限的存在会受到众多荧光团的影响，从而只能观察到平均效果。而超分辨偶极子方向映射(SDOM)技术则实现了同时观察荧光的强度和偏振，从偏振调制数据中将空间强度信息和偏振信息解调出来，既提升了成像的空间分辨率，也提升了探测荧光团偶极子方向的精度。　　“一方面，我们通过在传统荧光显微镜的外部加上一个偏振片，使入射的激发光产生偏振 另一方面，我们联合合作者编制相应的算法对被观察物体的偏振进行分析解调，从而获得超分辨的效果，相较于之前的成像效果，SDOM可以将分辨率提升到50-60纳米，尺度缩小了一个数量级，在分辨率上有了很大的提升”席鹏提到。　　?相较于之前的“一片模糊”(图片中左上角)，SDOM技术提供的成像(右下部分)更加精准、清晰。　　同时，席鹏还表示，SDOM技术具有很快的成像速度(最快可达每秒5帧超分辨)，对激发光功率要求也很低(毫瓦量级)，非常适用于活细胞观察。　　在具体操作方面，作者将SDOM技术应用在固定细胞(海马神经元的SDOM成像以及哺乳动物细胞的肌动蛋白成像)以及活体酵母细胞中的septin蛋白成像。目前，关于基因组三维结构的研究正在掀起一轮新的热潮，而NPC(核孔复合体)对于染色体在细胞核内的定位及基因组的三维结构非常重要。因此，作者也利用该新技术对NPC进行了偏振超分辨成像。这些图像都预示着SDOM超分辨技术在生命科学领域中巨大的应用前景。　　值得一题的是，本工作的算法已经通过Github开源，目的是让更多的科研工作者能够从中受益。　　? 2014年诺贝尔化学奖颁给了在超分辨领域做出杰出贡献的(从左至右)埃里克?白兹格、施泰方?海尔和威廉姆?莫纳尔(图片来源：Nobelprize.org)　　最后，席鹏表示，从上世纪九十年代中期到现在，每过十年左右，显微技术就会达到一个节点，“从94、95年超分辨概念被提出，到05、06年超分辨迎来了一个爆发式的增长，各种技术频出 再到2014年，诺贝尔化学奖颁给了超分辨领域的三位开创者，各成果也在很多领域得到了应用。但由于过去大多数超分辨技术强烈依赖于染料，这也限制了它们的应用范围。而SDOM技术由于不依赖于特定的荧光染料，因此有望在生物显微中得到进一步的应用。”　　目前，国际上正在掀起一系列偏振超分辨的热潮。超分辨的诺贝尔奖得主William E. Moerner(美国化学家，2014年诺贝尔奖得主)利用荧光分子偏振研究了DNA的构象变化 法国科学家Sophie Brasselet等人提出了PolarSTORM技术，结合荧光单分子定位和偏振信息对DNA和肌动蛋白进行了超分辨成像 美国布朗大学Tani课题组则对DNA和F-actin(纤维形肌动蛋白)的偏振进行了动态跟踪。

项目编号：0705-224002028113项目名称：复旦大学基因多维空间分析仪采购国际招标预算金额：325.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：318.5000000 万元（人民币）采购需求：1、招标条件项目概况：基因多维空间分析仪采购资金到位或资金来源落实情况：本次招标所需的资金来源已经落实项目已具备招标条件的说明：已具备招标条件2、招标内容：招标项目编号：0705-224002028113招标项目名称：基因多维空间分析仪采购项目实施地点：中国上海市招标产品列表(主要设备)：序号产品名称数量简要技术规格备注1基因多维空间分析仪1套RNA分析重数大于等于1000重预算金额：人民币325万元 最高限价：人民币318.5万元 合同履行期限：签订合同后4个月内合同履行期限：签订合同后4个月内本项目( 不接受 )联合体投标。

导读：自2017年来，二维磁性在单层材料中的实现使得二维磁性材料受到了大的关注。范德瓦尔斯磁体让我们对二维限下的磁性有了更进一步的了解，不同磁结构的范德瓦尔斯磁体使得实验上探究二维下的磁学模型成为可能。例如，在单层CrI3中发现Ising铁磁，而XY模型的NiPS3在单层限下的磁性会被抑制。除了这些，有着变磁行为的范德瓦尔斯磁体更为有趣，比如在少层CrCl3中由于奇数层存在着未补偿磁矩，使得奇数层存在着spin-flop转变，而偶数层则没有。目前，现存的二维磁性材料非常稀少，这意味着新范德瓦尔斯磁体的发现，不仅仅有助于二维磁性的研究，更是为二维自旋电子学器件的应用提供了材料基础[1]。相比于传统的三维空间结构，二维层状磁性材料因其原子层间较弱的范德华尔斯作用力，能够人为操控其层间堆叠方式，进而有可能影响其磁耦合特性，为新型二维自旋器件的研制提供新思路。然而，堆叠方式与磁耦合间的关联机制仍不甚明晰，需要借助先进的扫描探针技术才能实现在原子层面的直接实验观测。美国RHK公司所提供的先进R9plus扫描探针显微镜控制器可以有效结合课题组自主研发的扫描探针设备，同时给予高效率的扫描控制，从而可以针对二维磁性材料应用领域展开更为深入的研究。本文重点介绍国内课题组灵活运用RHK公司扫描探针控制器，配合自主研发设计的扫描探针设备所开展的一系列国际前沿性二维材料领域的研究工作，其中各研究工作当前已在国际SCI核心学术期刊发表。科学成果的突破，离不开实验技术的不断攻坚克难。复旦大学物理学系教授高春雷、吴施伟团队通过团队自主研发搭建的扫描探针设备创造性地将原位化合物分子束外延生长技术和自旋化扫描隧道显微镜相结合，在原子层面彻底厘清了双层二维磁性半导体溴化铬（CrBr3）的层间堆叠和磁耦合间的关联，为二维磁性的调控指出了新的维度。相关研究成果以 《范德华尔斯堆叠依赖的层间磁耦合的直接观测》（“Direct observation of van der Waals stacking dependent interlayer magnetism”）为题发表于《科学》（Science）主刊，其中复旦大学物理学系博士后陈维炯为作者[2]。图中所示为陈博士与RHK技术总监进行深入的技术探讨，现场摸索优化测试信号，并详细沟通具体的测量细节，为后续高效率提取高质量大数据做准备。 课题组运用自主研制的自旋化扫描隧道显微镜测量技术，结合RHK公司先进的扫描探针显微镜控制器对自主研发实验设备实现测量调控，团队进一步在原子分辨下获取了样品磁化方向的相对变化，从而实现了实验突破，揭秘材料堆叠方式与磁耦合之间的直接关联性。团队以CrBr3双层膜作为主要研究对象和潜在突破口。双层CrBr3间较弱的范德瓦尔斯力赋予层间发生相对转动和平移的“自由”，从而使堆叠方式多样化成为可能。确实，在实验中获得的CrBr3双层膜具有两种不同的转动堆叠结构（H型和R型），分别对应迥异的结构对称性。其中，R型堆叠结构中，双层膜上下两层间同向平行排列，且沿晶体镜面方向作一定平移；H型堆叠结构中，双层膜上下两层之间旋转了180度，反向平行交错排列。这两种结构均是在相应的体材料中从未发现过的全新堆叠结构。至此，团队率先在原子尺度阐明了CrBr3堆叠结构与层间铁磁、反铁磁耦合的直接关联，为理解三卤化铬家族CrX3中不同成员的迥异磁耦合提供了指导。H型和R型堆叠的CrBr3双层膜自旋化扫描隧道显微镜测量 更多精彩案例： 《Nature》子刊：中国科大扭转双层石墨烯重要进展！ 范德瓦尔斯堆叠的双层石墨烯具有一系列新奇的电学性质（例如，电场可调控的能隙、随扭转转角变化的范霍夫奇点以及一维拓扑边界态等）。当双层石墨烯的扭转转角减小到一系列特定的值（魔角）时，体系的费米面附近出现平带，电子在能量空间高度局域，电子-电子相互作用显著增强，出现莫特缘体和反常超导量子物态。另一方面，这些新奇的性质与双层石墨烯体系的扭转角度有着严格的依赖关系，体系层间相互作用随着转角减小会逐渐增强，因此探寻和研究这种层间耦合对理解扭转双层石墨烯的电子结构和物理性质至关重要。中国科学技术大学合肥微尺度物质科学研究中心国际功能材料量子设计中心（ICQD）物理系秦胜勇教授与武汉大学袁声军教授及其他国内外同行合作，利用扫描隧道显微镜和扫描隧道谱，次在双层转角石墨烯体系中发现了本征赝磁场存在的重要证据，结合大尺度理论计算指出该赝磁场来源于层间相互作用导致的非均匀晶格重构。相关研究成果以“Large-area, periodic, and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene”为题，于2020年发表于《自然通讯》（Nature Communications 2020,11,371）上[3]。图：小角度双层石墨烯中本征赝磁场的发现。对于转角为0.48度的双层石墨烯，在不加外磁场情况下，实验发现了贋朗道能（图b），理论计算进一步验证了这种贋磁场行为（图c），并估算出贋磁场值大约为6特斯拉（图e）。 该团队系统研究了小角度下（1°）双层石墨烯的电学性质，次证实了由晶格重构导致的本征赝磁场。先，研究人员发现体系中赝磁场导致了低能载流子的能量量子化，并计算出这种本征赝磁场在实空间的分布。研究发现赝磁场的分布并不是均匀的，而是以AA堆叠为中心呈涡旋状，且在AA堆叠边界区域达到大值；另外，该赝磁场的大小随着转角的减小而增大，其分布和大小受到外加应力的调控。该项研究证实，在小角度扭转双层石墨烯中晶格重构导致的赝磁场和强关联电子态存在着内在的关联，层间相互作用对体系的结构重构和性质变化有着非常重要的影响。这一现象可以推广到其他范德瓦尔斯堆叠的二维材料体系中。这项工作同时表明，具有本征赝磁场的小角度扭转双层石墨烯是实现量子反常霍尔效应的一个可能平台，为研究二维材料的性质和应用提供了新的思路。RHK公司提供的R9plus扫描探针显微镜强有力的为国内自主研发技术提供有力保障，除了在科研领域内重点关注的二维材料发挥重要作用以外，也对国内其它相关扫描探针设备研发领域课题组提供技术支持。中国科学技术大学陆轻铀教授团队与中国科学院强磁场科学中心、新加坡国立大学等单位合作，利用扫描探针控制器实现了高精度的磁力显微镜观察表征，报告了在超薄BaTiO3/SrRuO3 (BTO/SRO)双层异质结构中发现铁电体（FE）驱动的、高度可调谐的磁性斯格明子。在BTO中，FE驱动的离子位移可以穿过异质界面，并继续为多个单元进入SRO。这种所谓的FE邻近效应已经在不同的FE/金属氧化物异质界面中得到了预测和证实。在BTO/SRO异质结构中，这种效应可以诱导相当大的DMI，从而稳定强大的磁性物质。此外，通过利用BTO覆盖层的FE化，可以实现对斯格明子性质的局部、可逆和非易失性控制。这种铁电可调的斯格明子系统为设计具有高集成性和可寻址性的基于斯格明子的功能设备提供了一个潜在的方向。相关成果以题为“Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures”发表在了Nat. Mater.上[4]。B20S5样品中磁性斯格明子的磁力显微镜表征 除此之外该课题组也对二维过渡金属硫化物材料MoTe2温度依赖的表面STM图像、电子结构、晶格动力学和拓扑性质进行了研究。研究结果以Uniaxial negative thermal expansion and band renormalization in monolayer Td-MoTe2 at low temperature为题，发表在美国物理学会杂志《物理评论B》上。该工作为二维过渡金属硫化物材料MX2的低温研究、实验制备和器件开发提供了直接的理论支持，其揭示的MoTe2低温下反常物性的内在物理机制对其它具有内在MX2八面体结构畸变的二维材料同样具有参考价值[5]。学术工作之外，该课题组在仪器设备研发方面也取得了优异的成果，课题组在国际上次研制成功混合磁体端条件下原子分辨扫描隧道显微镜（STM），相关研究成果发表在显微镜领域著名期刊Ultramicroscopy和著名仪器刊物Review of Scientific Instruments上。此工作利用混合磁体搭配RHK公司扫描探针设备开展原子分辨成像研究，对于突破当前超强磁场下只能开展输运等宏观平均效果测量的瓶颈，进入到广阔的物性微观起源探索领域，具有标志性意义。同时，课题组又针对超强磁场下的生物分子高分辨成像，搭建了一套室温大气环境下的分体式STM。该系统将一段螺纹密封式胶囊腔体通过一根长弹簧悬吊于混合磁体中心，并将STM核心镜体悬吊于胶囊腔体内用以减弱声音振动干扰。经测试，该STM在27.5特斯拉超强磁场下依然保持原子分辨。由于没有真空、低温环境的保护，搭建混合磁体超强磁场、超强振动和声音环境下的室温大气STM难度更大。此前，国际上还未曾报道过水冷磁体或混合磁体中的室温大气STM[6]。混合磁体STM系统：（a）混合磁体照片；（b）混合磁体STM系统简图；（c）STM镜体；（i-iv）分别为0T、21.3T、28.3T、30.1T磁场强度下石墨的原子分辨STM图像。 参考文献：1. Peng, Y., et al., A Quaternary van der Waals Ferromagnetic Semiconductor AgVP2Se6. Advanced Functional Materials, 2020. 30(34): p. 1910036.2. Chen, W., et al., Direct observation of van der Waals stacking-dependent interlayer magnetism. Science, 2019. 366(6468): p. 983-987.3. Shi, H., et al., Large-area, periodic, and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene. Nat Commun, 2020. 11(1): p. 371.4. Wang, L., et al., Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures. Nat Mater, 2018. 17(12): p. 1087-1094.5. Ge, Y., et al., Uniaxial negative thermal expansion and band renormalization in monolayer Td?MoTe2 at low temperature. Physical Review B, 2020. 101(10).6. Meng, W., et al., 30 T scanning tunnelling microscope in a hybrid magnet with essentially non-metallic design. Ultramicroscopy, 2020. 212: p. 112975.