厚组织全息相位定量显微镜

泰思肯(TESCAN) 位于欧洲电子光学研发和制造基地捷克布尔诺市，主要研发和生产扫描电子显微镜，其前身是世界电子光学设备制造的领航者TESLA，有超过60年电子显微镜的研发制造历史。 　　一直以来，泰思肯在电子显微镜领域深耕细作，然而就在不久前，泰思肯推出了一台全息显微镜Q-Phase，开始进军光学显微镜市场。目前这款产品已在中国上市。为何泰思肯会选择推出光学显微镜产品，这款产品又有着怎样的特点和竞争优势呢?仪器信息网编辑采访了泰思肯的相关负责人。 　　Instrument：作为一家电镜厂商，泰思肯为何选择推出光学显微镜产品? 　　泰思肯：TESCAN Brno在欧洲一直是一个开放性实验室，与很多大学和科研院所保持紧密的合作。捷克的布尔诺技术大学的Radim Chmelí k教授团队一直从事全息显微镜的研究，并且在2011年之后，就进入TESCAN接续进行研发。由于双方有非常好的合作关系，并共同申请了专利。TESCAN本身也具有极强的研发和制造能力，于是成功的将全息显微镜进行了商品化。 　　Instrument：新推出的Q-Phase全息显微镜有什么样的特点? 　　泰思肯：Q-Phase利用全息干涉法以及相干门控技术，具备多种成像模式，有定量相位成像、荧光成像、模拟DIC成像和明场成像。其中定量相位成像可以提供式样的立体形态、以及细胞干重的定量信息，细胞干重精确度可到pg/um2。 　　此外，Q-Phase还可以选配恒温箱等附件，可以对显微镜环境(如温度、湿度、气氛等)进行精确控制，可根据用户需要，进行细胞的培养或处理，同时实时观测。 　　Instrument：与同类产品相比，Q-Phase有哪些技术优势? 　　泰思肯：和目前已有的常规技术相比，Q-Phase具有众多优势：首先，不需要进行染色处理；其次，Q-Phase所需要的光强要比一般的全息显微镜低7个数量级，对样品的损伤更小，有利于长期观察；再次，可以做到细胞干重的定量测试；然后，Q-phase具有更好的空间分辨率，没有图像失真、渐晕、伪影等；还有，Q-phase具有超出同类方法很多的扫描速度，非常适合做原位观察。 　　另外，Q-Phase可以在散射介质中对细胞进行直接的观察，而且依然有非常优秀的衬度。这在传统的相衬技术中是难以实现的。 　　Instrument：Q-Phase全息显微镜适用于哪些应用领域? 　　泰思肯：Q-Phase主要用于生物与生物成像领域，以及活细胞的动态成像观察。比如：细胞的分裂和繁殖、干重测试、细胞运动、生命周期的观察；癌细胞的研究，药物的测试、组织切片等领域。

激光全息技术开创了前所未有的最佳非标记实时细胞分析，可以在细胞自然生长状态下，无需任何标记，即可实时分析细胞的增殖，分化，凋亡，并可实时提供视野内每个细胞的运行轨迹及形态变化。 激光全息技术有别于电阻法和其他的标记显微技术，激光全息技术利用激光干涉原理，可以定量每个细胞的形态参数，包括体积，面积，厚度，圆度，不规则度等等，并可进行细胞3D形态的观察。 仪器小巧，可在桌面观察样品，也可直接放入培养箱，实现边培养边观察。633nm的微弱红光，经历长时间多次曝光，不会对细胞造成任何伤害 右图为放置在培养中的M4激光全息显微镜 技术应用 M4自动聚焦，全程无需手动调焦。实时追踪细胞形态变化，并可以以Video的形式导出，呈现最真实的3D图像 如应用到人类胰腺肿瘤细胞系PaTu 8988S和PaTu 8988T细胞骨架动态变化。经过Latrunculin B 处理后的细胞形态的变化过程。 应用于细胞凋亡研究 纳米级的分辨率能观察到细胞分化整个过程 研究小鼠神经元在凋亡时体积的变化，监控凋亡的整个过程，结合细胞计数功能，量化细胞的存活率。可应用于药物筛选。 实时拍摄细胞迁移功能 细胞计数功能--自动生成体积、面积与细胞数量的分布图，以及细胞总数量以及每ml细胞数量。 细胞追踪功能 选择靶标细胞进行实时追踪，监控肿瘤细胞运行的轨迹以及迁移速率，运动速率 自动导出的细胞迁移轨迹图谱 实时监控细胞体积的变化，检测细胞分化 瑞典Phiab公司简介： 瑞典Phiab公司是激光全息细胞分析的全球领导品牌。激光全息技术开辟了细胞成像分析的新纪元，被国外专业杂志评价为开创性技术。M3激光全息细胞成像及分析系统作为专业细胞全息分析的第一品牌，提供无与伦比的细胞形态学分析和实时3D成像技术，将开启细胞形态学分析新的研究领域。 瑞典Phiab公司国内独家代理： 北京倍辉科技有限公司 www.bio-sun.com.cn

新加坡—麻省理工学院研究与技术联盟的科学家开发了世界上最小的LED（发光二极管）。这种新型LED可用于构建迄今最小的全息显微镜，让现有手机上的摄像头仅通过修改硅芯片和软件即可转换为显微镜。相关研究发表在最近的《光学》杂志上。　　这一突破得到了革命性神经网络算法的支持，该算法能够重建全息显微镜观察的物体，增强对细胞和细菌等微观物体的检查，而无须笨重的传统显微镜或额外的光学器件。　　大多数光子芯片中的光都来自芯片外，这导致整体能源效率低下，从根本上限制了芯片的可扩展性。　　团队此次开发的最小硅发射器，其光强度可与目前最先进的大面积硅发射器相媲美。新型LED在室温下表现出高空间强度（102±48毫瓦/平方厘米），并且在所有已知的硅发射器中具有最小的发射面积（0.09±0.04平方微米）。为了展示潜在的实际应用，研究人员随后将这种LED集成到一个不需要透镜或针孔的在线、厘米级全硅全息显微镜中。　　他们还构建了一种新颖的、未经训练的深度神经网络架构，该架构能使全息显微镜重建图像并提高图像质量。与需要训练的传统方法不同，新的神经网络架构通过在算法中嵌入物理模型来消除训练的需要，允许研究人员在事先不了解光源光谱或光束轮廓的情况下使用新型光源。　　这种微型LED和神经网络的协同组合，可用于其他计算成像，例如用于活细胞跟踪的紧凑型显微镜或活植物等生物组织的光谱成像。该研究还为光子学的重大进步铺平了道路。

近日，中国科学院上海高等研究院王中阳团队提出基于相位恢复算法的单次曝光定量相位显微技术。相关研究成果以Phase microscopy using band-limited image and its Fourier transform constraints为题，发表在Optics Letters上。相位恢复技术作为非干涉的定量相位重构技术，为透明细胞结构和三维表面形貌等提供了无标记、无接触、无损伤的重要测量手段。然而，以迭代投影算法为核心的相位恢复技术，其有效性依赖于解的唯一性和算法的收敛性。在现有同类技术中，X射线相干衍射成像技术（CDI）需要成像物体的先验信息（如准确的成像物体尺寸）来施加“紧”约束条件使算法收敛到正确的相位信息。进一步发展的叠层成像技术和傅里叶叠层显微技术通过物面或傅里叶面的多帧冗余测量来提高算法的收敛性。然而，在实际的生物成像中，准确的物体尺寸通常难以获得，且多帧冗余测量降低了成像的时间分辨率。上述问题限制了它在无标记生物动态成像中的应用。基于此，王中阳团队提出了新型的单次曝光定量相位显微技术，称为BIFT（Bandlimited Image and its Fourier Transform）显微镜。科研人员在传统光学显微镜上引入分束器和傅里叶透镜，同时采集显微物体的像以及透镜变换后的傅里叶像。BIFT显微装置如图a所示。研究通过利用显微系统中固有的视场、频谱受限以及有限照明等作为约束条件，从而避免了成像物体的先验约束，去除了CDI技术中常见的三类模糊解（即无法区分原始物体的平移、共轭旋转以及全局相移），提升了解的唯一性和算法的收敛性。同时，该技术的空间带宽积（SBP，衡量显微系统成像信息容量的不变量）仅受显微物镜参数限制，打破了CDI技术成像系统SBP依赖于采样率，会因其过采样需求而SBP降低至少一半的限制。由于采集了像的幅度信息，该技术的采样率相比CDI技术降低了一半，同时改进的算法提升了算法收敛速度和相位重构精度。此外，该工作还讨论了采样率、像素响应、噪声等因素对相位恢复的影响。实验演示了光栅和血红细胞的单次曝光相位成像。在血红细胞的定量相位恢复的实验研究中显示，该技术单次曝光的条件下即达到了数字全息显微中10帧图像才能达到的效果。重构的红细胞光学高度如图b所示。因此，该技术单次曝光相位成像的能力有望在无标记生物动态成像中得到广泛应用。研究工作得到上海市科学技术委员会的支持。相关技术已得到国内专利授权，并申请国际PCT专利。显微系统装置示意图与血红细胞重构结果文章链接：https://doi.org/10.1364/OL.487626

全息术是一种能够对光波前进行记录和重建的技术，自从 1948 年匈牙利-英国物理学家 Dennis Gabor 发明全息术以来，该技术不仅得到了显微学家，工程师，物理学家甚至艺术家等各领域的广泛关注，还使他获得了 1971 年的诺贝尔物理学奖。干涉术作为光学中另一个主要研究领域，是利用光波的叠加干涉来提取信息，其原理与全息术都是用整体的强度信息来记录光波的振幅和相位，虽然记录的方法有很大不同，但随着 20 世纪 90 年代，高采样密度的电子相机的出现，可用来记录数字全息图，则进一步增强了二者的联系。近日，针对全息术对表面形貌的干涉测量的发展的推动作用，来自美国 Zygo Corporation 的 Peter J. de Groot、 Leslie L. Deck，中国科学院上海光机所的 苏榕 以及德国斯图加特大学的 Wolfgang Osten 联合在 Light: Advanced Manufacturing 上发表了综述文章，题为“Contributions of holography to the advancement of interferometric measurements of surface topography”。本文回顾了包括相移干涉测量，载波条纹干涉，相干降噪，数字全息的斐索干涉仪，计算机生成全息图，震动、变形和粗糙表面形貌和使用三维传输方程的光学建模七个方面，从数据采集到三维成像的基本理论，说明了全息术和干涉测量的协同发展，这两个领域呈现出共同增强和改进的趋势。图1 全息术的两步过程图2 干涉术的两步过程相移干涉测量术 因为记录的光场的复振幅被锁定在强度图样中的共同基本原理，全息术和干涉测量术捕获波前信息也是一个常见的困难，用于表面形貌测量的现代干涉仪中，常用相移干涉测量术（PSI）来解决这个问题，PSI 的思路是通过记录除了它们之间的相移之外几乎相同的多个干涉图，以获取足够的信息来提取被测物体光的相位和强度。Dennis Gabor 早在 1950 年代搭建的全息干涉显微镜使用偏振光学隔离所需的波前，引入除相移外两个完全相同的全息图。如图3所示，Gabor 的正交显微镜使用了一个特殊的棱镜，在反射光和透射光之间引入了 π/2 的相移。因此，可以说，用于表面测量的 PSI 首先出现在全息术中，然后独立出现在干涉测量术中。PSI 现在被广泛用于光学测试和干涉显微镜，虽然许多因素促成了其发展，但其基本思想可以追溯到使用多个相移全息图进行波前合成的最早工作。图3 Gabor正交显微镜简化示意图载波条纹干涉测量术 通过使用角度足够大的参考波来分离 Gabor 全息图中的重叠图像，从而使全息图形成的重建真实图像和共轭图像在远场中变得可分离，是全息术的重大突破之一， 到 1970 年代，人们意识到传播波阵面的远场分离等价物可以在没有全息重建的情况下模拟干涉测量。这一概念在 1982 年武田 (Takeda) 的开创性工作中广受欢迎，他描述了用于结构光和表面形貌的干涉测量的载波条纹方法。载波条纹干涉测量术的基本原理源自通信理论和 Lohmann 对全息重建过程的傅里叶分析。到 2000 年代，计算机和相机技术已经足够先进，可以使用高横向分辨率的二维数字傅里叶变换进行实时数据处理，赋予了载波条纹干涉技术的新的生命。图4 从干涉图到最后的表面形貌地图的过程此外，在菲索干涉仪中，参考波和物体表面的相对倾斜会导致相机处出现密集的干涉条纹。如果仪器在离轴操作时，具有可控制或可补偿的像差，所以只需要对激光菲索系统的光机械硬件进行少量更改，就可以实现这种全息数据采集。因此，载波条纹干涉仪通常是提供机械相移的系统的选择。相干降噪 虽然可见光波段激光器的发明给全息术带来重要进展，然而，在全息术和干涉测量术中不使用激光的主要原因是，散斑效应和来自尘埃颗粒和额外的反射而产生的相干噪声。通过仔细清理光学表面只能很小部分的噪声，而围绕系统的光轴连续地旋转整个光源单元就可以解决这个问题。如果曝光时间很长，这种运动会增强所需的静态图样，同时平均化掉大部分相干噪声。常用的实现平均化的方式包括围绕光轴旋转光学元件、沿着照明光移动漫射器、用旋转元件改变照明光的入射方向，或在傅里叶平面中移动不同的掩模成像系统。激光在 1960 年代开始出现在不等路径光学装置中，最初为全息术开发以减少相干噪声的平均方法，被证明也可有效改善干涉测量的结果。图5中，是 Close 在 1972 年提出的一种基于脉冲红宝石激光器的便携式全息显微镜。显微镜记录了四个全息图，每个全息图都有一个独立的散斑图案，对应于棱镜的旋转位置，由全息图形成的四个图像不相干叠加以减少相干噪声和散斑粒度。图5 使用旋转楔形棱镜的相干降噪系统数字全息菲索干涉仪 Gabor 的背景和研究兴趣使他将全息术视为一种具有大景深的新型显微成像技术，使显微镜学家可以任意地检查图像的不同平面。记录后重新聚焦图像的能力仍然是全息术的决定性特征之一，使我们无需仔细地将物体成像到胶片或探测器上。它还可以记录测量体积，能够清晰地成像三维数据的横截面。而数字全息术使这种能力变得更具吸引力，其重新聚焦完全在计算机内实现。虽然数字重聚焦在数字全息显微镜中很常见，但它通常不被认为是表面形貌干涉测量的特征或能力。尽管如此，从前面对该方法的数学描述来看，在采集后以相同的方式重新聚焦常规干涉测量数据是完全可行的。随着数据密度的增加，人们对校正聚焦误差以保持干涉测量中的高横向分辨率感兴趣。图6 激光菲索干涉仪的聚焦机理与全息系统不同，传统干涉仪的布置方式是在数据采集之前将物体表面精确地聚焦到相机上。图 6 说明了一种简化的聚焦机制。聚焦通常是手动过程，涉及图像清晰度的主观确定。由于光学表面通常在设计上没有特征，因此常见的过程包括将直尺放置在尽可能靠近调整表面的位置并调整焦距，直到直尺看起来最锋利。繁琐的设置和人为错误的结合使得我们可以合理地断言，今天很少有干涉仪能够充分发挥其潜力，仅仅是因为聚焦错误。数字重新聚焦提供了使用软件解决此问题的机会。计算机产生全息图 早在 1960 年代后期，学者们就已经对波带片与计算机生成全息图 (CGH) 之间的类比有了很好的理解，这是因为在开发新的基于激光的不等径干涉仪来测试光学元件的表面形状的应用时，需要对具有非球面形状的透镜和反射镜进行精确测试。图7 计算的菲涅尔波带片图样和牛顿环（等效于单独的虚拟点光源产生的Gabor全息图）然而，干涉仪作为最好的空检测器，在比较形状几乎相同的物体和参考波前时能提供最高的精度和准确度，虽然有许多巧妙的方法可以使用反射和折射光学器件对特定种类的非球面进行空测试，但 CGH 可通过简单地改变不透明和透明区域的分布来显着增加解空间。CGH 空校正器的最吸引人的特点是波前构造的准确性在很大程度上取决于衍射区的平面内位置，而不是表面高度。因此，无需费力地将非球面参考表面抛光至纳米精度，而是可以在更宽松的尺度上从精密参考波来合成反射波前。图8 使用激光菲索干涉仪和计算机产生的全息图测试非球形表面的光学装置振动、变形和粗糙表面形貌 全息干涉测量术是全息术对干涉测量术最明显的贡献，从技术名称中就可以看出。这项发现的广泛应用引起了计量学家高度关注，包括用于通过全息术定量分析三维漫射物体的应力、应变、变形和整体轮廓的方法。全息干涉测量术的发现对干涉测量术的能力和可解释性产生了深远的影响，为了辨别这些联系，首先考虑在同一全息图的两次全息曝光中，倾斜一个平面物体。两个物体方向的强度图样的不相干叠加，调制了全息图中条纹的对比度，而当这个双曝光全息图用参考波重新照射，以合成来自物体的原始波前时，结果也是条纹图样。因此，我们看到传播波前的全息再现，可用于解调双曝光全息图中存在的非相干叠加的干涉图案，将对比度的变化转换为表示两次曝光之间差异的干涉条纹。由于全息图中这些叠加的图案相互不相干，它们可以在不同的时间、全息系统的组成部分的不同位置、甚至不同的波长等条件下生成，因此，该技术的应用范围十分广泛。图9 模拟平面的双曝光全息使用三维传输方程的光学建模 使用物体表面的二维复表示，对本质上是三维问题的传统建模，是假设所有表面点可以同时沿传播方向处于相同焦点位置。因此，这种二维近似的限制是表面高度变化相对于成像系统的景深必须很小。全息术影响了三维衍射理论的发展，进一步影响了干涉显微镜的评估和性能提升。光学仪器的许多特性可以使用传统的阿贝理论和傅里叶光学建模来理解，包括成像系统的空间带宽滤波特性。干涉仪的傅立叶光学模型的第一步，是将表面形貌的表示简化为限制在垂直于光轴的平面内的相位分布。但对于使用干涉测量术的表面形貌测量，这并不是一个具有挑战性的限制，因为普通的菲索干涉仪的景深大约为几毫米，表面高度测量范围可能为几十微米。因此，在高倍显微镜中采用三维方法的速度更快，特别是对于共聚焦显微镜，在高数值孔径下，表面形貌特征不能都在相对于景深的相同的焦点。然而，二维傅里叶光学的近似对于干涉显微镜来说是不够精确的，因为在高放大倍率下，仅几微米的高度变化，就会影响干涉条纹的清晰度和对比度。基于 Kirchhoff 近似推导出了 CSI 的三维图像形成和有效传递函数，其中均匀介质的表面可表示为连续的单层散射点。这种方法已被证明具有重要的实用价值，不仅可以用于理解测量误差的起源，是斜率、曲率和焦点的函数，还可以用于校正像差。本文总结 基于激光的全息术的出现带来了一系列快速的创新，这些创新从全息术发展到干涉测量术。虽然文中提到的七个方面无法完全概括全息术的贡献，但一个明显的趋势是全息术对用于表面形貌测量的干涉测量技术的影响正在不断增加， 这最终可能会导致全息术与通常不被认为是全息术的技术相融合，而应用光学计量的这种演变必将带来全新的解决方案。论文信息 de Groot et al. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:7https://doi.org/10.37188/lam.2022.007本文撰稿： 刘子维（英国剑桥大学，博士后）

p 　　南京理工大学学生团队研制出新型无透镜全息显微镜，这种中国人自己的新一代显微镜打破国外在该领域的垄断，成本仅为同类产品的百分之一! br/ /p p 　　据南京理工大学官微消息，在第五届“互联网+”大学生创新创业比赛获金奖的队伍中，一支来自南京理工大学电光学院的学生团队 strong 研 /strong strong 制出的新一代无透镜全息显微镜 /strong 。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 386px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/3524107b-4ffc-4b28-8fb9-e5101b28a382.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" width=" 450" height=" 386" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/d4ba7539-616b-4805-8650-15fd7cc1ca01.jpg" title=" 2.jpg" alt=" 2.jpg" width=" 450" height=" 254" border=" 0" vspace=" 0" style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 254px " / /p p style=" text-align: left " span 　　 /span 观察细胞通常需要染色标记，无法同时实现大视场、高分辨观测，体积庞大、成本高昂，是当今显微镜存在的三大痛点。 /p p style=" text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/14ee853c-da52-4067-98d2-5a3836d97902.jpg" title=" 3.jpg" alt=" 3.jpg" width=" 450" height=" 485" border=" 0" vspace=" 0" style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 485px " / /p p 　　该团队则突破痛点 ，创造出中国人自己的新一代显微镜。 span style=" text-align: center " 　 /span span style=" text-align: center " 　 /span /p p 　　新华社报道称，这种新一代无透镜全息显微镜打破国外在该领域的垄断，成本仅为同类产品的百分之一 。 /p p 　　 strong 中国人自己的新一代显微镜 /strong /p p 　　 strong 有多厉害? /strong /p p 　　“CyteLive”是该团队研发出的新一代无透镜全息显微镜，不仅可以内置于培养箱，还是目前唯一 能够同时实现非染色、大视场、高分辨、长时间连续观察的显微镜产品，且售价远低于 进口产品。 /p p 　　“由于细胞是无色透明的，所以通常需要将细胞染色标记再观察。然而，这将损害甚至是杀死细胞，难以实现长时间连续观测。”团队负责人、电光学院博士研究生卢林芃说道。 /p p 　　团队利用定量相位成像技术，使CyteLive可以在无需对细胞进行任何染色标记的前提下，实现长达数天的连续观测，不仅细胞细节清晰可见，还能准确还原其三维影像，可谓“360度全方位无死角” 。 /p p style=" text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/1d944d2e-2443-4b71-ba19-7e2c61d0addb.jpg" title=" 4.jpg" alt=" 4.jpg" width=" 450" height=" 273" border=" 0" vspace=" 0" style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 273px " / /p p style=" text-align: center " 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 卢林芃在全国三强争夺赛 /span /p p 　　卢林芃介绍，传统显微镜镜头受到“物镜比例法则”的制约，大视场和高分辨率不可兼得。“CyteLive”抛弃了传统显微镜的光学镜头，只保留光源和传感器，实现了小型化和轻量化，单手即可托起 。 /p p 　　“ strong 它的体积仅有传统显微镜的0.8% ， /strong 可直接放在细胞培养箱里进行活细胞箱内观察。” /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 338px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/44074baf-fcc5-4c06-9933-d1a65b7cc0de.jpg" title=" 5.jpg" alt=" 5.jpg" width=" 450" height=" 338" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 卢林芃在全国三强争夺赛前一个人练习 /span /p p 　　CyteLive去除了复杂的机械调焦装置，通过先进的计算成像算法，把样品聚焦图像“算”出来，借助自适应超分辨成像技术，成像分辨率可突破至像素尺寸的三分之一，没有物镜却可以实现20倍物镜的成像水平。 /p p 　　 strong 无透镜成像技术造就了CyteLive超大的成像视场 ，单幅图像高达一亿像素，视场是传统显微镜的200倍 ，可同时观测10万个血细胞。 /strong /p p style=" text-align: center " img alt=" " src=" http://pic.rmb.bdstatic.com/5e074dcd0acc8950670a98d073aaf4109893.gif" width=" 600" height=" 427" / /p p 　　这是CyteLive观测到的海拉细胞(宫颈癌细胞)，单幅图像一亿像素，获得的视场是传统显微镜的200倍 /p p 　 strong 　据了解，目前，该型显微镜已经应用于江苏省人民医院、先声药业等机构。团队也与苏州飞时曼、江南永新等国内显微镜企业达成合作，实现商业化落地。 /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/8d0a923b-73bc-4212-b530-f6b45502acea.jpg" title=" 7.jpg" alt=" 7.jpg" / /p p 　　对未来市场的进一步探索，团队满怀信心：“我们坚信，通过我们的不懈努力，不远的将来，中国制造的高科技显微镜也能在全世界大放异彩! ” br/ /p

中国电子显微镜学会、仪器信息网联合报道 2023年10月27日，2023年全国电子显微学学术年会在东莞市会展国际大酒店龙泉厅盛大开幕。大会由电镜学会电子显微学报编辑部主办，南方科技大学、松山湖材料实验室、大湾区显微科学与技术研究中心共同承办，仪器信息网作为独家合作媒体参会报道。大会为期三天，参会人数再创新高，吸引来自高校院所、企事业单位、仪器技术企业等电子显微学领域专家学者2000余人出席参会。大会现场2023年是中国电子显微学开拓者之一郭可信先生诞辰一百周年，本届年会大会为专题纪念专场，怀念郭可信先生生前对中国电子显微学发展付出的心血与作出的巨大贡献。本届年会的主题是：显微鸿鹄志，世界一片天——怀念郭可信先生。大会开幕式由大会秘书长、北京大学教授高宁主持，大会主席、中国科学院院士 张泽，大会承办单位南方科技大学副校长、中国科学院院士贾金锋，大会组委会主席、电镜学会理事长韩晓东分别致辞。大会分为大会报告和13个分会场报告。开幕式后进入大会报告环节，大会报共分为五个阶段，依次由北京工业大学/南方科技大学教授韩晓东，中国科学院物理研究所研究员马秀良，中国科学院院士张泽，东南大学教授孙立涛，中国科学院院士叶恒强分别主持，十二位著名学者、相关仪器设备厂商专家代表依次为大家分享了精彩报告。以下为大会报告下半场七位大会报告内容摘要，以飨读者。大会报告下半场，由中国科学院院士张泽（左），东南大学教授孙立涛（中），中国科学院院士叶恒强（右）共同主持大会特邀报告：中国科学院院士、季华实验室教授 叶恒强报告题目：郭可信先生与中国电子显微镜学会在郭可信先生诞辰一百周年，叶恒强院士回顾了郭先生与中国电子显微学事业发展的渊源，郭先生生前对中国电子显微学发展付出的心血与作出的巨大贡献，以怀念郭可信先生。从1949年全国解放时中国拥有的第一台电子显微镜——英国Metropolitan-Vickers制造的EM/1M型透射电子显微镜；到1956年，在东京召开的第一届亚太地区会议，中国电子显微学论文第一次登上国际舞台；到中国电子显微学研究的先驱们，郭可信先生、李方华先生、黄兰友先生等。结合珍贵资料，叶恒强院士首先回顾了中国电子显微学事业的开端背景。接着回顾了中国电子显微镜学会成立的曲折历程。上世纪70年代，中国电子显微学界，错失了在衍射衬度电子显微学领域与国际同步进展的机缘。在国际高分辨电子显微学进展的冲击下，中国代表团于1979年参加了纪念日本电镜学会成立30周年的学术会议，在此启发下，1980年11月，中国电子显微镜学会在成都正式成立。随后，一批人才从国际一流电镜实验室学成归来的，中国电子显微学的春天。在郭可信先生等先辈的据理力争下，在国际友人的协助下，1986年9月，在国际显微学大会上，中国电子显微镜学会正式成为国际电子显微学联合会（IFSEM）成员，IFSEM接纳中国两个学会会员，称谓分别是：“Chinese Electron Microscope Society(对大陆)，Electron Microscope Society, Taibei, China (对台湾)”。接着，叶恒强院士通过郭可信先生在振兴中国电子显微学事业过程中的点点滴滴事迹，回顾了郭可信先生的操劳。最后表示，有一些科学家，他们既有冲击世界前沿的能力，又能有很好的科研管理的才干，郭可信先生就是这样的科学家，是他代领着中国准晶研究团队走在世界前列。有句俗话叫做“大树底下好乘凉”，如今，更觉得清凉的可贵。同时，也借纪念郭先生这样的机会，祝中国电子显微镜学会走向新的辉煌。大会特邀报告：中国科学院院士、清华大学教授 隋森芳报告题目：冷冻电镜迈入新时代: 原位+近原子分辨隋森芳院士表示，郭可信先生不仅在物理材料领域对我国及国际的电子显微学做出了贡献，在生命科学电镜研究方面，也发挥了诸多非常具有先导性的作用。并分享了一些案例，包括上世纪九十年代，在国内刚开始发展时，郭先生就亲自主持了一项蛋白质电子晶体学的国家项目，这或许是国内最早的相关项目；上世纪九十年代中期，郭先生在北京推动第一台配置冷台的电镜，并吸引一批学者开展相关工作等等。接着，分享了生命科学冷冻电镜技术的最新发展进展。冷冻电镜技术是当今生命科学的前沿热点技术之一，近年来在Cell，Science，Nature的年度十大科学突破评选中，冷冻电镜因把生命科学推进到原子水平而连续当选。冷冻电镜主流技术包括单颗粒冷冻电镜技术(cryo-EM SPA)和冷冻电子断层成像技术 (cryo-ET)，冷冻电镜结构生物学面临的挑战包括颗粒尽可能的小、颗粒尽可能大、颗粒的不均一、时间分辨等。最后，围绕近一年cryo-ET高分辨结构统计情况，分析了原位电镜技术的系列进展，一些代表性进展包括藻类光合系统的进化研究、激发态能量如何从藻胆体传递给光反应中心(PSII/PSI)相关研究等。大会特邀报告：中国科学院院士、清华大学教授 朱静报告题目：量子材料序参量和电子显微学作为我国材料电子显微学领域的前辈，六十余年来，朱静院士始终坚守在电子显微学研究第一线，在诸多材料领域，对于如何进一步利用电子显微镜中电子和物质的交互作用产生的各种信号，有着深刻地认识。近十年来，朱静院士主要聚焦在两种电子显微学方法。一是针对功能材料的量子材料序参量和电子显微学，一是针对结构材料，高通量多尺度(豪微米-亚埃尺度)应用于结构材料研究(飞机发动机单晶叶片和涡轮盘)。此次报告中，朱静院士主要分享了开展第一个工作的研究进展。据介绍，上世纪六七十年代对凝聚态物质研究的主要思路是从对称性出发，来寻找体系中可测量的序参量；而到了八十年代，则出现了两大里程碑式的进展：其一是以拓扑绝缘体和分数霍尔效应为代表的一系列跳出了朗道-金茨堡理论的体系和现象，其二是高温超导的出现引出了所谓强关联电子体系。朱静院士团队在2013年完成了定量EMCD 的研究，利用电子显微学方法定量的测定材料中原子磁矩。有可能利用电子显微学方法测量“点阵、电荷、自旋、轨道、拓扑”序参量。同年，启动了题目为“铁性序参量的亚原子尺度协同测量及耦合机制”的973课题。近十年来，围绕测量方法、关联性、科学问题开展研究。代表作品包括徐坤博士的磁光材料研究(博士学位论文- 2021，文章/PNAS)、王泽朝博士的超导材料机制研究(博士学位论文- 2023，文章/Nature，Science) 等得到国际学术界的关注和认可。2023年，由朱静院士著作的《量子材料序参量和电子显微学》也将由科学出版社于2023年12月出版等。最后，结合实例，详细介绍了点阵序参量、轨道序参量、电荷序参量、自旋序参量、拓扑序参量等方面的最新研究进展。公司特邀报告人：赛默飞Dr. Eric van Cappellen报告题目：The latest trends in (scanning) transmission electron microscopy赛默飞首席专家Eric Van Cappellen首先追忆了与郭可信先生的渊源。郭可信先生和Severin Amelinckx教授都是电子显微学届的权威，两位也是多年的好友，而Eric的博士阶段便是在Severin Amelinckx教授课题组度过。随后，Eric介绍了在当前生命科学领域，随着对细胞和组织研究的进一步深入，体电子显微镜再次成为趋势，但传统体扫描电子显微镜并不能满足前沿研究的需求。而具有4种可切换离子源(Xe, Ar, N, O)的Hydra Bio Plasma-FIB，有效解决了传统体扫描电子显微镜Z与X-Y方向分辨率不同以及机械变形的问题，可用于冷冻或树脂包埋生物样品更精确的体积成像及冷冻透射电镜三维重构样品的制备。接着，Eric从电子光学的灵活性，数据收集的灵敏性，信息获得的有效性三个角度介绍了如何解决材料科学领域的应用难题——减少样品的电子束损伤。通过具体的案例，Eric介绍了赛默飞最新的基于AI的图像减噪，高通量高灵敏度低剂量Ultra-X能谱，适用于电子束敏感材料成像的iDPC等有效减少样品的电子束损伤的最新技术。公司特邀报告人：泰思肯Dr. Daniel Němeček报告题目：Improving phase and orientation mapping at the nanometer scale by precession-assisted 4D-STEM microscopyTESCAN集团STEM专家Daniel Němeček博士为大家分享最近热点的4D-STEM技术进展。近期发展起来的4D-STEM技术是一种基于纳米束衍射的强大分析方法，可以在纳米级的分辨率下解析和表征多晶材料中晶体相位分布和单个晶粒的取向。然而，由于实验设置的复杂性以及样品扫描与束闸、旋进和检测器同步读出的挑战，使得4D-STEM技术的广泛使用受到了限制。Daniel Němeček在报告中展示了一种快速获取和处理4D-STEM数据集的新方法，因为所需硬件组件都与高水平的系统自动化和优化算法完全集成，用户可以简单操作，实时处理数据，在新的多模态分析电子衍射显微镜下获取可视化结果。TESCAN与德国Julich的Ernst Ruska中心密切合作，通过一些开发的应用实例，展示4D-STEM测量的强大功能。此外，通过一个多晶铝箔的例子，展示如何结合同时获取的EDS数据进行多模态分析，从而改善4D-STEM相分析的准确性。该多晶铝箔添加了金纳米颗粒，这些纳米颗粒具有非常相似的晶格参数(98%)。大会特邀报告：纽约州立大学奥巴尼分校医学科学系高级研究员 隋海心 报告题目：初级纤毛的立体电子显微学研究回忆往昔，隋海心高级研究员是郭可信先生1996年毕业的博士生，之后从材料物理领域转到结构生物学领域，研究水通道蛋白，从用X射线晶体学方法转回用冷冻电镜进行解析，做出了一系列突破性成果，以“逆分辨潮流”方式，分辨率越做越低，样品尺度越做越大。纤毛在生物学中非常重要，分为可动和不可动两种。在通常的认知中，可动纤毛外面有9个双管，里面有2个单管，即9+2结构；不可动纤毛只有9个双管，即9+0结构。隋海心高级研究员用多层电子层析方法测定的初级纤毛的全长三维结构则推翻了不可动纤毛的9+0结构模型。隋海心高级研究员在报告中讲述了研究初级纤毛的背景、历程和一些心得。认为，文章不能全盘迷信，别人能做的自己不一定能做，另外，正如郭可信先生经常指导的“科研不要先入为主”，这样往往会误导后续的工作开展。大会特邀报告：东京大学教授 Naoya Shibata报告题目：MARS——New atomic resolution electron microscope for magnetic materials日本东京大学教授Yuichi Ikuhara 视频祝福报告开始，Naoya Shibata 首先播放了国际著名球差电镜专家、日本东京大学Yuichi Ikuhara教授带来的视频祝福，视频中，Ikuhara教授回顾了其1988年第一次访问中国时与郭可信先生的会面，从那时起开始与中国开展系列合作，也看到那时的许多学生成为两边国家高校和研究机构的主力，为中日之间的电子显微学交流做出巨大贡献，郭可信先生等科学家的愿望延续至今，期待能保持下去。接着，Naoya Shibata教授对原子级分辨率无磁场球差校正扫描透射电镜MARS的研发设计做了详细介绍。MARS由Naoya Shibata教授团队与日本电子合作开发，采用一种相反极性的前后反对称透镜设计，配合最新的五阶自动调整新型球差矫正器，使得样品可以处在完全无磁场的环境中，电镜仍然保证原子级的分辨率。此外，还可以搭载如电子全息、差分衬度STEM探测器(SAAF)、叠层衍射成像探测器(4D Canvas)、能量损失谱(EELS)以及大固体角EDS。这种多用途设计，使得该设备拥有巨大的应用前景。MARS对于磁性材料和器件来说是一款功能强大的电子显微镜，它的倾斜扫描可以减少DPC成像中的衍射对比度。接下来，MARS后续还将继续突破无磁场条件下的低温观测的挑战。大会合影留念

据外媒报道，虽然高性能显微镜是确定癌症及其他疾病的一大利器，但它们的制作工艺复杂，且造价太高，所以这也意味着普通医院不大可能会拥有这样的医疗仪器。然而，加州大学洛杉矶分校的科学家们即将改变这种情况。 　　据悉，他们在近日研发了无需配备镜头就能在组织中找到癌细胞的显微镜。 　　该显微镜通过CCD或CMOS传感器创建人体组织类全息图像，然后通过为图像提供光源检测到组织的阴影部分，之后将它们的真实面貌在特定软件下展示出来。这款显微镜不仅能跟传统光学显微镜一样高效，而且它的制作工艺更加简单、造价也更加便宜。 　　不过，这并不意味着它立马可以商用。该项研究报告的联合作者Aydogan Ozcan告诉媒体，与该款显微镜配套的软件仍需要大量的改进。

进入21世纪，脑科学领域受到越来越多的关注。脑科学研究的不断发展，让人类得以探索脑的基本工作原理，发现脑疾病的治疗新策略，为人类认知、学习、记忆、情感、行为等方面的理解提供基础支持。对脑科学家而言，观测神经元结构与功能是脑研究最重要的步骤之一。其中，多光子显微成像技术是进行活体深层成像的主要工具。7月底举办的中国神经科学学会第十六届全国学术会议上，复旦大学脑科学转化研究院的李博团队与工程与应用技术研究院（以下简称“工研院”）的董必勤团队，同蔡司联合推出一款中国自主创新研发的产品——DeepVision多光子成像与全息光刺激系统，致力于为活体深层组织成像提供多样化的解决方案。该系统采用多光子荧光激发技术，能够实现对深层组织的高分辨率成像，并配合全息光刺激技术，实现了对神经元的精确控制和调控，是神经科学、肿瘤免疫和药物代谢等研究领域的理想显微成像平台，将为脑科学研究和生命科学研究提供更精准和全面的观察方法。DeepVision多光子成像与全息光刺激系统（图片来源于复旦大学公众号）据董必勤介绍，市场上现有的高端科研显微镜基本由海外公司垄断，国内多光子成像市场空白，需长期引入海外公司的设备。这些设备大多是整机设计，各个部件无法定制细节。大脑是不透明的，目前的光学成像技术局限于观测最表面的皮层结构，光在组织中会产生强烈的散射，因此光学成像很难深入表皮直达内部，而多光子显微镜能够弥补光的这一短板。现有的多光子显微镜视野小、样品空间有限以及对新技术的兼容性低，已经很难满足生物医学前沿研究的需求。基于此，李博和董必勤团队决心研发一套全新设计的多光子显微镜。这款由模块化设计搭建起来的多光子显微镜，将各种各样具体的前沿技术做成一个个模块，在后期根据需求把这些模块拼装在一起组成整机，可以避免受制于光学系统复杂的整体性。李博介绍，大部分实验室需要双光子机型对脑部做浅层扫描，但也有相当一部分需要三光子机型的深层成像。多光子显微镜的模块化设计灵活，兼顾了实验室科研和市场需求。团队分别在双光子和三光子两个机型基础之上，在全息光刺激、载物台空间、多脑区成像等模块进行技术升级，并最终组建符合客户订单需求的成品。应用方面，除可用于脑部研究，该仪器在生命科学和医疗卫生领域的一些研究中也高度适用，例如观察肿瘤、胚胎或皮肤深层细胞以及扫描植物样品。此外还可广泛应用于材料、化学、物理等多个领域，帮助人们深入材料表层，观察内部结构细节。据了解，研究团队与蔡司合作，蔡司负责DeepVision多光子成像与全息光刺激系统的销售和售后工作，同时也会在产品搭建过程中根据客户需求提出建议，而核心研发工作由复旦大学科研团队主导。目前团队在攻克核心部件的生产技术，董必勤还在积极寻找多光子显微镜的关键零部件国产可替代品。写在最后：看到这个产品的推出，笔者脑中跳出一句话：国产高端光学显微镜的队伍又壮大了。曾有技术工作者告诉笔者，近几年在国家科研仪器专项的支持下，我国科研仪器行业迅猛发展，特别是高端显微镜研制已渐入佳境，近几年更是研究出了有自己特点的高端双光子显微镜。中国科学院苏州医工所推出的“中科希莱”品牌高速双光子荧光显微镜深入研究并掌握了基于12kHz共振扫描器和磷砷化镓探测器的高速高灵敏度在体双光子成像技术，开发了专用于生物在体成像的高速高分辨双光子显微镜系统，实现了深表层和高速神经功能成像，并能与电生理、光遗传等常用生理仪器完全同步联合运作；北京大学程和平院士牵头研发的微型化双光子活体成像技术的出现，使目前最新神经科学需要的针对清醒动物的功能研究实验得以实现，其核心技术 2.2 克可佩戴式微型化双光子荧光显微镜，在国际上首次获取了小鼠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。如今DeepVision多光子成像与全息光刺激系统的推出，对于脑科学和神经科学研究工作无疑又是一则好消息。

纯相位空间光调制器在PSF工程中的应用一、引言2014年诺贝尔化学奖揭晓，美国及德国三位科学家Eric Betzig、Stefan W. Hell和William E. Moerner获奖。获奖理由是“研制出超分辨率荧光显微镜”，从此人们对点扩散函数 (PSF) 工程的认识有了显着提高。Moerner 展示了 PSF 工程与 Meadowlark Optics SLM 的使用案例，用于荧光发射器的超分辨率成像和 3D 定位。 PSF工程已被证明使显微镜能够使用多种成像模式对样本进行成像，同时以非机械方式在模式之间变化。这允许对具有弱折射率的结构进行成像，以及对相位结构进行定量测量。 已证明的成像方式包括：螺旋相位成像、暗场成像、相位对比成像、微分干涉对比成像和扩展景深成像。美国Meadowlark Optics 公司专注于模拟寻址纯相位空间光调制器的设 计、开发和制造，有40多年的历史，该公司空间光调制器产品广泛应用于自适应光学，散射或浑浊介质中的成像，双光子/三光子显微成像，光遗传学，全息光镊(HOT)，脉冲整形，光学加密，量子计算，光通信，湍流模拟等领域。其高分辨率、高刷新率、高填充因子的特点适用于PSF工程应用中。图1. Meadowlark 2022年蕞新推出 1024 x 1024 1K刷新率SLM二、空间光调制器在PSF工程中的技术介绍在单分子定位显微镜（SMLM）中，通过从相机视场中稀疏分布的发射点来估计单个分子的位置，从而克服了分辨率的衍射限制。可实现的分辨率受到定位精度和荧光标签密度的限制，在实践中可能是几十纳米的数量级。有科研团队已经将这种技术扩展到三维定位。通过在光路中加入一个圆柱形透镜或使用双平面或多焦点成像，可以估算出分子的轴向位置。光斑的拉长（散光）或光斑大小的差异（双平面成像）对轴向位置进行编码。将空间光调制器（SLM）与4F中继系统结合到成像光路中，可以设计更广泛的点扩散函数（PSF），为优化显微镜的定位性能提供了可能。利用空间光调制器（SLM）对荧光显微镜进行校准，可以建立一个远低于衍射极限的波前误差，SIEMONS团队就利用Meadowlark空间光调制器实现了高精度的波前控制。原理证明和实验显示，在1微米的轴向范围内，在x、y和λ的精度低于10纳米，在z的精度低于20纳米。对这篇文献感兴趣的话可以联系我们查阅文献原文《High precision wavefront control in point spread function engineering for single emitter localization 》下面我们来具体看看是如何应用的，以及应用效果如何。图2. A）SLM校准分支和通过光路的偏振传输示意图。额外的线性偏振滤波器没有被画出来，因为它们与偏振分光器对齐。B）相机上的强度响应作为λ/2-板不同方向α的SLM的相位延迟的函数。C) 光学装置的示意图。一个带有SLM的中继系统被添加到显微镜的发射路径中（红色），一个单独的SLM校准路径（绿色）被纳入发射中继系统中。这允许在实验之间进行SLM校准。BE：扩束器，DM：分色镜，L：镜头，LPF：线性偏振滤镜，M：镜子。OL：物镜，PBS：偏振分光镜，TL：管镜。光路如上图2所示，包括一台尼康Ti-E显微镜，带有TIRF APO物镜（NA = 1.49，M = 100），一个200毫米的管状镜头，一个带有SLM的中继系统被建立在显微镜的一个出口端口。中继系统包括两个消色差透镜，一个向列型液晶空间光调制器（LCOS）SLM（Meadowlark，XY系列，512x512像素，像素大小=15微米，设计波长=532纳米）和一个偏振分光器，用于过滤未被SLM调制的X偏振光。di一个消色差透镜在SLM上转发光束。第二个中继镜头确保在EMCCD上对荧光物体进行奈奎斯特采样。显微镜配备了一套波长为405nm、488nm、561nm和642nm的合束激光器。 这个配置增加了一个用于校准SLM的第二个光路。这个空降光调制器校准光路是为测量入射到SLM上的X和Y偏振光之间的延迟差而设计的，为了测量某个SLM像素的调制，需要将SLM映射到校准路径的相机上。这种映射是通过在SLM上施加一个电压增加的棋盘图案来获得的。平均捕获的图像和没有施加电压时的图像之间的差异被用作角落检测算法（来自Matlab - Mathworks的findcheckerboard）的输入，以找到角落点。对这些点进行仿生变换，并用于找到对应于每个SLM像素的CMOS像素。图3. SLM校准程序。A) 单个SLM像素的测量强度响应作为应用电压的函数。每一个极值都对应于等于π的整数倍的相位变化，并拟合一个二阶多项式以提高寻找极值的精度。强度被分割成四个部分，它们被缩放为[0 1]。这个归一化的强度（B）被转换为相位（C），并反转以创建该特定电压段和像素的LUT（D）。E）20个随机选择的SLM像素的归一化强度响应，显示像素间的变化。F) 测量的波前均方根误差是校准后立即使用校准LUT的相位的函数，45分钟后，以及制造商提供的LUT。G) 在不同的恒定相位下，用于成像光路的SLM部分的LUTs。暗点表示没有3个蕞大值的像素。H) 测量的平均相位和预定相位之间的差异作为预定相位的函数。 图3解释了SLM像素的校准程序。首先，以256步测量作为应用电压函数的强度响应，产生一连串的蕞小值和蕞大值，它们对应于π或2π的迟滞。在被照亮的SLM平面内的所有像素似乎有三个蕞大值，这意味着总的相位调制为4π或1094纳米。这些极值出现的电压是通过对极值附近的三个点进行拟合抛物线来找到的，这增加了精度，并充分利用了SLM的16位控制。然后，强度被分为四段，用公式（11）的逆值对这些段进行缩放并转换为相位。相位响应被用来为每个SLM像素构建一个单独的查找表（LUT），以补偿SLM的非均匀性。LUT参数在SLM上平滑变化，并与肉眼可见的法布里-珀罗条纹大致对应，表明相位响应的差异是由于液晶层厚度的变化造成的。额外的像素与像素之间的变化可能来自底层硅开关电路的像素与像素之间的变化。完整的校准需要大约5分钟（在四核3.3GHz i7处理器上的3分钟扫描和2分钟计算时间），但原则上可以优化到运行更快。实验结果：图4 测量的PSF与矢量PSF模型拟合之间的PSF比较。G-I）平均测量的PSF是由大约108个光子携带的信号通过上采样（3×）和覆盖所有获得的斑点编制而成。比例尺表示1μm。 图4显示PSF模型的预测结果。通过这种方式，实验的PSF是由∼108个光子的累积信号建立起来的。实验和理论上的矢量PSF之间的一致性通常是非常好的，甚至在蕞大的离焦值的边缘结构也是非常匹配的。剩下的差异，主要是光斑的轻微变宽，是由于入射到相机上的光的非零光谱宽度，由于发射光谱的宽度和四带分色器的带通区域的宽度。边缘结构中也有一个小的不对称性，这可能是由光学系统中残留的高阶球差造成的。 所有工程PSF的一个共同特点是，与简单的二维聚焦斑点相比，它们的复杂性必须在PSF模型中得到体现，该模型被用于估计三维位置（可能还有发射颜色或分子方向）的参数拟合算法。简化的PSF模型，如高斯模型、基于标量衍射的Airy模型、Gibson-Lanni模型，或基于Hermite函数的有效模型都不能满足这一要求。一个解决方案是使用实验参考PSF，或用花样拟合这样的PSF作为模型PSF，或者使用一个或多个查找表（LUTs）来估计Z-位置。矢量PSF模型也可以用于复杂的3D和3D+λ工程PSF。众所周知，矢量PSF模型是高NA荧光成像系统中图像形成的物理正确模型。复杂的工程PSF的另一个共同特点是对扰乱设计的PSF形状的像差的敏感性，并以这种方式对精度和准确性产生负面影响。为了实现精确到Cramér-Rao下限（CRLB），即无偏估计器的蕞佳精度，光学系统的像差水平应该被控制在衍射极限（0.072λ均方根波前像差），这个条件在实践中往往无法满足。因此，需要使用可变形镜或为产生工程PSF而存在的SLM对像差进行校正。自适应光学元件的控制参数可以使用基于图像的指标或通过测量待校正的像差来设置。后者可以通过基于引入相位多样性的相位检索算法来完成，通常采用通焦珠扫描的形式。这已经在高数值孔径显微镜系统、定位显微镜中实现，并用于提高STED激光聚焦的质量。三、PSF应用对液晶空间光调制器的要求1.光利用率 对于这个应用来说，SLM将光学损失降到蕞低是很重要的。PSF工程使用SLM来操纵显微镜发射路径上的波前。在不增加损失的情况下，荧光成像中缺乏信号。使用具有高填充系数的SLM可以蕞大限度地减少衍射的损失。 Meadowlark公司能提供标速版95.6%的空间光调制器，分辨率达1920x1200，高刷新率版像素1024x1024，填充因子97.2%和dielectric mirror coated版本（100%填充率）。镀介电膜版本的SLM反射率可以做到100%，一级衍射效率可以做到98%。高分辨率能在满足创建复杂相位函数的同时，能够提升系统的光利用率。2.刷新率（蕞高可达1K Hz）高速度可以实现实时的深层组织超分辨率成像。可见光波段蕞高可达1K Hz刷新速度（@532nm）。3.分辨率（1920x1200） 高分辨率的SLM是创建三维定位所需的复杂相位函数的理想选择，如此能够对每个小像元区域的光场进行自由调控。上海昊量光电作为Medowlark在中国大陆地区总代理商，为您提供专业的选型以及技术服务。对于Meadowlark SLM有兴趣或者任何问题，都欢迎通过电话、电子邮件或者微信与我们联系。欢迎继续关注上海昊量光电的各大媒体平台，我们将不定期推出各种产品介绍与技术新闻。 关于昊量光电：昊量光电 您的光电超市！上海昊量光电设备有限公司致力于引进国外先进性与创新性的光电技术与可靠产品！与来自美国、欧洲、日本等众多知名光电产品制造商建立了紧密的合作关系。代理品牌均处于相关领域的发展前沿，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等，所涉足的领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及前沿的细分市场比如为量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等。我们的技术支持团队可以为国内前沿科研与工业领域提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等优质服务，助力中国智造与中国创造! 为客户提供适合的产品和提供完善的服务是我们始终秉承的理念！

一、项目基本情况1.项目编号：0834-2441SH24A039项目名称：上海交通大学低温强磁场扫描探针显微镜预算金额：620.000000 万元（人民币）最高限价（如有）：590.000000 万元（人民币）采购需求：序号货物名称数量简要技术规格交货期交货地点1低温强磁场扫描探针显微镜1套1.4 *配备2路射频同轴电缆连接室温大气与扫描隧道显微镜，带宽10 GHz，高真空热隔绝腔与超高真空腔体间漏率签订合同后12个月内关境外货物：CIP上海交通大学指定地点关境内货物：上海交通大学指定地点合同履行期限：签订合同后12个月内本项目( 不接受 )联合体投标。2.项目编号：0834-2441SH24A037项目名称：上海交通大学原子力显微镜预算金额：160.000000 万元（人民币）最高限价（如有）：160.000000 万元（人民币）采购需求：序号货物名称数量简要技术规格交货期交货地点1原子力显微镜1台包含不少于三个全数字锁相放大器，能提供定量相位成像功能：－180°到＋180°全线性相位成像。 （详见第八章）签订合同后6个月内关境外货物：CIP上海交通大学指定地点关境内货物：上海交通大学指定地点合同履行期限：签订合同后6个月内本项目( 不接受 )联合体投标。二、获取招标文件时间：2024年02月21日 至 2024年02月28日，每天上午9:30至11:30，下午13:00至16:00。（北京时间，法定节假日除外）地点：上海市共和新路1301号D座二楼方式：详见其他补充事宜售价：￥500.0 元，本公告包含的招标文件售价总和三、对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名 称：上海交通大学　　　　　地址：上海市东川路800号　　　　　　　　联系方式：钟老师86-21-54747337，技术联系人：彭老师 86-21-68693117　　　　　　2.采购代理机构信息名 称：上海中招招标有限公司　　　　　　　　　　　　地　址：上海市共和新路1301号D座二楼　　　　　　　　　　　　联系方式：林佳文、吴乾清 电话：86-21-66271932、86-21-66272327，13764352603@163.com、18930181850@163.com　　　　　　　　　　　　3.项目联系方式项目联系人：林佳文、吴乾清电　话：　　86-21-66271932、86-21-66272327

“我预计今年年底提前博士毕业，虽然我的德国导师希望我继续留下做博后，但我更希望能回到老家江苏做科研。而在最近发表的论文里，我和所在团队首次将定量相位成像技术，用于超细光纤显微内窥镜中，实现了最高 1 微米的分辨率、以及纳米级的三维重建。并通过光纤实现无透镜光场成像，借此制备出一款新型无透镜光纤显微内窥镜。”德累斯顿工业大学生物医学计算激光系统能力中心博士生孙佳伟 表示。▲图 | 孙佳伟（来源：孙佳伟 ）此次提出的无透镜光纤显微内窥镜，具备 1000 倍的放大倍率，可通过图像重建让医生“看清”脑部神经元或是组织表面的细胞。（来源：Light: Science & Applications）研究中，他和同事使用无透镜光纤显微内窥镜，对无标记的癌细胞进行高对比度成像，让光纤内窥镜能进一步对体内癌症组织表面进行细胞级的高分辨率成像。这意味着，人们可通过此内窥镜尽早找出病变的癌细胞，实现癌症的早期预警。同时，鉴于光纤内窥镜探针只有头发丝量级，因此可在极大降低创口大小的同时，深入体内的狭小部位，如细微血管、肺泡、耳蜗等进行显微成像。另外，其所搭载的系统基于量产的多芯光纤，可做一次性的内窥镜探头，用完后可以轻松换上新的光纤以作为探头，从而彻底消除交叉感染的风险。据介绍，内窥镜成像（endoscopy）作为临床常用的体内成像方法之一，其常规直径至少在几十毫米以上，且图像放大倍率只有大约 50 倍，只能看清组织大概的形貌。而孙佳伟 的无透镜光纤显微内窥镜的探测端，没有使用任何透镜，探针的直径只有 0.35 毫米，大约在头发丝量级，能大大减轻创口的大小。对于神经外科手术来说，常常需要在大脑或脊柱开非常小的切口，进而通过内窥镜和特殊器械，进行复杂精密的手术。而内窥镜的尺寸越小，手术对患者造成的额外损伤就越小，患者术后恢复得也就越快。▲图 | 新型无透镜光纤显微内窥镜，探针直径仅为 0.35 毫米（来源：孙佳伟 ）多年来，荧光显微成像已成为生物医学中广泛使用的成像方法，通过对样品进行荧光标记、激发和检测，可对荧光标记的样品做以选择性成像，从而提升成像的对比度。此前市面上最新的光纤显微内窥镜，是通过共聚焦扫描来实现体内荧光显微成像，但其需要昂贵的光学系统和复杂的校准流程，同时还得预先对体内组织进行特殊荧光染色。然而，某些情况下荧光剂会影响组织正常功能，用后也不易去除。因此，无标记成像技术对内窥镜尤为重要。定量相位成像，是一种无标记显微成像技术。其原理是通过组织中不同成分的微小相位差，来实现生物医学样品的高对比度成像。从技术手段来讲，进一步重建光场的相位信息，还能实现纳米级轴向分辨率的三维成像，这让定量相位成像也常被用于芯片表面检测。但是，此次提出的光纤内窥镜系统，使用量产化的多芯光纤束作为体内成像探针。虽然多芯光纤束只有三根头发丝那样粗，里面却包含着一万根单模的光纤芯，每一根光纤芯都能独立传播光学信号，而把这一万根光纤芯的光学信号组合起来，就相当于有了一万个能成像的像素。但是，光在每一根纤芯中的传播距离有着微小的差别，而光波的相位又非常敏感，即使是 10 纳米以下的光传播距离差，也会引起可观的相位变化。由于光在这一万根光纤芯中的传播距离各不相同，这会带来非常严重的相位失真，就像把样品的光学信息进行了“加密”，故在多芯光纤束中实现定量相位成像，是一个颇具挑战性的难题。（来源：Light: Science & Applications）找到“解码”光场的“钥匙”那么，如何从“加密”光场信息中恢复样品信息呢？孙佳伟 等人提出一种名为远场散斑转换的算法，可从光纤输出端的散斑中，重建出光纤中的固有相位差，这就相当于拿到了“解码”光场的“钥匙”。这样一来，当使用无透镜光纤显微内窥镜去探测样品时，用这把“钥匙”来“解码”样品的光场信息，就能得到样品的相位信息。另外，鉴于可通过光纤显微内窥镜重建完整的光场信息，这时只用一张散斑图像重建出不同深度的图像，即可实现数字重新对焦，并能把无透镜光纤显微内窥镜的工作距离从 10 微米提到 10 毫米。得益于这样的数字对焦，以后医生们再也不用手动调整焦距，通过程序即可实现实时数字对焦，让无透镜光纤显微内窥镜的易用性得到极大提升。近日，相关论文以《通过超薄无透镜光纤内窥镜进行定量相位成像》（Quantitative phase imaging through an ultra-thin lensless fiber endoscope ）为题发表在 Light: Science & Applications 上。▲图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）孙佳伟 担任一作兼通讯，德累斯顿工业大学测量和传感器系统技术实验室于尔根W查斯克（Juergen W. Czarske ）教授、以及同一实验室的内克塔里奥斯库库拉基斯（Nektarios Koukourakis ）博士担任共同通讯作者。该工作还得到清华大学精密仪器系曹良才 教授和马克思普朗克光科学研究所约亨顾克（Jochen Guck ）教授的指导。其中一位审稿人评价称，“论文中的实验结果令人信服，清楚地标明该方法能够对样品进行定量相位成像，并验证了三维成像的可能性。该项新技术开辟了在超细内窥镜进行相位成像的广阔前景。”另一个审稿人表示，“作者使用一种全新的计算重建算法，以便远场强度图像获得相位信息，实现了基于光纤的定量相位成像。”（来源：Light: Science & Applications）据悉，该研究主要由德国科学基金会支持，旨在通过自适应控制多芯光纤的输出光场，精准控制癌细胞的旋转。与此同时，对细胞进行全息成像，最终得到癌细胞完整的三维重建图。为了实现在纳米级精度下，用光精准地去控制癌细胞，孙佳伟 耗时一年搭建出一个非常复杂且昂贵的光学系统，单单研发实验器件的控制程序，他就写了近一万行代码。后来，又泡在实验室几个月，终于通过光纤光场调控，对细胞多轴旋转做以实时控制。这项成果的实现也是世界首次，相关论文在更早之前已发表在 Biomedical Optics Express 上 [1]。▲图 | 利用光纤输出光场，癌细胞进行光学无接触操控，实时控制细胞旋转轴（来源：孙佳伟 ）他说：“当时有一个误区，觉得越复杂的系统越高级，固然系统越复杂，需要解决的技术难题也就越多，其中的技术含量也就越高，但是繁杂的系统也就意味着高成本、高投入，难以获得广泛的应用。很多经典的研究，后人看起来其实只是解决了一个很小的问题，但最难的是从零到一的突破过程。”舍弃复杂昂贵的光学器件，只用一根光纤、一个相机和一些基本光学元件，在有限的成本内，通过程序提升成像性能。所以他一直在思考，如何把光学系统化繁为简？于是就有了关于此次论文的初步想法[2]。正好那时，清华大学精密仪器系曹良才 教授课题组的吴佳琛 博士来德国交流，曹教授团队在计算光学领域有着很深的造诣。“在和佳琛沟通了我的想法之后，他也对此特别感兴趣。因为光纤输出端的散斑太过复杂，一开始的算法效果并不理想。后来我们不断改进算法，终于在有天深夜，佳琛激动地跟我说算法成功了。我连忙从床上蹦下来打开电脑，把他的算法和我的代码整合起来，那天晚上兴奋地没怎么睡着。第二天一大早就立马赶去实验室验证算法，结果发现真的能在实验中完美重建出相位图像。”孙佳伟 说。（来源：Light: Science & Applications）计划将光纤显微内窥镜用于临床研究另据悉，因为光学仪器大多都非常精密，外界的微弱干扰都有可能对实验结果产生影响。因此为了减小外部震动，孙佳伟 所在的实验室专门建在地下一层。但是，他的实验室离马路比较近，每次有大型车辆经过的时候，都能在仪器数据上观测到微纳级的抖动。为了得到最佳的实验数据，那几周他每天等到半夜路上没有车的时候，一个人在漆黑的实验室里做实验。功夫不负有心人，最后的实验结果也非常稳定。家庭，也给他提供了软动力支持。他说：“我老婆虽然没有直接参与此次研究，但每次我的实验没有进展、焦头烂额的时候，她总能耐心地安慰我、鼓励我，等我焦躁的心安静下来后，理性地帮我梳理思绪找到问题所在。”据介绍，孙佳伟 是江苏南通人。本科就读于西北工业大学信息对抗技术专业。读研时，他来到德国留学，在波鸿大学读激光与光子学专业。那时，他开始接触到光学实验，并开始从事数字全息成像方面的研究。其说道：“一开始只是单纯觉得激光特别酷，但在实验室待久了之后，我深刻体会到光学实验是一个慢工出细活的过程，慢慢地也喜欢上泡在实验室的感觉。我的硕士论文获得了接近满分的成绩，导师把我推荐到现在的课题组继续攻读博士，我也得以继续从事光学成像的研究。”（来源：Light: Science & Applications）在德国读博更像是工作，他作为一名博士生的同时也是学校雇员，目前其还担任助理研究员一职，要承担一定的教学任务，以及指导本科生和硕士生的毕业论文。为此，孙佳伟 还开设了一门叫做“数字全息技术”的实验课程。疫情期间，他把实验课搬到线上，通过视频给学生呈现光学实验的过程，同时也在线上辅导学生处理数据。当下，他的重心依然是科研。目前的图像重建算法对电脑的硬件要求比较高，后续他计划使用人工智能提升算法效率，让图像重建程序在普通笔记本电脑上也能轻松运行，并能实时重建三维图像。同时，他和导师也申请了与所在大学的附属医院的合作项目，计划进一步将光纤显微内窥镜用于临床研究。参考资料：1.Sun J, Koukourakis N, Guck J, et al. Rapid computational cell-rotation around arbitrary axes in 3D with multi-core fiber[J]. Biomedical Optics Express, 2021, 12（6）: 3423-3437.https://doi.org/10.1364/BOE.4230352.Sun J, Wu J, Wu S, et al. Quantitative phase imaging through an ultra-thin lensless fiber endoscope[J]. Light: Science & Applications, 2022, 11（1）: 1-10.https://doi.org/10.1038/s41377-022-00898-2

2021年伊始，显微镜技术也迎来新的跨越。光物理学家开发出一种新方法，利用现有显微镜技术，无需添加染色剂或荧光染料，就能更详细地观察活细胞内部。这是一种荧光寿命显微镜技术，能够使用频率梳而不是机械部件来观察动态生物现象。其中一项研究的领导者、日本东京大学光子科学与技术研究所副教授Takuro Ideguchi表示，“我认为无标签技术将是一个重要的研究方向。特别是以无标签的方式对细胞内外病毒和外来体等小颗粒进行测量的技术将是未来成像设备的一个趋势。”更大范围 更小相位变化由于单个细胞几乎是半透明的，因此显微镜照相机必须能探测到穿过部分细胞的光线的极其细微的差异。这些差异被称为光的相位。相机图像传感器则受到它们能检测到的光相位差的限制，即动态范围。“为了使用同一图像传感器看到更详细的信息，我们必须扩大动态范围，这样就可以探测到更小的光相位变化。”Ideguchi说，“更大的动态范围允许我们测量小型和大型的相位图像。例如，如果测量一个细胞，细胞的主干会产生大的相位变化，而细胞内的小颗粒/分子会产生小的相位变化。为了使两者可视化，我们必须扩大测量的动态范围。”该研究小组开发了一种技术，通过两次曝光分别测量光相位的大小变化，然后将它们无缝连接起来，制造出详细的最终图像。他们将这种方法命名为自适应动态范围偏移定量相位成像（ADRIFT-QPI）。相关论文近日发表于《光：科学与应用》。一直以来，定量相位成像是观察单个细胞的有力工具，它允许研究人员进行详细的测量，比如根据光波的位移跟踪细胞的生长速度。然而，由于图像传感器的饱和容量较低，该方法无法跟踪细胞内及周围的纳米颗粒。而新方法克服了定量相位成像的动态范围限制。在ADRIFT-QPI中，相机需要两次曝光，并产生一个最终图像，其灵敏度是传统定量相显微镜的7倍。两次曝光 告别光毒第一次曝光是用常规的定量相位成像产生的——平的光脉冲指向样品，并在它通过样品后测量光的相移。计算机图像分析程序基于第一次曝光的图像，快速设计一个反射样品图像。然后，研究人员用一个叫做波前整形装置的独立组件，用更高强度的光产生一种“光雕塑”，以获得更强的照明，并向样品发出脉冲，进行第二次曝光。如果第一次曝光产生的图像是样品的完美代表，第二次曝光的雕刻光波将以不同的相位进入并穿过样品，最终只能看到一个黑暗的图像。“有趣的是，我们在某种程度上抹去了样本的图像。实际上，我们几乎什么都不想看到。我们去掉了大的结构，这样就能看到小的细节。”Ideguchi解释道，由于第一次测量中存在较大的相位对象，受动态范围的限制，无法对较小的相位对象进行可视化，研究人员称之为“洗掉”。他们需要第二次测量观察动态范围移位的小相位物体的细节。此外，该方法不需要特殊的激光、显微镜或图像传感器，研究人员可以使用活细胞，而且不需要任何染色或荧光，出现光毒性的可能性很小。光毒性是指用光杀死细胞，这也是其他成像技术如荧光成像面临的一个问题。另一篇论文的通讯作者、日本德岛大学Post-LED光子学研究所教授Takeshi Yasui指出，在传统的激光扫描共焦显微镜中，强激发光聚焦在一个焦点上，并对焦点进行二维机械扫描，使光毒性的影响较强。 Yasui等人的荧光成像新方法中，激发光被聚焦为一个二维焦点，因此每个焦点的光强度变得非常弱。“光毒性高度依赖于入射光的强度，我们的方法也可以显著降低。”改造荧光成像荧光显微镜广泛用于生物化学和生命科学，因为它允许科学家直接观察细胞及其内部和周围的某些化合物。荧光分子能吸收特定波长范围内的光，然后在较长的波长范围内重新发射。然而，传统荧光显微技术的主要局限性是其结果难以定量评价，而且荧光强度受实验条件和荧光物质浓度的显著影响。现在，一项新研究将彻底改变荧光显微镜领域。当荧光物质被一束短脉冲光照射时，产生的荧光不会立即消失，而是随着时间的推移“衰减”。但荧光衰减非常快，普通相机无法捕捉到它。虽然可以使用单点光电探测器，但必须在整个样本区域进行扫描，才能从每个测量点重建出完整的二维图像。这个过程涉及到机械部件的运动，这极大限制了图像捕捉的速度。在最近发表于《科学进展》的一项研究中，科学家开发了一种不需要机械扫描就能获得荧光寿命图像的新方法。领导这项研究的日本德岛大学Post-LED光子学研究所教授Takeshi Yasui说，“我们能在2D空间上同时映射44400个‘光秒表’来测量荧光寿命——所有这些都在一次拍摄中，不需要扫描。”“到目前为止，光频率梳被广泛地用作测量光频率的标尺，但我们一直在考虑其他的用途。”Yasui讲到，“我们意识到，如果将光学频率梳视为具有超离散多光谱结构的光，通过维数转换将被测物理量叠加在光谱上，可以从双梳光谱获得的模式分辨光谱中共同获得被测物理量。”研究人员使用光学频率梳作为样品的激发光。一个光学频率梳本质上是一个光信号，它们之间的间隔是恒定的。研究人员将一对激发频率梳信号分解为具有不同强度调制频率的单个光拍信号（双梳光拍），每个光拍携带单个调制频率，辐照到目标样品上。而且，每束光束都在一个不同的空间位置击中样本，在样本二维表面的每个点和双梳光拍的每个调制频率之间形成一一对应的关系。研究人员用数学方法将测量信号转换为频域信号，根据调制频率处的激发信号与测量信号之间存在的相位延迟，计算出每个像素处的荧光寿命。Yasui表示，这将有助于动态观察活细胞，还可以用于多个样本的同时成像和抗原检测——这种方法已经被用于新冠肺炎的诊断。该技术还有助于开发出新的顽固性疾病疗法，提高预期寿命。同样，Ideguchi也提到，ADRIFT-QPI能够在整个活细胞的背景下看到微小颗粒，而不需要任何标签或染色。“该技术可以检测到来自纳米级粒子的细小信号，比如病毒或在细胞内外移动的粒子，这样就可以同时观察它们的行为和细胞的状态。”相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-020-00435-zhttps://doi.org/10.1126/sciadv.abd2102

最小最轻的远程医疗显微镜面世 可助资源条件落后地区提高医疗卫生水平 　　据物理学家组织网4月22日报道，美国科学家发明了一种世界上最小、最轻的微型显微镜。该新型无透镜成像技术被认为不仅削减了与医疗照顾相关的成本，还将给资源条件有限的地区提供快捷、廉价的医学诊断，也将远程医疗向前推进了一步。 　　美国加州大学洛杉矶分校的电子工程副教授艾多安奥兹坎使用了一种“基于侧影成像的无透镜超宽视野单元监测阵列平台”(LUCAS)的成像技术。LUCAS的特点是，摈弃放大物体所用的透镜，通过采用发光二极管照亮物体及数字传感阵列来捕捉影像，从而产生微粒或细胞的全息图像。分析样本经由一个小芯片载入，芯片内装有用以监测健康状况的唾液或血液涂片。在使用血液涂片时，该显微镜能准确鉴别出细胞或微粒，如红细胞、白细胞和血小板等。 　　这台显微镜和一个鸡蛋的重量差不多，仅46克，是一个自成一体的成像设备，其仅有的外设为一个可与智能手机、掌上电脑(PDA)或计算机相连的USB接口，可经此供电。除了比常规显微镜更为紧凑轻巧外，该无透镜显微镜还省却了要经过专业技术人员才能分析成像的需要，图像经由计算机分析后就可即时获取结果。再加上一些不太昂贵的附件后，还能改装成一个微分干涉对比显微镜(亦称诺玛尔斯基显微镜)，改装附件的成本仅100美元至200美元。微分干涉对比显微镜可用以获取样本的密度信息，通过突出线条和边缘的对比度来形成看似立体的图像。 　　这台功能强大、成本低廉的无透镜显微镜可装入一个极小包装；大量设计元素将使其在资源条件有限的地区，特别是非洲的一些国家大显身手，帮助监测诸如疟疾、艾滋病和肺结核等疾病。 　　在以上地区，医疗的两个关键需求是：易用性和耐久性。该显微镜的使用将培训减至最低程度，其大视野成像的特点，令样本不再需要在显微镜内进行扫描或精确对齐；操作简单到只需将样本装满芯片，然后将其移至显微镜边上的一个槽内 由于其具有大孔径，还能避免因碎屑阻塞光源引起的问题 另外，由于几乎没有活动部件，使得显微镜相当坚固 而且还能被数字化集成为远程医疗网络的一部分，成为填补基础设施和移动工具之间缺隙的典范。 　　相关研究成果发表于英国皇家化学会《芯片实验室》杂志网络版。

p 　　 strong 仪器信息网讯 /strong 春暖花开，吴侬软语，花柳有情。4 月 13日，由苏州飞时曼精密仪器有限公司、江苏省医疗器械产业技术创新战略联盟、苏南国家自主创新示范区医疗器械产业技术协同创新联盟共同主办，江苏医疗器械科技产业园协办的第一届“新一代医学显微观察分析学术研讨会”在苏州高新区科技城召开。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/bec8df31-d95e-4bc6-9d36-998260afe85c.jpg" title=" IMG_2971.jpg" alt=" IMG_2971.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 　会议现场 /span /p p 　　中国工程院庄松林院士、中国工程院范滇元院士、中国工程院院士方家熊院士、中国工程院戴琼海院士、中国工程院李同保院士、中国科学院樊嘉院士代表及来自南京理工大学、同济大学、哈尔滨工业大学、上海理工大学、苏州系统医学研究所研究院、中国科学院大学苏州生物医学工程技术研究所等近 10 余所大学、科研院所， 以及国内各三甲医院病理科、肿瘤科等临床医学领域的主任医师和江苏省医疗器械产业技术创新战略联盟的企业单位共计超过 150 位专家学者参加了会议，大咖云集，学术先行。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/c2d709d5-377c-4b0f-b383-fc74ea8901eb.jpg" title=" IMG_2920.jpg" alt=" IMG_2920.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 南京理工大学副校长陈钱主持大会并介绍来宾 /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/7faa752d-9dd5-4ed6-91fe-10fade8525d8.jpg" title=" IMG_2931.jpg" alt=" IMG_2931.jpg" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 苏州高新区管委会副主任陶冠红致辞 /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/57ff9762-9887-4c07-9741-95a6972c2646.jpg" title=" IMG_2967.jpg" alt=" IMG_2967.jpg" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 庄松林院士致辞 /span /p p 　　会议背景——为了加快推动我国显微观察分析精密仪器在生命科学中应用的迅速发展， “新一代医学显微观察分析学术研讨会”为全国首次举办。本次研讨会邀请院士、专家、医生、企业家等，共同探讨新一代医学显微观察分析在生命科学研究和临床医学的应用，为临床诊断与研究提供更丰富、更精准的影像与数据资料，大幅度降低对病灶的漏诊、提高诊疗质量。从而进一步满足我国生物医学、重大疾病防治、重大新药创制等前沿科学研究对先进科学仪器的迫切需求，填补国内技术空白，实现我国显微光学领域的重大突破。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/12fbad42-3545-4d50-b050-e5d82c6f8eaf.jpg" title=" IMG_3037.jpg" alt=" IMG_3037.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 　戴琼海院士作主旨报告【主题：多维多尺度计算摄像仪器】 /span /p p 　　脑科学被喻为“人类科学最后的前沿”，认识脑的奥秘是对人类的终极挑战 脑科学的发展，对脑疾病防治、人工智能产业的发展有着巨大的推动作用。戴琼海院士首先分析了世界各国脑计划情况，表示世界各国脑计划都是“仪器先行”，即开首先要开发操作神经回路的工具，开发大规模神经网络的记录技术。接着介绍了脑成像技术需求的迫切性，在体大视场高分辨动态成像对系统生物学至关重要。首先需要克服传统仪器技术中细胞级结构与功能成像无法统一的问题。接着介绍了生命科学成像仪器的最新进展及最新突破。在此背景下，清华大学、浙江大学、中科院你上海光学精密机械研究所共同承担的国家重大仪器专项“多维多尺度高分辨计算摄像仪器”于2011年启动。戴琼海院士重点介绍了该项目第一代和第二代仪器研制思路、研制过程及进展，二代仪器2018年达成世界最大视场、数据通量最高分辨率的光学显微镜的成果。最后结合两代研制仪器应用案例分别列举了获得的系列突破性进展。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/748f283d-6927-4bbf-9099-c932cc57a999.jpg" title=" IMG_3049.jpg" alt=" IMG_3049.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 飞时曼总经理王矛宏报告【主题：新一代医学显微观察分析技术的应用】 /span /p p 　　王矛宏表示，我国科学仪器市场容量大，应用领域广，其中光学仪器在我国医疗卫生机构拥有巨大需求空间和发展潜力。我国显微分析仪器行业经过多年发展，有一定 行业基础，但普遍存在科技开发能力不强，产品稳定性、可靠性差，企业呈现“多、散、弱”特征，与发达国家产品差距明显。为打破国外垄断，苏州飞时曼提出“新一代医学显微观察分析技术”，在病理科、检验科研究与临床的结局方案，把现今科技成果运用在显微分析仪器发展方向上。接着，依次介绍了飞时曼数字全息显微镜、实时培养箱细胞影像分析仪、数字 扫描显微成像系统、六波段荧光 影像分析系统、超分辨显微镜、生物原子力显微镜等产品的特点及主要应用领域。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/bffaaee9-cf29-4030-881d-aae5d008148d.jpg" title=" IMG_3088.jpg" alt=" IMG_3088.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 杨波教授报告【主题：无透镜全息成像显微镜技术的开发及应用】 /span /p p 　　杨波主要介绍了无透镜全息显微成像技术和高性能手机显微成像技术。相比传统光学显微技术，无透镜全息显微成像技术具可同时实现大视场和高分辨3D显微成像 结构简单、体积小可实现便携装置等优势。杨波主要介绍了该技术的原理、重建方法、超分辨率合成算法、颜色校准等，并结合宫颈TCT切片实拍案例介绍了其图像应用优势。最后分享了高性能手机显微成像技术的技术原理及应用案例。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/2d5c62ba-a23a-4af6-86ec-be561be6a65f.jpg" title=" IMG_3116.jpg" alt=" IMG_3116.jpg" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 孙云帆博士作主旨报告【主题：引领肝癌诊疗创新“医-研-产“转化医学模式的探索和实践】 /span /p p 　　中国新发肝癌占全球55%，二临床、科研、产业相互脱节，导致临床基础研究成果难以转化为临床诊疗产品。孙云帆认为，解决现有困境的有效手段就是医-研-产相结合。接着介绍了转化医学的“中山模式”，从早期诊断、数字手术、术后复发和转移防治、个性化抗肝癌治疗等方面分别讲解了临床诊断技术的需求，以及如何通过新一代医疗显微分析技术丰富临床诊断资料，降低对病灶的漏诊、提高诊疗质量。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/fda671a1-0f1b-4bee-95f3-f0f1e8d96915.jpg" title=" IMG_3208.jpg" alt=" IMG_3208.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 陈钱教授作专题报告【主题：计算光学显微成像——非干涉定量相位显微成像】 /span /p p 　　陈钱首先分享了近百年来，13项与显微成像相关的诺贝尔奖，如2017年的冷冻电镜和2018年的光学镊子等。接着分析存在的一些待解决的问题，包括动态无标记显微成像(活细胞)、同时具有大视场和高分辨率等。接着介绍了一系列相关研究工作，包括数字全息显微、给予光强传输方程的非干涉定量相位显微成像、基于傅里叶叠层成像的高分辨大视野成像、非干涉多模态定量相位显微镜等。最后介绍了2018年的研究工作进展，包括基于高数值孔径环形照明的超分辨定量相位成像、基于可编程环形照明的快速高分辨大视场显微成像、基于最优化环形照明的光强传输方程定量相位层析成像等。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/c46c5da0-f49c-46e9-ad10-25ba9a1c3375.jpg" title=" IMG_3264.jpg" alt=" IMG_3264.jpg" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 李传应主任作专题报告【主题：数字全息显微镜在肿瘤细胞及周围免疫细胞形态和细胞膜成份变化中的应用研究】 /span /p p 　　李传应首先向大家介绍了病理医师的作用，病理诊断是医学诊断的金标准，病理医师是医生中的医生。精准医学时代病理医师的任务包括从传统病理医师向分子病理方向的转化等。接着表示，免疫治疗时代面临的挑战为PD1/PDL1抑制剂的使用，要求判断肿瘤组织 对免疫治疗药物的疗效。数字全息显微镜的作用包括不需要对样品扫描就可以拥有激光扫描共聚焦显微镜进行三维成像的优点 可实现微纳米精度下的动态三维形貌测量 进行定量分析、细胞和微生物自动鉴别，可对多细胞动态跟踪分析等。最后从医师角度探讨了对显微技术的需求，包括观察肿瘤细胞形态与正常细胞形态差别、观察肿瘤周围浸润淋巴细胞与正常淋巴细胞形态的差异等。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/c570b0a6-652c-4b2e-8fb5-2ceedbc0ea92.jpg" title=" IMG_3292.jpg" alt=" IMG_3292.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 杨西斌研究员作专题报告【主题：前沿显微及内窥技术研究进展及临床应用思考】 /span /p p 　　杨西斌首先介绍了前沿显微成像技术及应用情况。包括超分辨荧光显微镜、结构光照明超分辨显微成像技术等，同时分享了成纤细胞在不同蛋白包被弹性基地上的动力学定量分析案例。接着介绍了超细光纤内镜和激光共聚焦内镜两种先进内窥技术的研究进展。超细光纤内镜方面主要介绍了高分辨率超细光纤成像内镜的研制过程，获得良好指标，并正在进行临床医疗器械注册证办理。同时结合经小鼠活体肠镜行肠黏膜下注射建立结合直肠癌原位模型案例，介绍了其应用。激光共聚焦内镜方面，介绍了该技术在早期诊断、精准诊断方面的明显优势，其承担“十二五”科技部科技支撑计划项目突破了直径2.1mm共聚焦内窥探头技术，实现该国产部件国产化。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/f9924e6a-ded1-460f-affb-5092dd7f13b7.jpg" style=" " title=" IMG_3324.jpg" / /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/0dd49ed7-3ad3-483e-87cf-5590c53f8cdc.jpg" style=" width: 600px height: 83px " title=" 讨论.jpg" width=" 600" height=" 83" border=" 0" vspace=" 0" alt=" 讨论.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 院士专家分别讨论发言 /span /p p 　　 i span style=" color: rgb(127, 127, 127) " (王矛宏主持，李同保院士、方家熊院士、范滇元院士、庄松林院士、陈钱副校长分别发言讨论) /span /i /p p 　　会议最后，进行了院士专家讨论及发言，分别就整个会议内容发表各自看法、建议并进行讨论。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/f63c424d-b059-4eec-8064-8c12861caf40.jpg" title=" 看仪器.jpg" alt=" 看仪器.jpg" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 　　现场仪器体验 /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/0d65e3c3-f31e-4f25-9606-0f970407c259.jpg" title=" 微信图片_20190413211134_副本.jpg" alt=" 微信图片_20190413211134_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 邀请专家合影留念 /span /p p 　　本次学术研讨会也联合江苏省医疗器械产业发展联盟共同承办 ，将进一步增强联盟企业间的交流和互动，同时充分对接国内外优质创新资源，加速高端人才和团队引进，进一步打造苏州高新区医疗器械产业资源集聚、功能集成、形态内涵兼具的品牌优势，扩大苏州高新区乃至苏州市医疗器械产业发展的影响力。会议倡议立足高新区，设立苏州“显微观察”高峰论坛(每年一届) ，共同推动显微观察科学技术在生命科学领域的产学研深度融合。 /p p br/ /p

近日，中国科学院大连化学物理研究所公开招标，预算869万元采购1台高分辨三维重构X射线显微镜。招标项目详情如下：项目编号：OITC-G240270123项目名称：中国科学院大连化学物理研究所高分辨三维重构X射线显微镜采购项目预算金额：869万元（人民币）最高限价（如有）：869万元（人民币）采购需求：高分辨三维重构X射线显微镜 1 台/套 （允许进口产品）技术要求：1 分辨率及成像架构 ★1.1 最高空间分辨率：最佳三维空间分辨率≤0.5μm1.2 当 X 射线源距样品旋转轴 50mm 时的最佳空间分辨率≤1.0μm 1.3 最小可实现的体素（最大放大倍率下样品的体素大小）≤ 40 nm ★1.4 系统必须采用几何+光学两级放大的架构，以满足我单位对大样品进行局部高分辨率的成像需求。2 三维组织表征、重构及成像2.1 无损伤地对样品进行三维组织表征，可获得样品的三维组织形貌及不同角度、不同位置的虚拟二维切片组织形貌信息。不需制样或只需简单制备，不需真空观察环境，不会引入人为缺陷。 ★2.2 利用吸收衬度原理和相位传播衬度原理，可以对包括高原子序数和低原子序数在内的各种材料都能获得高衬度图像。 2.3 2000 张2k×2k投影重构图像数据（重构972 张Slice 图像）时间≤2.2分钟。2.4 支持纵向拼接技术，通过纵向拼接扫描结果获得更高视野的数据2.5 具备定位放大扫描功能2.6 具备样品移动自适应矫正、温度移动矫正、图像比对位移参照矫正等功能2.7 具备吸收衬度成像和基于边缘折射传播的相位衬度成像功能2.8 应具备硬件+软件的自动防撞机制, 可通过可见光扫描快速获取样品形状和实际轮廓，根据样品形状和轮廓，自动对源、探测器位置进行限位，以保证硬件和样品安全 。3 光源与滤波片★3.1 高能量微聚焦闭管透射式X射线源3.2 最高电压≥160kV，最低电压≤30kV，电压在最低和最高之间连续可调3.3 最大功率不小于25W3.4 Z轴可移动范围不小于190 mm 3.5 X射线泄露≤1μSv/hr（距离设备外壳25mm以上处）★3.6 带有单过滤波片支架，12个适用于不同能量段扫描的滤波片4 探测器4.1 能够实现二级放大的16 bit噪声抑制闪烁体耦合探测器, 探测器能够实现2048×2048以上的像素成像和三维重构★4.2 包含0.4X物镜探测器，实现2048×2048像素成像和三维重构4.3 包含高对比度，低分辨率的4X物镜探测器4.4 包含高对比度、高分辨率的20X物镜探测器4.5 探测器可移动范围不小于280mm★4.6 包含高分辨率40X物镜探测器5 样品台及样品室★5.1 全电脑控制高精度4轴马达样品台，具备超高的样品移动精度★5.2样品台X轴运动范围50mm；Y轴运动范围100mm；Z轴运动范围50mm 5.3 样品台旋转运动范围：360度旋转5.4 样品台最大承重范围：25kg5.5 样品台可承受样品尺寸范围：300mm★5.6 为了防止X 射线辐射泄漏、保护仪器操作人员，设备须采用全封闭式铅房设计，不能留有观察玻璃窗。样品室内配备可见光相机，确保操作人员无需通过观察玻璃窗即可监控和操作样品。5.7 配置原位台接口，可后期升级原位台。5.8 系统应具备智能防撞系统，可根据样品尺寸设定源和样品的范围，保障在实际成像过程中不会发生样品和源、探测器的碰撞损坏设备或样品。6 仪器控制与数据采集、重构、可视化及分析系统6.1 全数字化仪器控制，计算机控制工作站★6.2 具备三维数据采集及控制软件, 并提供1次免费升级服务。6.3 支持原始数据查看，图像标准特征显示（如亮度、对比度、放大等）、注释、测量6.4 可以进行基本图像测量，如图像计算、滤波等6.5具备快速三维数据重构软件6.6 具备三维数据可视化软件，展示三维重构结果，包括虚拟断层，着色、渲染、透视等，并实现基本分析功能和注释（3D Viewer）★6.7 专业的三维数据分析软件（一套）：可进行高级三维重构后视图展示与三维高级数据处理与分析包括定量分析与统计分布、切片配准与图像滤波、三维图像数据分割与特征提取、多模态融合与分析、三维模型生成与导出，几何特征计算等（如可以实现三维数据处理，对样品三维数据结果进行相分割，孔隙率计算，裂纹及孔的尺寸统计与空间分布）并且可与其它三维软件兼容, 厂家自带软件全部功能开放7 三维X射线显微镜控制主机（须内附三维X射线显微镜控制单元）Microsoft Windows10操作系统、符合或优于Dual Eight Core CPU 、 CUDA-enabled 3D GPU，12TB（3×4 TB）硬盘容量、32GB内存、RAID-5可刻录式光驱、24寸液晶显示器；额外再配置一台数据处理工作站，要求不低于以下配置：Microsoft Windows 10及以上正版操作系统、双10核CPU、Nvidia RTX A6000GPU、6TB硬盘容量、512GB内存、RAID-5可刻录式光驱、24寸显示屏。8 样品座及标样8.1 配备对中和分辨率测试标样1套，配备针钳式样品座、夹钳式样品座、夹持式样品座、高铝基座样品座、高精度针钳式样品座。9 可拓展功能★9.1 可与双束系统、场发射电镜的数据相关关联，可将CT所获得的数据文件格式如CZI, ZVI, TIFF, MRC等格式的二维图像和TXM 3D X-ray volumes体量数据，导入到电镜或者双束系统的软件中，实现亚微米级到纳米级的数据关联以及数据处理。10 其他硬件10.1 人体工学操作台，大移动范围、高精度花岗岩工作台，四门式防辐射安全屏蔽罩，配备辐射安全连锁装置和“X-ray on”指示器 潜在投标人需于2024年06月11日至2024年06月18日，上午9:00至11:00，下午13:00至17:00（北京时间，法定节假日除外），登录东方招标平台www.oitccas.com注册并购买招标文件，并于2024年07月02日09点30分（北京时间）提交投标文件。联系方式：1. 采购人信息名称：中国科学院大连化学物理研究所地址：辽宁省大连市中山路457号联系方式：王老师，0411-843797072. 采购代理机构信息名称：东方国际招标有限责任公司地址：北京市海淀区丹棱街1号互联网金融中心20层联系方式：窦志超、王琪 010-682905233. 项目联系方式项目联系人：窦志超、王琪电话：010-68290523附件：采购需求.pdf

显微镜已在医学领域广为使用。美国研究人员研发出手机显微镜，只要对手机稍加改装，就能让手机和显微镜一样用于检测血液和细胞样本。如果这一技术得以推广，显微镜有望走入寻常百姓家中。 　　稍加改进 　　美国加利福尼亚大学洛杉矶分校电子工程助理教授艾多安厄兹詹是这一技术的主要研究人员。他把自己开发的软件安装在手机上，同时对手机硬件稍作改动，手机显微镜便应运而生。 　　“我们把手机改装成能确诊疾病的工具，”美国《纽约时报》网站11月8日援引厄兹詹的话说。 　　厄兹詹介绍说，在使用手机显微镜时，只需将血液样本的显微镜载片插入手机的摄像头传感器，传感器便会“读”出载片内容，随后将信息无线传输给医院或当地健康中心。除此之外，手机显微镜能检测出病态血细胞或其他反常细胞，还能观察到白血球增多。 　　加利福尼亚大学伯克利分校物理和分子细胞生物学助理教授艾哈迈德耶尔德兹称赞手机显微镜为一个复杂的问题找到简单解决方法。 　　“它不贵，只要一个手机摄像头就能轻松取代显微镜和其他仪器……如果你在一个不易获得显微镜或医疗设备稀缺的地方，这真是个聪明的解决办法，”耶尔德兹说。 　　全息成像 　　相比传统显微镜，手机显微镜体积小巧，从血液样本中获得信息也更为全面，处理信息更为迅速。 　　来自杜克大学的电子和计算机工程教授戴维布拉迪解释说，由于手机显微镜使用电子放大功能，不再需要透镜来放大倍率，因而体积小巧。 　　布拉迪说，手机显微镜使用全息成像技术，利用发光二极管发出两束光束，一束射向感光片，另一束经载片反射再射向感光片，由此形成全息图。全息图包含大量信息，“使我们能在几秒内就了解很多东西。” 　　加州大学洛杉矶分校应用物理和电子工程教授巴赫拉姆贾拉利还指出，由于传统显微镜视场较小，使用者必须手动调整载片才能看清样本全貌，但全息图能同时将载片上所有细胞尽收图中，手机显微镜能让人在一堆健康细胞里一眼就找到病原体。 　　因此，手机显微镜处理血液和其他样本的速度“有望大大超过显微镜”，贾拉利说。 　　推广在即 　　为推广这一技术，厄兹詹在洛杉矶成立Microskia公司，希望显微镜能走入千家万户。 　　公司首席执行官内文卡尔洛瓦茨说，公司将把部分普通手机直接改造成手机显微镜。如果手机没有配置摄像头或手机体积太小不宜改造，公司将为它们定做一个带有感应芯片的小盒子，以便用户插入手机或通过联机线接入电脑。 　　目前，设备的具体价格尚未确定。 　　“我们的想法就是把这些仪器用到不同商品上，将这种成像和诊断平台商品化，”卡尔洛瓦茨说。

自然界中一些最基本的过程发生在微观尺度上，远远超出了我们肉眼所能看到的极限，这推动了技术的发展，使我们能够超越这个极限。早在公元4世纪，人们发现了光学透镜的基本概念，并在13世纪，人们已经在使用玻璃镜片，以提高他们的视力和放大植物和昆虫等对象以便更好地了解他们。随着时间的推移，这些简单的放大镜发展成为先进的光学系统，被称为光学显微镜，使我们能够看到和理解超越我们感知极限的微观世界。今天，光学显微镜是许多科学和技术领域的核心技术，包括生命科学、生物学、材料科学、纳米技术、工业检测、法医学等等。在这篇文章中，我们将首先探讨光学显微镜的基本工作原理。在此基础上，我们将讨论当今常用的一些更高级的光学显微镜形式，并比较它们在不同应用中的优缺点。　　　　什么是光学显微镜?　　光学显微镜用于通过提供它们如何与可见光相互作用(例如，它们的吸收、反射和散射)的放大图像来使小结构样品可见。这有助于了解样品的外观和组成，但也使我们能够看到微观世界的过程，例如物质如何跨细胞膜扩散。　　显微镜的部件以及光学显微镜的工作原理　　从根本上说，显微镜包括两个子系统：一个用于照亮样品的照明系统和一个成像系统，该系统产生与样品相互作用的光的放大图像，然后可以通过眼睛或使用相机系统进行观察。　　早期的显微镜使用包含阳光的照明系统，阳光通过镜子收集并反射到样品上。今天，大多数显微镜使用人造光源，如灯泡、发光二极管(LED)或激光器来制造更可靠和可控的照明系统，可以根据给定的应用进行定制。在这些系统中，通常使用聚光透镜收集来自光源的光，然后在聚焦到样品上之前对其进行整形和光学过滤。塑造光线对于实现高分辨率和对比度至关重要，通常包括控制被照亮的样品区域和光线照射到它的角度。照明光的光学过滤，使用修改其光谱和偏振的光学过滤器，可用于突出样品的某些特征。图1：复合显微镜的基本构造：来自光源的光使用镜子和聚光镜聚焦到样品(物体)上。来自样品的光被物镜收集，形成中间图像，该图像由目镜再次成像并传递到眼睛，眼睛看到样品的放大图像。　　成像系统收集与样品相互作用的照明光，并产生可以查看的放大图像(如上图1)。这是使用两组主要的光学元件来实现的：首先，物镜从样品中收集尽可能多的光，其次，目镜将收集的光中传递到观察者的眼睛或相机系统。成像系统还可包括诸如选择来自样品的光的某些部分的孔和滤光器之类的元件，例如仅看到已从样品散射的光，或仅看到特定颜色或波长的光。与照明系统的情况一样，这种类型的过滤对于挑出某些感兴趣的特征非常有用，这些特征在对来自样本的所有光进行成像时会保持隐藏。　　总的来说，照明和成像系统在光学显微镜的性能方面起着关键作用。为了在您的应用中充分利用光学显微镜，必须充分了解基本光学显微镜的工作原理以及当今存在的变化。　　简单复合显微镜　　单个镜头可以用作放大镜，当它靠近镜头时，它会增加物体的外观尺寸。透过放大镜看物体，我们看到物体的放大和虚像。这种效果用于简单的显微镜，它由单个镜头组成，该镜头对夹在框架中并从下方照明的样品进行成像，如下图2所示。这种类型的显微镜通常可以实现2-6倍的放大倍率，这足以研究相对较大的样本。然而，实现更高的放大倍率和更好的图像质量需要使用更多的光学元件，这导致了复合显微镜的发展(如下图3)。图2：通过创建靠近它的物体的放大虚拟图像，将单个镜头用作放大镜。图3：左：简单显微镜。右：复合显微镜。　　在复合显微镜中，从底部照射样品以观察透射光，或从顶部照射样品以观察反射光。来自样品的光由一个由两个主要透镜组组成的光学系统收集：物镜和目镜，它们各自的功率倍增，以实现比简单显微镜更高的放大倍率。物镜收集来自样品的光，通常放大倍数为40-100倍。一些复合显微镜在称为“换镜转盘(nose piece)”的旋转转台上配备多个物镜，允许用户在不同的放大倍数之间进行选择。来自物镜的图像被目镜拾取，它再次放大图像并将其传递给用户的眼睛，典型的目镜放大率为10倍。　　可以用标准光学显微镜观察到的最小特征尺寸由所使用的光学波长(λ)和显微镜物镜的分辨率决定，由其孔径数值(NA)定义，最大值为NA =1空中目标。定义可区分的最小特征尺寸(r)的分辨率极限由瑞利准则给出：　　r=0.61×(λ/NA)　　例如，使用波长为550nm的绿光和典型NA为0.7的物镜，标准光学显微镜可以分辨低至0.61×(550nm)/0.7≈480nm的特征，这足以观察细胞(通常为10µm大小)，但不足以观察较小生物的细节，例如病毒(通常为250-400nm)。要对更小的特征成像，可以使用具有更高NA和更短波长的更先进和更昂贵的物镜，但这可能不适用于所有应用。　　在标准复合显微镜(如下图4a)中，样品(通常在载玻片上)被固定在一个可以手动或电子移动以获得更高精度的载物台上，照明系统位于显微镜的下部，而成像系统高于样本。然而，显微镜主体通常也可以适应特定用途。例如，立体显微镜(如下图4b)的特点是两个目镜相互成一个小角度，让用户可以看到一个略有立体感的图像。在许多生物学应用中，使用倒置显微镜设计(如下图4c)，其中照明系统和成像光学器件都在样品台下方，以便于将细胞培养容器等放置在样品台上。最后，比较显微镜(如下图4d)常用于法医。图4：复合显微镜。a)标准直立显微镜指示(1)目镜，(2)物镜转台、左轮手枪或旋转鼻镜(用于固定多个物镜)，(3)物镜、调焦旋钮(用于移动载物台)(4)粗调，(5)微调，(6)载物台(固定样品)，(7)光源(灯或镜子)，(8)光阑和聚光镜，(9)机械载物台。b)立体显微镜。c)倒置显微镜。　　光学显微镜的类型　　下面，我们将介绍一些当今可用的不同类型的光学显微镜技术，讨论它们的主要操作原理以及每种技术的优缺点。　　亮视野显微镜　　亮视野显微镜(Brightfield microscopy，BFM)是最简单的光学显微镜形式，从上方或下方照射样品，收集透射或反射的光以形成可以查看的图像。图像中的对比度和颜色是因为吸收和反射在样品区域内变化而形成的。BFM是第一种开发的光学显微镜，它使用相对简单的光学装置，使早期科学家能够研究传输中的微生物和细胞。今天，它对于相同的目的仍然非常有用，并且还广泛用于研究其他部分透明的样品，例如透射模式下的薄材料(如下图5)，或反射模式下的微电子和其他小结构。图5：亮视野显微镜。左图：透射模式-在显微镜下看到的石墨(深灰色)和石墨烯(最浅灰色)薄片。在这里，图像上看到的亮度差异与石墨层的厚度成正比。右图：反射模式-SiO2表面上的石墨烯和石墨薄片，小的表面污染物也是可见的。　　暗视野显微镜　　暗视野显微镜是一种仅收集被样品散射的光的技术。这是通过添加阻挡照明光直接成像的孔来实现的，这样只能看到被样品散射的照明光。通过这种方式，暗场显微镜突出显示散射光的小结构(如下图6)，并且对于揭示BFM中不可见的特征非常有用，而无需以任何方式修改样品。然而，由于在最终图像中看到的唯一光是被散射的光，因此暗场图像可能非常暗并且需要高照明功率，这可能会损坏样品。　　图6：亮视野和暗视野成像。a)亮视野照明下的聚合物微结构。b)与a)中结构相同的暗视野图像，突出显示边缘散射和表面污染。c)与a)和b)相似的结构，被直径为100-300nm的纳米晶体覆盖。仅观察到纳米晶体散射的光，而背景光被强烈抑制。　　相差显微镜　　相差显微技术(Brightfield microscopy，PCM)是一种可视化由样品光路长度变化引起的光学相位变化的技术.这可以对在BFM中产生很少或没有对比度的透明样品进行成像，例如细胞(如下图7)。由于肉眼不易观察到光学相移，因此相差显微镜需要额外的光学组件，将样品引起的相移转换为最终图像中可见的亮度变化。这需要使用孔径和滤光片来操纵照明系统和成像系统。这些形状和选择性地相移来自样品的光(携带感兴趣的相位信息)和照明光，以便它们建设性地干涉眼睛或检测器以创建可见图像。图7：人类胚胎干细胞群落的相差显微图像。　　微分干涉显微镜　　与PCM类似，微分干涉显微镜(differential interference contrast microscopy，DICM)通过将由于样品光路长度变化引起的光学相位转换为可见对比度，从而使透明样品(例如活的未染色细胞)可视化。然而，与PCM相比，DICM可以实现更高分辨率的图像，并且减少了由PCM所需的光学器件引入的清晰度和图像伪影。在DICM ，照明光束被线性偏振器偏振，其偏振旋转，使其分裂成两个偏振光束，它们具有垂直偏振和小(通常低于1µm)间隔。穿过样品后，两束光束重新组合，从而相互干扰。这将创建一个对比度与图像成正比的图像差在两个偏振光束之间的光相位，因此命名为“差”干涉显微镜。DICM产生的图像出现与采样光束之间的位移方向相关的三维图像，这导致样品边缘具有亮区或暗区，具体取决于两者之间的光学相位差的符号(如下图8)。图8：微分干涉对比显微镜。左：DICM的原理图。右图：通过DICM成像的活体成年秀丽隐杆线虫(C.elegans)。　　偏光显微镜　　在偏振光显微镜中，样品用偏振光照射，光的检测也对偏振敏感。为了实现这一点，偏振器用于控制照明光偏振并将成像系统检测到的偏振限制为仅一种特定的偏振。通常，照明和检测偏振设置为垂直，以便强烈抑制不与样品相互作用的不需要的背景照明光。这种配置需要一个双折射样品，它引入了照明光偏振角的旋转，以便它可以被成像系统检测到，例如，观察晶体的双折射以及它们的厚度和折射率的变化(如下图9)。图9：偏光显微镜。橄榄石堆积物的显微照片，由具有不同双折射的晶体堆积而成。整个样品的厚度和折射率的变化会导致不同的颜色。　　荧光显微镜　　荧光显微镜用于对发出荧光的样品进行成像，也就是说，当用较短波长的光照射时，它们会发出长波长的光。示例包括固有荧光或已用荧光标记物标记的生物样品，以及单分子和其他纳米级荧光团。该技术采用了滤光片的组合，可阻挡短波长照明光，但让较长波长的样品荧光通过，因此最终图像仅显示样品的荧光部分(如下图10)。这允许从由许多其他非荧光颗粒组成的样品中挑出和可视化荧光颗粒或已被染料染色的感兴趣细胞的分布。同时，荧光显微镜还可以通过标记小于此限制的粒子来克服传统光学显微镜的分辨率限制。例如，可以用荧光标记标记病毒以显示其位置在生物样品的情况下，可以表达荧光蛋白，例如绿色荧光蛋白。结合各种新颖形式的样品照明，荧光显微镜的这一优势实现了“超分辨率”显微镜技术，打破了传统光学显微镜的分辨率限制。荧光显微镜的主要限制之一是光漂白，其中标记物或颗粒停止发出荧光，因为吸收照明光的过程最终会改变它们的结构，使它们不再发光。图10：荧光显微镜。左：工作原理-照明光由短通激发滤光片过滤，并由二向色镜反射到样品。来自样品的荧光通过二向色镜，并被发射滤光片额外过滤以去除图像中残留的激发光。右图：有机晶体中分子的荧光图像(晶体轮廓显示为黄色虚线)。由于来自其他分子和晶体材料的荧光，背景并不完全黑暗。　　免疫荧光显微镜　　免疫荧光显微镜是主要用于在微生物的细胞内的生物分子可视化的位置荧光显微镜的具体变化。在这里，用荧光标记物标记或固有荧光的抗体与感兴趣的生物分子结合，揭示它们的位置。(如下图11)图11：免疫荧光显微镜。肌动蛋白丝(紫色)、微管(黄色)和细胞核(绿色)的免疫荧光标记的两个间期细胞。　　共聚焦显微镜　　共聚焦显微镜是一种显微镜技术，它可以逐点成像来自样品的散射或荧光。不是一次对整个样品进行照明和成像，而是在样品区域上扫描源自点状光源的照明点，敏感检测器仅检测来自该点的光，从而产生2D图像。这种方法允许以高分辨率对弱信号样本进行成像，因为来自采样点之外的不需要的背景信号被有效抑制。在这里，所使用的波长和物镜在所有三个维度上都限制了成像光斑的大小。这允许通过将物镜移动到距样品不同的距离，在样品内的不同深度处制作2D图像。然后可以组合这些2D图像“切片”以创建样本的3D图像，这是所讨论的其他宽视场显微镜技术无法实现的，并且还允许以3D方式测量样品尺寸。这些优势的代价是无法一次性拍摄图像，而是必须逐点构建图像，这可能非常耗时并阻碍样本的实时成像(如下图12)。图12：单分子荧光的共聚焦荧光图像。小点对应于单个分子的荧光，而较大的点对应于分子簇。此处的荧光背景比简单的荧光显微镜图像弱得多，如亮点之间的暗区所见。　　双光子显微镜　　双光子显微镜(Two-photonmicroscopy，TPM)是荧光显微镜的一种变体，它使用双光子吸收来激发荧光，而不是单光子激发。在这里，通过吸收两个光子的组合来激发荧光，其能量大约是单个光子激发所需能量的一半。例如，在该方案中，通常由单个蓝色光子激发的荧光团可以被两个近红外光子激发。在TPM中，图像是逐点建立的，就像在共聚焦显微镜中一样，也就是说，双光子激发点在样品上扫描，样品荧光由灵敏的检测器检测。与传统荧光显微镜相比，激发和荧光能量的巨大差异导致了多重优势：首先，它允许使用更长的激发波长，在样品内散射较少，因此穿透更深，以允许在其表面下方对样品进行成像并创建3D样品图像。同时，由于激发能量低得多，光漂白大大减少，这对易碎样品很有用。激发点周围的荧光背景也大大减少，因为有效的双光子吸收仅发生在激发光束的焦点处，因此可以观察到来自样品小部分的荧光(如下图13)。　　TPM的一个缺点是双光子吸收的概率远低于单光子吸收，因此需要高强度照明，如脉冲激光，才能达到实用的荧光信号强度。图13：双光子显微镜。花粉的薄光学切片，显示荧光主要来自外层。　　光片显微镜　　光片显微技术是荧光显微术的一种形式，其中样品被垂直于观察方向的薄“片”光照射，从而仅对样品的薄切片(通常为几微米)进行成像。通过在样品在光片中旋转的同时拍摄一系列图像，可以形成3D图像。这要求样品大部分是透明的，这就是为什么这种技术通常用于形成小型透明生物结构的3D图像，例如细胞、胚胎和生物体。(如下图14)图14：光片显微镜。左：工作原理。右：通过荧光成像用光片显微镜拍摄的小鼠大脑的荧光图像。　　全内反射荧光显微镜　　全内反射荧光(Totalinternal reflectionfluorescence microscopy ，TIRF)是一种荧光显微技术，可通过极薄(约100nm厚)的样品切片制作2D荧光图像。这是通过照明光的渐逝场激发样品的荧光来实现的，当它在两种不同折射率(n)的材料之间的边界处经历全内反射时就会发生这种情况。消逝场具有与照明光相同的波长，但与界面紧密结合。在TIRF显微镜中，激发光通常在载玻片(n=1.52)和样品分散的水介质(n=1.35)之间的界面处发生全内反射。渐逝场的强度随距离呈指数下降来自界面，这样在最终图像中只能观察到靠近界面的荧光团。这也导致来自切片外区域的荧光背景的强烈抑制，这允许拾取微弱的荧光信号，例如在定位单个分子时。这使得TIRF非常适用于观察参与细胞间相互作用的荧光蛋白(如下图15)的微弱信号，但也需要将样品分散在水性介质中，这可能会限制可以测量的样品类型。图15：TIRF图像显示培养的视网膜色素上皮细胞中的蛋白质荧光。每个像素对应67nm。　　膨胀显微镜　　膨胀显微镜背后的基本概念是增加通常需要高分辨率显微镜的样品尺寸，以便可以使用标准显微镜技术(尤其是荧光显微镜)对其进行成像。这适用于保存的标本，例如生物分子、细胞、细菌和组织切片，可以使用下图16中所示的化学过程在所有维度(各向同性)均匀扩展多达50倍。扩展样本可以隔离感兴趣的个别特征通常是隐藏的，可以使它们透明，从而可以对它们的内部进行成像。图16：膨胀显微镜的样品制备。细胞首先被染色，然后连接到聚合物凝胶基质上。然后细胞结构本身被溶解(消化)，使染色的部分随着凝胶各向同性地膨胀，从而使染色的结构更详细地成像。　　光学显微镜中的卷积　　除了使光学系统适应特定用例之外，现代光学显微镜还利用了数字图像处理，例如图像去卷积。该技术通过补偿光学系统本身固有的模糊，可以提高空间分辨率以及光学显微镜拍摄图像的定位精度。这种模糊可以在校准步骤中测量，然后可以用于对图像进行去卷积，从而减少模糊。通过将高性能光学元件与先进的图像处理相结合，数字显微镜可以突破分辨率的极限，以更深入地观察微观世界。(如下图17)图17：图像解卷积。左：原始荧光图像。右：解卷积后的图像，显示细节增加。　　光学显微镜与电子显微镜　　光学显微术通常使用可见光谱中的光波长，由于瑞利准则，其空间分辨率固有地限制为所用波长的大约一半(最多约为200nm)。然而，即使使用具有高NA和高级图像处理的物镜，也无法克服这一基本限制。相反，观察较小的结构需要使用较短波长的电磁辐射。这是电子显微镜的基本原理，其中使用电子而不是可见光照亮样品。电子具有比可见光短得多的相关波长，因此可以实现高达10000000倍的放大倍数，甚至可以分辨单个原子。(如下图18)　　图18：同心聚合物结构中纳米晶体放大15000倍的扫描电子显微镜图像，即使是细微的细节，例如基材的孔隙，也能分辨出来。　　总结与结论　　光学显微镜是一种强大的工具，可用于检查各种应用中的小样本。通过调整用于特定用例的照明和成像技术，可以获得高分辨率图像，从而深入了解样品中的微观结构和过程。文中，我们讨论了各种光学显微镜技术的特点、优势和劣势，这些技术在光线照射和收集方式上有所不同。显微镜种类优点技术限制典型应用亮视野显微镜结构相对简单，光学元件很少低对比度、完全透明的物体不能直接成像，可能需要染色对彩色或染色样品和部分透明材料进行成像暗视野显微镜显示小结构和表面粗糙度，允许对未染色样品进行成像所需的高照明功率会损坏样品，只能看到散射图像特征细胞内颗粒成像，表面检测相差显微镜实现透明样品的成像复杂的光学设置，需要的高照明功率会损坏样品，通常图像较暗跟踪细胞运动，成像幼虫微分干涉对比显微镜比PCM更高的分辨率复杂的光学设置，需要的高照明功率会损坏样品，通常图像较暗活的、未染色的细胞和纳米颗粒的高分辨率成像偏光显微镜来自样品非双折射区域的强背景抑制，允许测量样品厚度和双折射需要双折射样品成像胶原蛋白，揭示晶体中的晶界荧光显微镜允许挑出样品中的单个荧光团和特定的感兴趣区域，可以克服分辨率限制需要荧光样品和灵敏的检测器，光漂白会减弱信号成像细胞成分、单分子、蛋白质免疫荧光显微镜使用抗体靶向可视化特定的生物分子大量样品制备，需要荧光样品，光漂白识别和跟踪细胞和蛋白质共聚焦显微镜低背景信号，可以创建3D图像成像速度慢，需要复杂的光学系统3D细胞成像，荧光信号较弱的成像样品，表面分析双光子显微镜样品穿透深度、背景信号低、光漂白少成像速度慢，需要复杂的光学系统和大功率照明神经科学，深层组织成像光片显微镜图像仅样品的极薄切片，可通过旋转样品创建3D图像成像速度慢，需要复杂的光学系统细胞和生物体的3D成像全内反射荧光显微镜强大的背景抑制，极精细的垂直切片成像仅限于样品的薄区域，需要复杂的光学系统，样品需要在水介质中单分子成像，成像分子运输膨胀显微镜提高标准荧光显微镜的有效分辨率需要对样品进行化学处理，不适用于活体样品生物样品的高分辨率成像　　参考：　　1. Rochow TG, Tucker PA. A Brief History of Microscopy. In: Introduction to Microscopy by Means of Light, Electrons, X Rays, or Acoustics. Springer US 1994:1-21. doi:10.1007/978-1-4899-1513-9_1　　2. Smith WJ. Modern Optical Engineering: The Design of Optical Systems.

干细胞的研究一直受制于供体细胞很难获得，而且相关实验的伦理风险也不容忽视。因此2007年发明的诱导式多能性干细胞(iPS)技术成为最佳的胚胎干细胞替代。iPS细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都与胚胎干细胞相似。但是iPS转化过程中，会有一定的几率发展为癌细胞。不同体细胞来源的iPS细胞成瘤性有差异。因此，如何筛选安全型iPS细胞是该技术能够进入临床实验的关键。原子力显微镜作为一种三维形貌观察工具，不仅具备超高分辨率，而且支持在液体环境下工作，是一种理想的细胞观测设备。除了形貌观察外，原子力显微镜还可以多种表面属性进行定量观测。例如，基于力学测试的表面机械性能测试。这些特征为原子力显微镜应用于iPS细胞观测与筛选提供了技术基础。为此设计一个实验，分别用原子力显微镜观察未分化的iPS细胞和HeLa细胞。HeLa细胞是一种被广泛使用的癌变细胞，因此可以和iPS细胞进行对比观察。上图显示了SPM形状图像(a)HeLa细胞和(b)iPS细胞。用光学显微镜观察到的相应相位差图像分别显示在(c)和(d)中。图中箭头所示位置处的截面形状轮廓如(e)和(f)所示。从细胞形态上来看，HeLa细胞呈圆顶形，表面隆起比较高，约7um；而iPS细胞呈扁平状且细胞间粘附呈网状结构，细胞高约1.7um。仔细观察细胞之间的边界，可以看出HeLa细胞之间的边界呈凹陷状，而iPS细胞之间的边界是凸起的，而且呈网络状。据此可分析得知这两种细胞各自的间粘附具有差异，且HeLa细胞之间的粘附较弱，而iPS细胞之间的粘附较强。除了形貌观察外，原子力显微镜还可以通过力学测量获得细胞表面的机械性能。如下图所示，用探针针尖压触细胞表面，通过对探针获得的力反馈分析样品各类机械性能。对于本实验，在对64×64点的测量区域进行测量后，从获取的体数据中形成形状图像。该观察中使用的探针是由OlympusCorporation制造的OMCL-TR800PSA并且具有0.15N/m的弹簧常数。测量是在培养液中的活细胞条件下进行的。对细胞的最终压力(排斥力)为2.5nN。通过比较从探针与样品接触的位置到达到2.5nN的力的变化，确定样品的硬度。(a)和(b)显示了SPM观察到的HeLa和iPS细胞的细胞形状图像，(c)和(d)显示了相应的ZX断面图像，是从样品竖截面方向看时在(a)和(b)中箭头所示的X线位置处施加到探针的力的图像。图中上方为测量起点，下方白色虚线为压触终点，显示了样品截面形状轮廓。在ZX图像中，探针与样品接触后检测到力的位置以黄色到红色的颜色显示。因为这表明探针对细胞的变形，所以可以理解较大量的细胞变形显示细胞的较软部分。可以从细胞变形量了解硬度。(c)中的HeLa细胞显示出均匀的变形，但相比之下，在(d)中的iPS细胞中，细胞体较软，细胞间粘附区较硬。分析结果表明，HeLa细胞表面硬度比较均匀，软硬部分差别不大，而iPS细胞主体较软，细胞间粘附区较硬。由以上测试可知，利用原子力显微镜对iPS细胞进行表征，有潜力发展为正常细胞筛选以及剔除癌变细胞的合适工具。本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201705/insimg/d524002c-f06f-4221-a09b-ea5520ae7810.jpg" title=" QQ截图20170531163243.png" width=" 600" height=" 424" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 424px " / /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 进入新千年，脑科学研究成为热点。工欲善其事，必先利其器。若要更好的探索人类大脑，就必须有更好的仪器与工具。目前,各国脑科学计划的一个核心方向就是打造用于全景式解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究工具。 其中,如何打破尺度壁垒,整合微观神经元和神经突触活动与大脑整 体的活动和个体行为信息，是领域内亟待解决的一个关键挑战。 /p p 　　近日，自然杂志子刊 Nature Methods 发布了来自于中国在这方面的研究进展。该论文主要展示了《超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统》的研究成果——新一代高速高分辨微型化双光子荧光显微镜成功研制，并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 　　该研究成果源自于国家自然科学基金委员会计划局组织的国家重大科研仪器设备研制专项，当时共有9个项目入选。北京大学程和平院士主导的《超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统》就是其中之一，当时也获得了7200万元的经费支持。 /p p 　　过去三年，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，完成了的这一研发工作。团对成功研制新一代高速高分辨微型化双光子荧光显微镜,并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。研究论文2016年12月提交，2017年5月29日正式在自然杂志子刊 Nature Methods 发布。 /p p 　　根据官方提供的信息，产品相比单光子激发，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，其横向分辨率达到 0.65μm，成像质量可达商品化大型台式双光子荧光显微镜水平，并优于美国所研发的微型化宽场显微镜。该显微镜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。 /p p 　　此外, 采用自主设计可传导 920nm 飞秒激光的光子晶体光纤,该系统首次实现了微型双光子显微镜对脑科学领域最广泛应用的指示神经元活动 的荧光探针(如 GCaMP6)的有效利用。 /p p 　　同时采用柔性光纤束进行 荧光信号的接收,解决了动物的活动和行为由于荧光传输光缆拖拽而 受到干扰的难题。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神经回路的活动。 /p p 　　值得一提的是，该显微镜重仅 2.2 克，可在小动物头部颅窗上,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，还有望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。 /p p 　　之所以说这一研究成果意义重大，主要是因为它为脑科学、人工智能学科的研究提供了重要的高端仪器。具体来说，微型双光子荧光显微成像技术改变了在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式，可用于在动物觅食、哺乳、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 　　事实上，成像技术一直是推动生命科学进步的主要动力。历史上，X射线、全息照相法、CT计算机断层成像、电子显微镜、MRI核共振成像、超高分辨率显微成像技术都推动了科学技术的进步，也都获得了Nobel奖。 /p p 　　在今天的发布会之前，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认可。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 教授认为，“ 这款显微镜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??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。” /p p 　　这项技术研发成功的同时，团队也成立了一家叫做”超维景“的公司，并获得了来自协同创新基金、西科天使的融资，公司将会在符合北大政策的前提下，由北大支持进行商业化推广。团队接下来的重心仍是技术迭代、新产品研发。 /p p br/ /p

2011年11月14日，Lecia(莱卡)公司宣布收购印度Labindia公司显微镜及病理组织学业务，具体收购金额没有披露。 　　Labindia公司是印度领先的解决方案和服务供应商。Lecia与Labindia的合作超过20年，Labindia成功在印度分销Leica产品。约130 家Labindia联营公司将转变为Lecia显微系统部门，维持现有客户，以及从Labindia获取满足客户需求和应用的连续性。实际上，收购是一个长期而富有成效的合作关系后自然而成，并且此次收购也有助于支持Lecia以扩大其在印度业务的策略。 　　Labindia和Lecia显微系统的合作历史可以追溯到20世纪80年代末，当时Labindia开始在印度为Reichert Jung的产品提供服务，不久之后Reichert Jung成为徕卡的一部分。Labindia董事Vijay Bibikar评论说：“我们深信，在这个时间点达成此项收购协议是双方合作进一步加强的表现。” 　　Lecia显微系统总裁Kaldowski表示，“我们高度赞赏我们的合作伙伴Labindia对我们在印度的业务增长的贡献。我们很高兴能在进一步挖掘印度市场的潜力，以帮助我们的客户，满足他们专业挑战的需求。” 　　据悉，同期AB SCIEX收购Labindia质谱业务；而去年，Life Technologies也收购了Labindia部分业务。

原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种具有原子级别高分辨率的新型表面分析仪器，它不但能像扫描隧道显微镜（STM）那样观察导体和半导体材料的表面现象，而且能用来观察诸如玻璃、陶瓷等非导体表面的微观结构，还可以在气体、水和油中无损伤地直接观察物体，大大地拓展了显微技术在生命科学、物理、化学、材料科学和表面科学等领域中的应用，具有广阔的应用前景。1 原子力显微镜的工作原理1.1 基本原理AFM 进行表面分析的基本原理如下：AFM 中有一由氮化硅片或硅片制成的对微弱力极敏感的弹性臂，微悬臂顶端有一硅或碳纳米管等材料制成的微小针尖，控制这一针尖，使其扫描待测样品的表面，这一过程是由压电陶瓷三维扫描器驱动的。当针尖与样品表面原子做相对运动时，作用在样品与针尖之间的力会使微悬臂发生一定量的形变。通过光学或电学的方法检测微悬臂的形变，转化成为图像输出，即可用于样品表面分析。简单地说，原子力显微镜是通过分析样品表面与一个微弱力敏感元件之间的相互作用力来呈现材料表面结构的。1.2 工作模式（一）接触工作模式扫描时如果控制针尖一直与样品表面原子或分子接触，那么这种工作模式称为接触模式。在这一过程中，针尖原子与样品表面原子之间力的作用主要表现为是两者相接触原子间的互斥力（大小约为10-8-10-11 N）。接触模式下工作的原子力显微镜可得到稳定的、高分辨率的样品表面图像。但是这种工作模式也有它的不足之处：当研究易变形的样品（液体样品）、生物大分子等的时候，由于针尖与样品原子直接接触，会使样品表面的原子移动、粘附于针尖或者发生较大形变，从而造成样品损坏、污染针尖或者结果中出现假象。（二）非接触工作模式扫描时如果控制针尖一直不与样品表面的原子或分子接触，那么这种工作模式称为非接触模式。非接触工作模式下由于扫描样品时针尖始终在样品上方5-20 nm 距离范围内，针尖与样品间的距离较接触模式远，所以获得的样品表面图像分辨率相对接触模式较低。但正是这一距离也克服了接触模式的不足之处，不再会造成样品的损坏、针尖污染等问题，灵敏度也提高了。（三）间歇接触工作模式扫描时如果控制针尖间歇性的与样品表面的原子或分子接触，那么这种工作模式称为间歇接触模式，也称为轻敲模式，常通过振动来实现针尖与样品的间歇性接触。该模式下微悬臂的振动是由磁线圈产生的交流磁场直接激发的，针尖与样品表面原子作用力主要是垂直方向的，不再受横向力的影响。间歇接触工作模式集合了接触与非接触模式的优点，既减少了剪切力对样品表面的破坏，又适用于柔软的样品表面成像，因此特别适合于生物样品研究。2 原子力显微镜的组成AFM 的硬件系统由力检测部分、位置检测部分和反馈控制系统三部分组成。图1 所示为AFM 的工作原理图，从图中可以看出，AFM 就是通过集合以上三个系统来将样品的表面特性反映出来的：在AFM的工作系统中，使用由微小悬臂和针尖组成的力检测部分来感应样品与针尖间的作用力；当微悬臂受力形变时，照射在微悬臂末端的激光会发生一定程度的偏移，此偏移量反射到激光检测器的同时也会将信号传递给反馈控制系统；反馈控制系统根据接受的调节信号调节压电陶瓷三维扫描器的位置，最终通过显示系统将样品表面的形貌特征以图像的形式呈现出来。3 样品制备3.1 样品要求原子力显微镜研究对象可以是有机固体、聚合物以及生物大分子等，样品的载体选择范围很大，包括云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、二氧化硅和某些生物膜等，其中最常用的是新剥离的云母片，主要原因是其非常平整且容易处理。而抛光硅片最好要用浓硫酸与30%双氧水的7∶3 混合液在90 ℃下煮1h。利用电性能测试时需要导电性能良好的载体，如石墨或镀有金属的基片。试样的厚度，包括试样台的厚度，最大为10 mm。如果试样过重，有时会影响Scanner的动作，请不要放过重的试样。试样的大小以不大于试样台的大小（直径20 mm）为大致的标准。稍微大一点也没问题。但是，最大值约为40 mm。如果未固定好就进行测量可能产生移位。请固定好后再测定。3.2 样品制备粉末样品的制备：粉末样品的制备常用的是胶纸法，先把两面胶纸粘贴在样品座上，然后把粉末撒到胶纸上，吹去为粘贴在胶纸上的多余粉末即可。块状样品的制备：玻璃、陶瓷及晶体等固体样品需要抛光，注意固体样品表面的粗糙度。液体样品的制备：液体样品的浓度不能太高，否则粒子团聚会损伤针尖。（纳米颗粒：纳米粉末分散到溶剂中，越稀越好，然后涂于云母片或硅片上，手动滴涂或用旋涂机旋涂均可，并自然晾干）。4 原子力显微镜的应用4.1 在材料科学及化学中的应用目前，AFM 在材料科学中主要应用于材料的表面结构、表面重构现象以及表面的动态过程（例如扩散现象）等方面的研究，表面科学的中心内容是研究晶体表面的原子结构，例如从理论上推算出的金属表面结构往往不如实际复杂，借助原子力显微镜可以直观地观察材料的表面重构现象，有助于理论的进一步完善。4.1.1 在探测材料样貌方面的应用利用原子力显微镜来观测材料的样貌进行成像的时候，材料与探针之间出现相应作用力改变能够很好的反映出材料表面的三维图像。可以通过数值分析出材料表面的高低起伏情况，因此，在利用原子力显微镜对材料进行图像分析的时候，可以有效地发现材料表面的颗粒程度、粗糙程度、孔径分布以及孔的结构等。可以利用这种成像的方式把材料表面的情况形成三维图像进行模拟显示，促使形成的图像更加利于人们观察。4.1.2 在粉体材料中的应用在对粉体材料进行分析和研究的时候，可以利用原子力显微镜来逐渐分析原子或者分子中尺度，从而保证可以准确观测晶体以及非晶体的位置、形态、缺陷、聚能、空位以及不同力之间的相互作用。一般来说，粉体材料基本上都是使用在工业中的，但是现阶段有关于检测粉体材料的方法还是十分少的，研制样品也相对比较困难。原子力显微镜实际上是一种新兴的检测方式，具有操作方便、制样简单等特点。很多专家学者认为，人们使用化学方式研制出了SnS粉末，利用原子力显微镜把涂在硅基板上的材料进行成像，从图像上我们很容易发现此类材料具有分布均匀的特点，每一个大约15nm。4.1.3 在晶体材料中的应用专家学者经过不断研究和分析得到了很多晶体生长的模型，但是经过更加深入的分析和研究发现这些理论模型和实际情况是否相同还是具有一定差异，也逐渐成为学者讨论和研究的重点，所以人们希望通过显微镜来监测和观察生长过程。虽然，使用传统的显微镜已经观测出一定的成果，但是由于这些光学显微镜、激光全息干涉技术等存在分辨率不是十分高、实验条件不是很好以及放大不足等问题，使得研究过程出现很大困难，导致不能观测纳米级的分子等。原子力显微镜的发展，为科学家们研究纳米级分子或者原子提供了依据，也成为了专业人士研究晶体过程的重要方式。利用这种显微镜具有的能够在溶液中观察以及高分辨率等特点，可以保证科学家们能够很好的观测到晶体生长过程中的纳米级图像，从而不断分析和掌握材料的情况。4.2 在生物学中的应用AFM 能在气体、液体中无损伤地直接观察物体，可对生物分子在近生理条件下进行检测，是生命科学研究中的有力工具。目前，在生命科学中AFM 主要应用于对细胞、病毒、核酸、蛋白质等生物大分子的三维结构和动态结构信息进行研究。4.2.1 对细胞膜表面形态的研究细胞膜有重要的生理功能，它既使细胞维持稳定代谢的胞内环境，又能调节和选择物质进出细胞。AFM 能够观察到细胞膜表面的超微结构，因此它可以用来观察正常细胞与病变细胞的细胞膜，发现两者的异同，为临床病理诊断提供新的视角和方法。4.2.2 测定细胞弹性以及力学性质病变这一生理过程与细胞的形态和力学性质有关。细胞形态学的变化会影响和反映细胞性质、功能以及细胞微环境的改变。健康细胞与病理状态的细胞在机械性能上是完全不同的。抓住这一点，可以利用AFM 测量出的细胞弹性性质识别癌细胞，以及辅助诊断红细胞相关的各种疾病等，从细胞层面上对各种疾病进行早期诊断和治疗。4.2.3 检测活细胞间相互作用AFM 也可以对细胞间的相互作用进行观察。将一种细胞连接在AFM 扫面探针的尖端，使针尖功能化，对另一种单层排列的细胞进行扫描就可以进行细胞间相互作用的研究。4.2.4 观察动态生物过程AFM也是观察细胞生物过程非常有效的工具。研究痘病毒和活细胞，得到了痘病毒感染活细胞全过程的AFM 图。通过活着的细胞观察子代病毒颗粒，并用AFM 在水溶液环境中在分子水平分辩出有规则重复的烙铁状结构和准有序的环状结构。观察中发现: 在感染前后最初几小时，细胞并无显著变化 子代病毒粒子沿细胞骨架进入细胞内部，还有胞吐、病毒颗粒聚集等现象。通过AFM 图像可以看出哑铃状小泡逐渐形成、消失并在细胞膜表面形成凹陷的全过程。4.2.5 观察生物大分子之间相互作用在生物体内，DNA 与蛋白质间的相互作用有着同样举足轻重的地位。在转录、翻译的过程中，DNA 与特定的蛋白质如解旋酶、聚合酶、启动因子等的结合就决定着生命活动的开启。Gilmore 等利用AFM 以每500 ms 拍摄1 次的速度，清晰地观察到了蛋白质在DNA 上的结合情况。因此，AFM 可以真正帮助我们深入地“看到”生命活动的本质。4.2.6 测定细胞电学性质细胞不论在静止状态还是活动状态，都会产生与生命状态密切相关的、有规律的电现象，生物电信号包括静息电位和动作电位，其本质是离子的跨膜流动。因此，研究细胞的电生理学也成为了生命科学领域一个重要的分支。在AFM 系统中增加了导电模块，在迎春花细胞、酵母菌细胞等样品和探针之间加一个偏压，在扫描的过程中，同时获得样品的表面形貌和电流像，且在成像的同时检测探针和细胞样品之间的电流，得到样品表面形貌和局域电流分布及两者之间的对应关系，从而实现AFM 在纳米尺度上对细胞样品电学特性的分析检测。参考文献[1]高翔.原子力显微镜在材料成像中的应用[J].化工管理,2015(08):67.[2]王明友,王卓群,焦丽君.原子力显微镜在表面分析中的应用[J].邢台职业技术学院学报,2015,32(01):75-78.[3]万旻亿.原子力显微镜的核心技术与应用[J].科技资讯,2016,14(35):240-241.[4]鞠安,蒋雯,许阳,杨升,常宁,王鹏,顾宁.原子力显微镜在生命科学领域研究中的应用进展[J].东南大学学报(医学版),2015,34(05):807-812.

美国哥伦比亚大学工程团队开发了一种技术，可实现活体内的实时成像并取代传统的活检。在28日的《自然生物医学工程》上发表的一篇论文中，研究人员描述了一种高速3D显微镜MediSCAPE，其能捕获组织结构的图像，以指导外科医生定位肿瘤及其边界，而无需活体取样分析病理结果。哥伦比亚大学生物医学工程和放射学教授、该研究的资深作者伊丽莎白希尔曼称，活检需要从体内切取小块组织，然后用简单的显微镜观察，因此可能需要几天时间才能得到诊断结果。希尔曼团队希望能直接捕获组织图像而不用切出样本。“这种技术可以让医生实时反馈他们正在查看的组织类型，无需长时间等待。”她解释道，这将让医生就如何最好地切除肿瘤并确保没有留下任何东西做出明智的决定。此外，对于珍贵的组织，如大脑、脊髓、神经、眼睛和面部等，切取组织还可能错过重要的疾病区域。希尔曼一直在开发用于神经科学研究的新型显微镜，这些显微镜可非常快速地捕捉活体样本的3D图像。此次，该团队通过观察小鼠肾脏对他们的显微镜进行了测试。他们观察到的结构很像标准组织学所得到的结构。最重要的是，过程中并没有添加任何染料。研究人员看到的一切都是组织中的自然荧光，而这些荧光通常太弱而无法看到。即使研究人员以足够快的速度进行整体3D成像，实时漫游，扫描组织的不同区域，MediSCAPE也能非常高效地显示出这些微弱的信号。研究人员甚至可将获得的体积拼接在一起，并将数据转化为组织的大型3D展示，这样病理学家就可像一整盒组织学幻灯片一样使用它。该团队展示了MediSCAPE在广泛应用中的强大功能，从分析小鼠胰腺癌到对人体移植器官（如肾脏）的非破坏性快速评估。研究人员认为，通过对体内的活组织进行成像，可获得比无生命的活检样本更多的信息。他们发现，实际上可看到通过组织的血流，并看到缺血和再灌注的细胞水平效应（切断肾脏的血液供应，然后让它回流）。该团队的最后一个关键步骤是将希尔曼实验室中标准SCAPE显微镜的大尺寸缩小为适合手术室并可供外科医生在人体中使用的系统。

p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/550aef41-75aa-40f6-b325-2db358b78763.jpg" title=" liux7689_b.jpg" / & nbsp & nbsp /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 英国《自然· 生物医学工程》杂志25日在线发表了一项研究成果：科学家利用改进的显微镜，实现了对肿瘤手术后完整切除的大型组织的快速成像。运用这种新方法，临床病理学家能在数分钟内获得整个样本的三维可视化图像，从而提高诊断准确性。 /p p 　　医学上，肿瘤病理诊断需要研究疾病发生的原因、发病机制，以及疾病过程中患病机体的形态结构等等，从而为疾病的诊断、治疗、预防提供必要的实践依据。这是目前肿瘤科各种检查方法中最可靠的“金标准”，是疾病的最终诊断。常规的做法是，通过手术取出组织样本后，病理学家首先会通过化学固定保留其结构 然后将组织切成薄片，放置在载玻片上 再用染料染色，在显微镜下进行组织学检查以诊断疾病。 /p p 　　但这一传统过程十分费时费力，在一个样本中，实际上只有几个组织切片得到了显微镜分析，其能为诊断提供的信息也就很有限。研究人员一直尝试突破这一瓶颈，因为这会显著影响临床医生正确做出决定的能力，从而导致病理分型错误。 /p p 　　此次，美国华盛顿大学科学家乔纳森· 刘及同事优化了扫描样本切片的荧光显微镜，使手术样本可在数分钟内成像，且无需对样本进行处理。这种三维显微成像技术是利用光学层析技术获取样本三维图像的光学显微成像方法。研究团队的结果表明，显微镜可快速识别肿瘤切缘，避免标准组织病理学方法中产生的伪影，从而提供更准确的临床组织样本评估，改善对患者的诊断。 /p p 　　研究人员表示，新技术很快就可用于手术后的肿瘤组织成像，医生将能以前所未有的效率和准度进行判断并采取治疗措施。 /p

镜质合璧 还原真实质谱成像应用于酶组织化学分析 摘要检测酶促反应通常通过底物和酶反应后的产物继续反应显色并测量吸光度来实现。现有的酶促反应检测方法既要求底物和酶之间的初级反应，又要求随后产生颜色的二级反应。一种新的酶促反应检测方法利用质谱技术无需进行二级反应即可直接检测初级反应产物。将这种方法用于组织表面分析，还可以对酶活性进行可视化分析。本文描述了使用高空间分辨率质谱成像系统iMScope进行酶组织化学分析的新应用。 引言酶在组织中的分布通常用免疫组织化学（IHC）方法来测定。虽然IHC能够可视化表征酶蛋白的位置，但无法区分活性酶和非活性酶。酶组织化学作为一种成熟的方法，能够可视化分析酶活性，这是无法通过IHC分析实现的1)，2) 。酶组织化学依赖组织切片表面上发生的酶活性化学反应，以此识别酶活性及其强度。可视化分析通常将反应底物涂敷到组织切片，组织切片与内源酶发生反应，产物继续通过另一种反应显色。采用这种方法，每种显色反应对应一种化合物，因此，多化合物可视化分析需要进行多种显色反应。使用这种方法来可视化分析酶活性的分布通常并非是一种简单的将底物添加到组织切片的过程。作为替代常规酶组织化学显色反应步骤的一种方法，本研究考察了利用成像质谱（MSI）直接检测小鼠脑切片和整个果蝇切片中酶促反应产物的方法3) 。 实验本研究试图对野生型小鼠脑切片和整个野生型果蝇切片中乙酰胆碱酯酶（AChE）活性的分布进行可视化分析。AChE能够催化底物乙酰胆碱分解为胆碱和乙酸。因此，本研究将乙酰胆碱涂敷到组织样本的表面，并检测其降解产物胆碱并评价酶活性。为与内源性胆碱进行区分，将氘标记的乙酰胆碱-d9（ACh-d9）作为底物，并检测胆碱-d9（Choline-d9）（图1）。利用喷枪将底物手动涂敷至组织切片表面。图1 MSI法酶组织化学原理将标记后的底物涂敷于样本表面，利用质谱检测酶促反应产物，并进行可视化分析。 本研究同时考察了进行半定量分析的反应时间和方法。 将α-氰基-4-羟基肉桂酸（α-CHCA，Sigma-Aldrich）作为基质，通过两步法4) 进行基质涂敷，该方法结合了基于iMLayer基质升华仪（图2）的升华法和手动涂敷α-CHCA溶液的喷雾法。 使用iMScope成像质谱显微镜（图3）进行MSI检测，并使用IMAGEREVEA MS质谱成像分析软件进行数据分析（图4）。iMScope实验参数如表1所示。 图4 IMAGEREVEA MS质谱成像数据分析软件 表1 MSI分析参数结果与讨论图 5：转化率公式和酶活性公式 图6(A) 样本组织表面底物转化比例与酶反应时间关系以底物涂敷时间为0分钟，结果显示所有乙酰胆碱-d9（底物）在5分钟内转化为胆碱-d9。(B) 乙酰胆碱酯酶活性在小鼠脑组织中比较MSI结合HE染色分析结果显示，酶活性在纹状体（CPu）、海马体（HP）和下丘脑（TH）中较高，而在胼胝体（CC）和小脑皮质（CBX）中较低。(C, D) HE染色和高空间分辨率成像分析小鼠海马体酶活性显示CA3区中酶活性较高。标尺：1mm 根据图5(1)中的公式计算底物转化率并绘制转化率与反应时间的关系图表明，乙酰胆碱-d9在涂敷于样品表面后迅速开始分解为胆碱-d9，并且在5分钟内转化停止并耗尽乙酰胆碱-d9（图6A）。因此，5分钟是用以测量酶活性的足够的反应时间。由于组织定位相关的生物基质效应会给半定量分析带来影响，图5(2)中的公式被认为是一种标准化方法用以校正乙酰胆碱-d9和胆碱-d9的离子化效率。 使用IMAGEREVEAL MS质谱成像数据分析软件提取m/z 155.17乙酰胆碱-d9和m/z 113.16胆碱-d9的质谱图像。利用IMAGEREVEAL MS中提供的四则运算方法，根据公式（2）计算胆碱酯酶活性分布的图像（图6B和图6D）。这些图像显示纹状体（CPu）、海马（HP）和下丘脑（TH）的AChE活性较高，而胼胝体（CC）和小脑皮质（CBX）的AChE活性较低（图6B）。 这些结果与传统酶组织化学方法高度匹配，证明该技术的可靠性。iMScope的高空间分辨率质谱成像还用于可视化分析大脑海马区的酶活性（图6C、6D）。 由于哺乳动物除AChE外还产生丁酰胆碱酯酶（BuChE），因此尝试对不同胆碱酯酶的活性分布进行可视化研究。BuChE将乙酰胆碱和各种其他胆碱酯转化为胆碱。将底物乙酰胆碱与四异丙基焦磷酸酰胺（iso-OMPA，一种BuChE抑制剂）一起涂敷于样品表面，利用MSI观察AChE活性的特异性分布。针对BuChE活性的特异性分布，也通过在一系列组织切片涂敷底物乙酰胆碱和AChE活性抑制剂加兰他敏（galantamine）进行研究。这些实验表明，在不含任何抑制剂样本的胼胝体(CC)中酶活性，在很大程度上被iso-OMPA抑制，这表明胼胝体中的大部分胆碱酯酶活性是由BuChE引起的（图7A）。图7使用抑制剂后在小鼠脑切片中可视化观察酶活性，以及整个果蝇切片中胆碱酯酶活性分布的MSI(A) 使用抑制剂后可视化观察酶活性Iso-OMPA抑制丁酰胆碱酯酶活性实现特异性检测乙酰胆碱酯酶活性加兰他敏抑制乙酰胆碱酯酶活性实现特异性检测丁酰胆碱酯酶活性(B) 果蝇中胆碱酯酶活性的分布尽管果蝇属于不同的门类，但该方法同样适用，并揭示了大脑和胸腹区的酶活性。尤其是在胸腹区，检测到了可溶性酶活性，表明该方法可提供常规酶组织化学难以获得的结果。 因此，将标记稳定同位素的底物与抑制剂一同涂敷于组织样本表面是一种更精确的酶组织化学研究方法。 本方法甚至可以用于果蝇（一种不同门的动物）的研究。如图7B所示，ChE活性在整个果蝇中分布不均匀，在大脑中ChE活性极高，在胸腹区ChE活性也较高。果蝇头部具有极高酶活性的结果与先前报告一致5)，表明活性来自中枢神经系统中头神经节的胆碱能神经中的AChE。相比之下，胸腹区的ChE活性很可能不是由中枢神经系统中的AChE引起的。报告显示除中枢神经系统外，血液淋巴中也存在AChE6)，并且Zador等人观察到可溶性AchE的存在，其结构与神经系统中的膜结合AChE不同7)。胸腹区的AChE活性与以往报告一致，证明本方法可有效进行ChE活性定位的研究。 结论本文描述了一种基于MSI进行酶组织化学的新方法，结果显示MSI无需显色反应即可获得酶活性的半定量分布结果。该方法同时还被用于果蝇切片分析，可有效可视化分析膜结合AChE和可溶性AChE的活性。尤其是可溶性酶活性的分布难以通过传统方法获得，这显示了本方法的优越性。对于其他酶（不仅包括水解酶，还包括转移酶），我们还将开发更多的可视化分析方法。 致谢诚挚感谢京都工业大学应用生物科学系染色体工程实验室的Masamitsu Yamaguchi教授提供果蝇样本。 1.Takamatsu, H. Histochemische Untersuchungen der Phosphatase und deren Verteilung in verschiedenen Organen und Geweben. Trans. Soc. Path. Japan 29, 429 (1939)2.Gomori, G. Microtechnical demonstration of phosphatase in tissue sections. Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine 42, 23 (1939)3.Takeo E, Fukusaki E, Shimma S. A mass spectrometric enzyme histochemistry method developed for visualizing in situ cholinesterase activity in Mus musculus and Drosophila melanogaster. Anal. Chem. 92, 12379 (2020)4.Shimma S, Takashima Y, Hashimoto J, Yonemori K, Tamura K, Hamada A. Alternative two-step matrix application method for imaging mass spectrometry to avoid tissue shrinkage and improve ionization efficiency. J Mass Spectrom. 48, 1285 (2013)5.Toutant, J. P., Insect acetylcholinesterase: catalytic properties, tissue distribution and molecular forms. Prog Neurobiol. 32, 423 (1989)6.Chadwick, L. E., Actions on Insects and Other Invertebrates. In Cholinesterases and Anticholinesterase Agents, Koelle, G. B., Ed. Springer Berlin Heidelberg: Berlin, Heidelberg, 1963 pp 741-798.7.Zador, E., Tissue specific expression of the acetylcholinesterase gene in Drosophila melanogaster. Mol Gen Genet. 218, 487 (1989) 文献题目《质谱成像应用于酶组织化学分析》 使用仪器岛津iMScope TRIO 作者Shuichi Shimma1,2,3；Emi Takeo1；Kaoru Nakagawa；Takushi Yamamoto；Eiichiro Fukusaki1,2,31 大阪大学工学研究生院生物技术系2 大阪大学Shimadzu Omics 创新研究实验室3 大阪大学开放与跨学科研究倡议研究所

据加拿大维多利亚大学消息，该校据称为世界上最为强劲的显微镜已经完成安装、调试，即将启用，预约使用该设备的相关科学家和企业已经排起长龙。 　　该显微镜为扫描透射电子全息显微镜(STEHM)，重7吨、高4.5米，分辨率35皮米(一皮米为一兆分之一米)，相当于人类正常视力的2000万倍，是该类显微镜的世界首部。此前显微镜最高分辨率为49皮米，设在美国加州大学伯克利分校劳伦斯国家实验室。日立公司用了一年时间在加维多利亚大学一个研究中心地下实验室，安装了这部超高分辨率、超稳定的仪器。 　　该显微镜具有完整的分析能力，能让研究人员以一种前所未有的方式观测原子、确定元素类型和数量，并通过高分辨率摄像机收集数据。该校教授认为，有了这部设备，很多需要观测原子结构量级的加国内以及国际多学科科学和工程研究项目得以深入开展，相关科学研究也将开启新纪元。 　　整个显微镜相当庞大，包括22箱零部件。 研究人员正在检查卸下的电子枪部分 　　巨大的显微镜难以通过电梯搬运安装，工程人员拆开了地板，使用大型吊车将零件吊入地下室。 显微镜在实验室进行安装 显微镜在实验室进行安装 维多利亚大学John Braybrook教授与即将安装完成的STEHM 　　维多利亚大学显微镜基金主任Rodney Herring与安装完成的STEHM。此时，这部特制显微镜还未最终确定其型号。 其型号确定为HF-3300V 　　该显微镜使用亮度最高，最稳定，连续性最好的冷场发射电子源，内置由日立高新定制制作的CEOS像差的矫正镜片，安装在特制的地下实验室中，实验室坐落在基岩上，外壁有铝包层以阻挡电磁辐射，并安装了8英寸的绝缘板和镀锌钢板，尽量减少震动，整个实验室的电磁和磁场绝缘性良好。内壁安装了消声材料和冷却板，温度波动控制在到0.1华氏度/小时。当研究人员将样品放入仪器后，将离开房间，进行远程操作，以免产生气流，扰乱光束。 施工中的地下实验室 　　维多利亚大学显微镜基金主任Rodney Herring说：&ldquo STEHM将被各个地区，国家的科学家和工程师使用，用于大量的相关的研究项目，它使我们看到了看不见的世界。&rdquo 　　该校与巴拉德公司合作从事燃料电池的研究的科学家认为，该显微镜为燃料电池研究开辟了新的天地。温哥华当地一家生产高分辨率半导体辐射探测器(用于行李扫描和炸弹检测)和心脏核医学CT扫描的公司，也预约在该显微镜上开展研发。 　　加拿大联邦政府通过加创新基金支持该显微镜920万加元，BC省知识发展基金、大学及相关企业也给予了支持。

Siti Nur Afifa Azman , Eleonora Pavoni , Marco Farina扫描微波显微镜（SMM）在提供亚表面结构的成像和允许样品的局部定量表征方面是突出的。一种被称为反向扫描微波显微镜（iSMM）的新技术是最近开发的，旨在扩大该应用，超出当前对表面物理和半导体技术的关注。通过一个简单的金属探针，iSMM可以从现有的原子力显微镜（AFM）或扫描隧道显微镜（STM）转换而成，从而在带宽、灵敏度和动态范围方面形成传统的SMM。iSMM主要用于分析生物样品，因为它可以在液体中工作。扫描微波显微镜（SMM）[1]是扫描探针显微镜（SPM）[2]家族中的一种仪器，该家族包括众所周知的原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）。在SMM中，用作天线的探头在表面附近进行光栅扫描，在扫描过程中，记录微波信号的局部反射系数，提供关于表面和亚表面阻抗的信息。SMM的一个基本优点是它能够通过利用纳米探针和样品本身之间的近场电磁相互作用来定量表征样品的电磁特性。在一些实施方式中，矢量网络分析仪（VNA）被用作微波信号的源和检测器，通过导电探针辐射和感测微波信号。通常，SMM与一些其他SPM技术（例如AFM或STM）协同工作，提供了一种控制和保持探针和样品之间距离恒定的机制。基于SPM的SMM显微镜的使用最近在生物和生物医学领域获得了更多的关注，这是由于该技术能够测量与生理病理条件密切相关的电磁参数。然而，在极端环境（如用于保持细胞健康的生理缓冲液）中喂养SPM探针已被证明极具挑战性。作者于2019年引入的一种称为倒置SMM（iSMM）的新设置[3]克服了原始SMM与生理环境相关的大多数限制：倒置SMM的结构成本低、易于获得，并且与生理环境兼容，这也使得SMM能够应用于生物生活系统。其想法是将进料从探头移动到样品架；在iSMM中，样品保持器是一条传输线，通过该传输线测量反射和透射，而SPM探头（交流接地）仅干扰通过样品的传输线。因此，任何现有的SPM都可以创建iSMM，只需提供适当的样本保持器，当然，还可以使用软件同步传输线上的测量和SPM扫描。需要强调的是，所提出的系统是宽带的，能够实现频谱分析、时域分析和微波层析成像。到目前为止，SMM已被用于表征活的生物细胞，尽管在生理缓冲液中操作存在挑战[4，5]。除此之外，它还被用于负责细胞呼吸和能量生产的亚细胞细胞器，如线粒体[6]。iSMM已证明能够克服液体操作的局限性，这是首次在生理缓冲液中成功地对活细胞进行微波成像[3]。仪器开发几年来，研究活动一直基于一种自制的STM辅助SMM，该SMM是通过将Imtiaz[7]的系统的一些特性与Keysight[8]开发的系统混合而构建的。在这里，特别是结合了标准隧道显微镜，其反馈电路用于将探针与样品保持在给定距离，并在反射计设置中使用微波信号。然而，与Keysight仪器和其他可用设备不同，该仪器没有谐振器；因此，显微镜可以在VNA允许的整个频率范围内记录数据。具体而言，该系统利用并控制一台商用STM显微镜、NT-MDT的Solver P47和一台Agilent矢量网络分析仪PNA E8361，其带宽为67 GHz，动态范围为120 dB。例如，该技术被应用于线粒体成像[9]，以评估干燥的癌细胞，并被特意处理以确定掺入的富勒烯的存在[10]。通过利用在多个相近频率下获得的图像的相关性，并使用一种权宜之计，即时域反射法[11-13]，提高了系统灵敏度，这可以通过使用尖端/样本相互作用对微波信号进行“扩频”调制来理解；在频谱上传播的信息通过傅里叶逆变换在单个时间瞬间折叠来恢复。STM辅助的SMM提供了非常高质量的图像，减少了由于地形“串扰”而产生的伪影，即由于扫描期间探针电容的变化而产生的地形副本。然而，STM在处理导电性较差的样品（如生物样品）时极具挑战性，在液体中使用时更为困难。图1A）中所示的传统SMM通常是从AFM（或STM）获得的，其中微波信号被注入并由反射测量系统感测：反射信号和注入信号之间的比率，即所谓的反射系数（S11），可用于确定样品的扩展阻抗或介电常数，经过适当的校准和分析。这种单端口反射测量通常具有40-60dB的动态范围，这受到定向耦合器的限制。在图1（B）所示的iSMM配置中，导电扫描探针（AFM或STM）始终接地，微波信号通过传输线（例如共面波导、槽线）注入，以这种方式，传输线成为样品保持器。传输线的输入和输出连接到VNA，从而可以测量反射和传输信号（分别为S11和S21）[3,14,15]。这种双端口测量通常具有120−140 dB，这使得当接地探头扫描样品时更容易感测到接地探头引起的微小扰动。图1：（A）基于AFM的传统SMM和（B）倒置SMM的示意图。图2：干燥Jurkat细胞的同时（A）AFM和（B）iSMM|S11|图像。Jurkat细胞和L6细胞的iSMM表征最初，在干燥的Jurkat细胞以及干燥的和活的L6细胞上证明了iSMM[3]。图2显示了干燥Jurkat细胞的AFM和iSMM S 11图像的比较。同时，图3比较了盐水溶液中活L6细胞的AFM和iSMM S 21图像。iSMM S 11和S 21信号分别在4 GHz和3.4 GHz下滤波。干燥Jurkat细胞的iSMM S 11图像显示出与AFM相同的质量，而活L6细胞的iSMMS 21显示出由双端口SMM在液体条件下测量的透射系数形成的最佳质量。在这项工作中，透射模式测量的校准程序[16]应用于干燥L6电池的iSMM S21。图4说明了校准的效果，显示了AFM形貌图像、被样品形貌破坏的iSMM S21电容图像以及在6.2 GHz下去除了干燥L6电池的形貌效应的iSMM S 21介电常数图像。正如预期的那样，在干燥电池的外围附近出现了脊，但整个电池的介电常数为2.8±0.7。本质上，该值与电解质溶液中脂质双层的值相当[17]，但低于干燥大肠杆菌的值[18]。随后，对干燥的Jurkat细胞进行了iSMM反射模式测量的定量表征[19]。图3：盐水溶液中活L6细胞的同时（A）AFM和（B）iSMM|S21|图像。图4：干燥的L6电池的（A）AFM形貌、（B）iSMM|S21|电容和（V）iSMM| S21|介电常数图像。图5：（A）AFM形貌，（B）iSMM|S11|，（C）iSMMφ11，和（D）干燥Jurkat电池的介电常数图像。图6：（A）AFM形貌，（B）iSMM|S11|，（C）iSMM| S21|，（D）时间门控iSMM|S 11|，和（E） 葡萄糖等渗溶液中相同线粒体的时间门控iSMM|S21|图像。图5显示了AFM形貌、原始iSMM S11的大小以及在4GHz下同时获得的相位。该图显示了带样品和不带样品的区域之间的良好对比，揭示了与表面和亚表面区域中不同的电特性相关的其他特性。按照已经描述的算法校准原始iSMM S11图像[20]。图5（D）显示了干燥的Jurkat电池的提取介电常数图像，其约为2.6±0.3，并且在电池上均匀。该值与传统SMM在干燥的L6细胞上获得的先前数据一致[21]。生活环境中线粒体的iSMM表征iSMM的最新工作是在完全浸入液体中的线粒体上进行的，以非接触模式操作，最大限度地减少了对样品的损伤[22]。图6（A）、图6（B）和图6（C）显示了AFM形貌图像，其中iSMM图像S11和S21在直径约为1µm的同一线粒体上同时采集。在1.6-1.8GHz的频带上对iSMM信号进行滤波和平均。显然，|S11|和|S21|图像质量相当，并且都揭示了AFM图像中不存在的细节。由于线粒体是不导电的，所以从周围的CPW电极可以很容易地看到对比。与大多数SMM不同，iSMM能够进行宽带测量。因此，它使iSMM从1.6GHz到1.8GHz测量的S11和S21信号能够通过傅里叶逆变换变换到时域。随后，可以门控掉不需要的信号，以进一步提高SNR[13，20]。最后，图6（D）和图6（E）显示了时间门控iSMM S11和S21图像，显示了更精细的细节。iSMM探针和线粒体之间的相互作用阻抗可以从S11和S21测量中获得。反过来，可以提取线粒体介电性质的局部变化，正如SMM对活细胞所做的那样[3]。总结iSMM能够对生物样本的细胞内结构进行无创和无标记成像。iSMM可以通过任何现有的扫描探针技术轻松获得，只需使用合适的样品夹，为大多数实验室提供了利用该技术的机会。Jurkat细胞、L6细胞和线粒体的iSMM图像显示出良好的灵敏度和质量，显示了AFM形貌中无法看到的细节。通过实施为传统SMM开发的校准算法，分别对干燥的Jurkat细胞和L6细胞进行透射和反射模式测量的定量表征。Jurkat细胞的介电常数被确定为约2.6±0.3，而L6细胞显示为约2.8±0.7。时域分析定性地改进了iSMM，并提供了对样品（如线粒体）的更多了解。致谢我们要感谢我们的研究小组和所有为本报告的科学结果做出贡献的人。这项工作的一部分获得了欧洲项目“纳米材料实现下一代物联网智能能源收集”（NANO-EH）（第951761号赠款协议）（FETPROACT-EIC-05-2019）的资助。我们还要感谢来自意大利SOMACIS的Francesco Bigelli博士和Paolo Scalmati博士在实现样品架原型方面的帮助。附属机构：1 Department of Information Engineering, Marche Polytechnic University, Ancona, Italy联系；Prof. Dr. Marco Farina Department of Information Engineering Marche Polytechnic University Ancona, Italy m.farina@staff.univpm.it 参考文献：https://bit.ly/IM-Farina 原载：Imaging & Microscopy 4/2022. Inverted Scanning Microwave Microscopy—— Application and Perspective on Biological Samples供稿：符 斌，北京中实国金国际实验室能力验证研究有限公司

人的肉眼分辨本领在0.1毫米左右，我们是怎么一步步地看见细菌、病毒，乃至蛋白质结构的呢？这背后离不开这群“强迫症”。采访专家：张德添（军事医学科学院国家生物医学分析中心教授）“我非常惊奇地看到水中有许多极小的活体微生物，它们如此漂亮而动人，有的如长矛穿水而过，有的像陀螺原地打转，还有的灵巧地徘徊前进，成群结队。你简直可以将它们想象成一群飞行的蚊虫。”1675年，一名荷兰代尔夫特市政厅的小公务员给英国皇家学会写了这样一封信，向学会的会员们描述自己用自制的显微镜观察到的奇妙景象。作为给当时欧洲最富盛名的学术组织寄去的一封学术讨论信件，这名公务员并没有进行大篇幅严谨却枯燥的科学论证，而是用朴实的语言，在字里行间留下了自己发现新事物时那种孩童般的惊奇与喜悦。这位当时默默无闻的小公务员，正是大名鼎鼎的微生物学和显微镜学先驱者—安东尼范列文虎克。在50年的时间里，列文虎克用制作的显微镜观察到了细菌、肌纤维和精细胞等微观生物，并先后给英国皇家学会寄去了300多封信件来讨论他的新发现。正是在列文虎克的不懈坚持下，人类观察世界的眼睛终于来到了微生物层面。初代显微镜：拨开微生物世界的迷雾列文虎克能发现色彩斑斓的微生物世界，主要得益于他在透镜制作方面的天赋。他一生中制作了多达400多台显微镜，与今日我们熟知的显微镜存在很大不同，列文虎克的显微镜绝大多数属于单透镜显微镜，仅由一个小黄铜板构成，使用时需要仰身将这个铜板面向阳光进行观察。列文虎克凭借他的一系列惊人发现迅速成为当时科学界的“网红级”人物。然而真正奠定显微镜学理论基础的，则是同时期的英国科学家罗伯特胡克。在列文虎克还在钻研透镜制作技艺时的1665年，在英国皇家学会负责科学试验的胡克，就制作了一台显微镜，与列文虎克使用的单透镜显微镜不同，这是一台复式显微镜，其工作原理和外形已经很接近现代的光学显微镜了。胡克用这台显微镜观察一片软木薄片，发现了密密麻麻的格子状结构，酷似当时僧侣居住的单人房间，因此胡克就用英语中单人间一词“cell”来命名这种结构，而这个单词在当代被翻译为“细胞”。不久，胡克写就了《显微图谱》一书，将这一重要观察成果写入书中。胡克的研究成果很快引起了列文虎克的注意，他曾研究过胡克的显微镜，但最后还是使用了自制的单透镜显微镜来进行观察。原因就在于胡克显微镜存在严重的色差问题。所谓色差，就是在光线经过透镜时，不同颜色的光因折射率不同，会聚焦于不同的点上，使得样品的成像被一层色彩光斑所包围，严重影响清晰度。列文虎克提出的解决方案也很简单，就是在透镜研磨的精细程度上下功夫，将单透镜制成小玻璃珠，并将之嵌入黄铜板的细孔内，这样在放大倍数不低于胡克显微镜的基础上，最大程度避免色差对成像的干扰。但代价是，由于观察时是需要对着阳光，对观测者的眼睛伤害很大。除了色差，早期显微镜还存在着球面像差问题，即光线在经过透镜折射时，接近中心与靠近边缘的光线不能将影像聚集在一点上，使得成像模糊不清。自显微镜诞生之日起，色差和球面像差就成为“与生俱来的顽疾”，一直制约着人们向微观世界进军的步伐。直到19世纪，光学显微技术才在工业革命的助力下完成了一次实质性蜕变，从而在根本上解决了这两个难题。挑战色差与球面像差：逐渐清晰的微观视角首先是1830年，一个名为李斯特的英国业余显微镜学爱好者首先向球面像差发起挑战，他创造性地用几个特定间距的透镜组，成功减小了球面像差影响。此后，改进显微镜的主阵地很快转移到了德国，其中1846年成立的蔡司光学工厂，更是在此后一个世纪里成为领头羊。1857年蔡司工厂研制出第一台现代复式显微镜，并成功打入市场。不过在研制和生产过程中，蔡司也深受色差之苦：当时通行的增加透镜数量的做法，虽能提升显微镜的放大倍数，却仍无法消除色差对成像清晰度的干扰。1872年，德国耶拿大学的恩斯特阿贝教授提出了完善的显微镜学理论，详细说明了光学显微镜的成像原理、数值孔径等科学问题。蔡司也迅速邀请阿贝教授加盟，并研制出一批划时代的光学部件，其中就包括复消色差透镜，一举消除了色差的影响。在阿贝教授的技术加持下，蔡司工厂的显微镜成为同类产品中的佼佼者，很快成为欧美各大实验室的抢手货，并奠定了现代光学显微镜的基本形态。不久，蔡司又拉来了著名化学家奥托肖特入伙，将其研制的具有全新光学特性的锂玻璃应用在自家产品上。1884年，蔡司更是联合阿贝与肖特，成立了“耶拿玻璃厂”，专为显微镜生产专业透镜。显微镜技术的突飞猛进也让各种现代生物学理论不断完善，透过高分辨率的透镜，微观世界中各种复杂的结构逐步以具象的形式呈现在人类眼前。由于微观层面的生物结构大多是无色透明的，为了让他们在镜头下变得清晰可见，当时的科学家普遍将生物样品染色，以此提高对比度方便观察。这一方法最大的局限在于，染料本身的毒性往往会破坏微生物的组织结构，这一时期染剂落后的材质，也无法实现对某些特定组织的染色。直到1935年荷兰学者泽尼克发现了相衬原理，并将之成功应有于显微镜上。这种相衬显微技术，利用光线穿过透明物体产生的极细微的相位差来成像，使得显微镜能够清晰地观察到无色透明的生物样品。泽尼克本人则凭借此次发现斩获了1953年的诺贝尔物理学奖。军事医学科学院国家生物医学分析中心教授，长期致力于电子显微镜领域研究的张德添向记者介绍道：“人的肉眼分辨本领在0.1毫米左右，而光学显微镜的分辨本领可以达到0.2微米（1毫米=1000微米）的水平，能够看到细菌和细胞。但由于光具有波动性，衍射现象限制了光学显微镜分辨本领的进一步提高。”二战结束后，随着各种新理论新技术的不断应用，光学显微镜得到了长足进步，但也是在这一时期，光学显微镜的潜力已经被发掘到了极限。为蔡司工厂乃至整个显微镜学立下汗马功劳的阿贝教授就提出了“分辨率极限理论”，认为普通光学显微镜的分辨率极限是0.2微米，再小的物体就无能为力了—这一理论又被称为“阿贝极限”，这就好像一层屏障将人类的探索目光阻隔在更深度的微观世界大门之前，迫使科学家们另寻他途。电子显微镜：另辟蹊径，重新发现既然可见光存在这样的短板，那么能否利用其他波长较短的光束来实现分辨率的突破呢？张德添进一步介绍道：“1924年后，人们从物质领域内找到了波长更短的媒质—电子，从而发明了电子显微镜，其分辨本领达到了0.1纳米的水平。”1931年，德国科学家克诺尔和他的学生鲁斯卡在一台高压示波器上加装了一个放电电子源和三个电子透镜，制成了世界首台电子显微镜，就此为人类探索微观世界开拓了一条全新的思路。电子显微镜完全不受阿贝极限的桎梏，在分辨率上要远远超越当时的光学显微镜。鲁斯卡在次年对电子显微镜进行了改进，分辨率一举达到纳米级别（1微米=1000纳米）。在这个观测深度，人类终于亲眼看到了比细菌还要小的微生物—病毒。1938年，鲁斯卡用电子显微镜看到了烟草花叶病毒的真身，而此时距离病毒被证实存在已经过去了40年时间。对于电子显微镜技术的发明，张德添这样评价道：“电子显微镜是人们认识超微观世界的钥匙和工具，它解决了光学显微镜受自然光波长限制的问题，将人们对世界的认识从细胞水平提高到了分子水平。” 从肉眼只能观察到的毫米尺度，到光学显微镜能够达到的微米尺度，再到电子显微镜能进一步下探到纳米尺度，显微成像技术正在迅速突破人类对微观世界的认知极限。不过电子显微镜本身的缺憾也愈加明显。由于电子加速只能在真空条件下实现，在真空环境之下，生物样品往往要经过脱水与干燥，这意味着电子显微镜根本无法观测到活体状态下的生物样品，此外电子束本身又容易破坏样品表面的生物分子结构，这就导致样品本身会丢失很多关键信息。这一顽疾在此后又困扰了科学家多年。直到1981年，IBM苏黎世实验室的两位研究员宾尼希与罗雷尔，用一种当时看起来颇有些“离经叛道”的方法，首先解决了电子束损害样品结构的问题。他们利用量子物理学中的“隧道效应”，制作了一台扫描隧道显微镜。与传统的光学和电子显微镜不同，这种显微镜连镜头都没有。在工作时，用一根探针接近样品，并在两者之间施加电压，当探针距离样品只有纳米级时就会产生隧道效应—电子从这细微的缝隙中穿过，形成微弱的电流，这股电流会随着探针与样品距离的变化而变化，通过测量电流的变化人们就能间接得到样品的大致形状。由于全程没有电子束参与，扫描隧道显微镜从根本上避免了加速电子对生物样品表面的破坏。扫描隧道显微镜在今天也被称为“原子力显微镜”，“在微米甚至纳米水平，动态观察生物样品表面形貌结构的变化规律，原子力显微镜是有其独特优势的”，张德添向记者解释说，“如果条件允许，还可以检测生物大分子间相互作用力的大小，为结构与功能关系研究提供便利。”1986年，宾尼希和罗雷尔凭借扫描隧道显微镜，获得当年的诺贝尔物理学奖，有趣的是，与他们一起分享荣誉的，还有当初发明电子显微镜的鲁斯卡，当时的他已是耄耋老人，而他的恩师克诺尔也早已作古。新老两代电子显微镜技术的里程碑人物同台领奖，成为当时物理学界的一段佳话。老树新芽：突破“阿贝极限”的光学显微镜电子显微镜在问世之后的几十年间，极大拓展了人类对生物、化学、材料和物理等领域认知疆界。而无论是鲁斯卡，还是宾尼希和罗雷尔，他们所作的贡献不仅让自己享誉世界，还助力其他领域的学者登上荣誉之巅。比如英国化学家艾伦克鲁格凭借对核酸与蛋白复杂体系的研究获得1982年度诺贝尔化学奖，而他的科研成果正式依靠高分辨电子显微镜技术和X光衍射分析技术而取得的。在克鲁格获奖的当年，以色列化学家达尼埃尔谢赫特曼更是使用一台电子显微镜，发现了准晶体的存在，并独享了2011年的诺贝尔化学奖。目前，电子显微镜已经成为金属、半导体和超导体领域研究的主力军。但在生物和医学领域，电子显微镜本身对生物样品的损害，依旧是难以逾越的技术难题。于是不少科学家开始从两条路径上寻求解决之道：一条是研发冷冻电镜技术，这种技术并不改变电子显微镜整体的工作模式，而是从生物样品本身入手，对其进行超低温冷冻处理。这样状态下，即使处在真空环境中，样品也能保持原有的形态特征与生物活性。“由于观测温度低，生物样品也处于含水状态，分子也处于天然状态，样品对辐射的耐受能力得以提高。我们可以将样品冻结在不同状态，观测分子结构的变化。”张德添向记者解释道。瑞士物理学家雅克杜波切特、美国生物学家乔基姆弗兰克和英国生物学家理查德亨德森凭借这项技术分享了2017年度诺贝尔化学奖。新冠疫情暴发后，冷冻电镜技术又为人类研究和抗击疫情做出了突出贡献。2020年，西湖大学周强实验室就利用这种技术，首次成功解析了此次新冠病毒的受体—ACE2的全长结构，让人类对新冠病毒的认识向前迈出了关键性一步。另一条路径是从传统的光学显微镜入手。在电子显微镜的黄金时代，不少科学家就开始着手研制超高分辨率光学显微镜，甚至开始尝试突破一直以来困扰光学显微镜的“阿贝极限”，而“荧光技术”就成为实现这一切的关键。早在19世纪中叶，科学家们就发现：某些物质在吸收波长较短而能量较高的光线（比如紫外光）时，能将光源转化为波长较长的可见光。这种现象后来被定义为“荧光现象”。荧光现象在自然界是普遍存在的，这一现象背后的原理也在20世纪迅速被应用在光学显微镜上。1911年，德国科学家首次研制出荧光显微镜装置，用荧光色素对样品进行荧光染色处理，并以紫外光激发样品的荧光物质发光，但成像效果不佳，而且把荧光物质当作染色剂，和早期的染色剂一样，本身的毒性会伤害活体样品。直到1974年，日本科学家下村修发现了绿色荧光蛋白，其毒性远弱于以往的荧光物质，是对活体标本进行荧光标记的理想材料——这一发现成为日后科学家突破“阿贝极限”的有力武器。时间来到1989年，供职于美国IBM研究中心的科学家莫尔纳首次进行了单分子荧光检测，使得光学显微镜的检测尺度精确到纳米量级成为可能。随后在莫尔纳的基础上，美国科学家贝齐格开发出一套新的显微成像方法：控制样品内的荧光分子，让少量分子发光，借此确定分子中心和每个分子的位置，通过多次观察呈现出纳米尺度的图像。通过这种方法，贝齐格轻而易举地突破了光学显微镜的阿贝极限。几乎在同时，德国科学家斯特凡赫尔在一次光学研究中突发奇想：根据荧光现象原理，如果用镭射光激发样品内的荧光物质发光，同时用另一束镭射光消除样品体内较大物体的荧光，这样就只剩下纳米尺度的分子发射荧光并被探测到，不就能在理论上得到分辨率大于0.2微米的微观成像了吗？他随即开始了试验，并制成了一台全新显微镜，将光学显微镜分辨率下探到了0.1微米的水平。困扰光学显微技术百年的阿贝极限难题，就这样历经几代科学家的呕心沥血，终于在本世纪初被成功攻克。莫尔纳、贝齐格和赫尔三位科学家更是凭借“超分辨率荧光显微技术”分享了2014年度的诺贝尔化学奖。时至今日，在探索微观世界的征途上，光学显微镜和电子显微镜互有长短、相得益彰。当然在实际应用中，科学家越来越依赖于将多种显微成像技术结合使用。比如今年5月，英国弗朗西斯克里克研究所就依托钙化成像技术、体积电子显微技术等多种显微成像技术，成功获得了人类大脑神经网络亚细胞图谱。在未来，多种显微成像技术相结合，各施所长，将进一步完善我们在生物、医学、化学和材料等领域的知识结构，把这个包罗万象的奇妙世界更完整地呈现在我们眼前。

新显微镜艺术图 图片来源：日本德岛大学在最近发表在《科学进展》上的一项研究中，科学家开发了一种不需要机械扫描就能获得荧光寿命图像的新方法。荧光显微镜广泛用于生物化学和生命科学，因为它允许科学家直接观察细胞及其内部和周围的某些化合物。荧光分子能吸收特定波长范围内的光，然后在较长的波长范围内重新发射。然而，传统荧光显微技术的主要局限性是其结果难以定量评价，而且荧光强度受实验条件和荧光物质浓度的显著影响。现在，日本科学家的这项新研究将彻底改变荧光寿命显微镜领域。该方法的主要支柱之一是使用光学频率梳作为样品的激发光。一个光学频率梳本质上是一个光信号，是许多离散的光学频率的和，它们之间的间隔是恒定的。在这里，“梳子”指的是信号与光频率的关系：从光频率轴上升起密集且等距“尖刺”，类似于梳子。利用专用的光学设备，将一对激发频率梳信号分解为具有不同强度调制频率的单个光拍信号（双梳光拍），每个光拍携带单个调制频率，辐照到目标样品上。这里的关键是，每束光束都在一个不同的空间位置击中样本，在样本二维表面的每个点和双梳光拍的每个调制频率之间形成一一对应的关系。由于其荧光特性，样品能重新发射部分捕获的辐射，同时仍然保持上述频率—位置对应关系。然后，样品发出的荧光被简单地聚焦在高速单点光电探测器上。最后，研究人员用数学方法将测量信号转换为频域信号，根据调制频率处的激发信号与测量信号之间存在的相对相位延迟，很容易计算出每个像素处的荧光寿命。新方法除了提供对生物过程的更深入的了解外，这种新方法还可以用于多个样本的同时成像，用于抗原检测，并有望开发出新的治疗方法来治疗顽固性疾病，提高预期寿命，从而造福全人类。相关论文信息：http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.abd2102

p & nbsp & nbsp 在 2500 年前，希腊哲学家曾对物质的组成问题争论不休。到了约 200 年前，化学家才在理论上发现了亚原子尺度上的结构。 /p p & nbsp & nbsp 而为了看到这些细微的结构，科学家也在不断努力。从 16 世纪的光学显微镜发明以来，400 年后的 20 世纪初，电子显微镜的发明突破了光学显微镜固有的衍射极限(大约 200 纳米)，能够轻易的分辨出单个原子。但对于亚原子尺度的世界，这个分辨率还远远不够。 /p p & nbsp & nbsp 近日，康奈尔大学应用与工程物理系(AEP)教授 David Muller 教授与物理教授 Sol Gruner、Veit Elser 合作，开发出的电子显微镜像素阵列探测器(EMPAD)获得了电子显微镜成像分辨率的最新世界纪录——0.000000000039 m。这项成果发表在7 月 18 日的《 Nature》上，文章的共同第一作者为 Muller 团队的中国物理学博士生姜毅和博士后研究者陈震。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/c0a29b66-2dff-4bb5-86e9-b9ce331775d0.jpg" title=" 530c-hfxsxzf9093333.jpg" / /p p style=" text-align: center " 图 David Muller 、陈震、姜毅 /p p & nbsp & nbsp 为实现这次破纪录的高分辨率，研究人员做出了多方面的努力。文章作者陈震博士就对 DT 君表示：“要实现很高的分辨率对 EMPAD 探测器有很多要求，既需要很大的动态范围，单电子灵敏度和低的噪声，也需要足够快的信号采集速度。” /p p & nbsp & nbsp strong 创纪录超高分辨率：0.000000000039m /strong /p p & nbsp & nbsp 众所周知，电子显微镜之所以能够获得远高于光学显微镜的分辨率，是因为电子波长远小于可见光的波长，但是电子显微镜的透镜却没有这种相称的精度。Muller 称，电子显微镜的分辨率很大程度上取决于透镜的数值孔径。在传统相机中，数值孔径是“f 值”(光圈值)的倒数，所以“f 值”越小，分辨率会越高。 /p p & nbsp & nbsp 一台好相机的“f 值”大约稍小于 2，而电子显微镜的“f 值”大约在 100 左右。Muller 教授称，利用像差矫正器能将这个值降低到 40 左右，然而这远远不够。电子显微镜的透镜存在一个固有的缺陷称为像差，多年以来科学家一直在研究各种各样的像差校正器，以期能够消除这种像差，这就像给显微镜配一副眼镜。然而，像差校正器的作用也很有限。为了校正多重像差，必须使用一系列的校正单元，就像在眼镜上套眼镜再套眼镜一样，这让整个仪器变的臃肿、笨拙。 /p p & nbsp & nbsp 一般来说，提升电子显微镜图像分辨率的方法是增大数值孔径并提高电子束能量，就像光学显微镜中增加物体的照明一样。电子显微镜分辨率的前世界纪录——亚埃级分辨率——是在利用像差校正透镜以及 300 keV(30 万电子伏)超高电子束能量下获得的。通常情况下，原子键的长度大约在一到两个埃左右，所以亚埃级分辨率能够使科学家轻松的分辨单个原子的图像。 /p p & nbsp & nbsp 而利用该 EMPAD 探测器，Muller 团队以单原子层厚度的单层二硫化钼为观测样本，在不使用像差校正器的情况下，获得了电子显微镜成像分辨率的最新世界纪录——0.39 埃。Muller 团队目前所能达到的破世界纪录分辨率，仅需 80 keV 电子束能量。在这一较低的、破坏性较小的低电子束能量下，单靠像差校正透镜获得的分辨率只能达到 0.98埃。 /p p & nbsp & nbsp strong EMPAD 工作原理 /strong /p p & nbsp & nbsp 普通的扫描透射电子显微镜(STEM)工作原理是，通过对样品发射一束狭窄的电子束射击向样品，并通过来回扫描以产生图像。样品下面的探测器通过读取不同强度的电子分布并将信号发送到计算机屏幕上以绘制图像。 /p p & nbsp & nbsp 而 EMPAD 的检测器由 128× 128 的电敏阵列像素组成，每个 150 微米的正方形与一个读出信号的集成电路相连，这有点类似光敏阵列数码相机传感器中的像素，但 EMPAD 不是用来形成图像的，而是检测电子出现角度的，每个电子都可以撞击到不同的像素。 /p p & nbsp & nbsp 结合电子显微镜的聚焦光束，以及叠层衍射成像技术(ptychography)对相位的恢复，探测器允许研究人员在电子通过样品时建立电子位置和动量的“四维”图，以显示内部的原子结构和力。 /p p & nbsp & nbsp “我们可以提取出局部应变、倾斜、旋转、极性甚至磁场和电场。”Muller 说。 /p p & nbsp & nbsp 为了不破坏二硫化钼(MoS2)样品的结构，Muller 团队所用的电子束能量只有 80 keV。尽管电子束能量较低，使用 EMPAD 获得的成像分辨率却很好，电子显微镜能够以惊人的清晰度探测到二维材料中一个缺失的硫原子，这是一种类型的晶格缺陷。Gruner 教授说：“这确实让我大吃一惊。” /p p & nbsp & nbsp 由于 EMPAD 电子显微镜的成像能力超越了最小的原子键长度，所以对方法的测试需要一个新的样品。Muller 团队的 Yimo Han 博士和 Pratiti Deb 想出将两片单层 MoS2 叠加，并且将其中一片相对于另一片旋转一个角度。这样，具有相对角度的两层 MoS2 薄片上的原子投影之间就产生了从全键长到相互重叠的原子间距的分布。“这就像是世界上最小的尺子!”Gruner 教授说。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/630e865d-170a-4020-80d4-6bb55991cc16.jpg" title=" 5804-hfxsxzf9093558.jpg" / /p p style=" text-align: center " 图 不同技术对单层 MoS2 成像效果（本文使用的叠层衍射成像技术为图d。图源：Nature） /p p & nbsp & nbsp 这种电子显微镜所使用的 EMPAD 探测相机具有超高的动态范围，能够探测超大范围的电子强度——从单个电子到包含数十万甚至百万电子的强电子束。“EMPAD 在不到一毫秒的时间内记录了一个图像帧，并且每个图像帧可以检测到每像素一到一百万个一次电子，”Muller 解释说。“这是是传统电子图像传感器动态范围的 1000 倍、速度的 100 倍。” /p p & nbsp & nbsp strong 亚原子结构的新视界 /strong /p p & nbsp & nbsp 在谈到未来更精细分辨率的显微镜时，陈震博士对 DT 君表示，“更好的探测器和更有效的图像重构算法是进一步提高分辨率的关键。实验系统的稳定性也会对分辨率的提高产生很大的影响。提高电子显微镜成像系统的稳定性和提高采集数据的速度也就是开发出更快的相机都能有效地提高系统的稳定性。这些目前都在发展，在未来五到十年还有可能出现新的突破。” /p p & nbsp & nbsp EMPAD 已由康奈尔大学授权给 Thermo Scientific (原FEI) 电镜公司商业化，目前已经收到几十个订单。“EMPAD 可以安装在大部分现有电镜上，有望代替现在常用的点探测器，也可以作为新的电镜新的标准模块。”陈震博士说。通过这项新的技术，我们终于可以清晰的辨认亚原子结构，这无疑对材料学领域来讲是一大好消息。对于纳米晶体材料、非晶金属等材料，之前我们还只能通过理论推测其精细结构，而现在，终于可以进行精确测量。 /p p & nbsp & nbsp 陈震博士还表示，这种新的电镜方法“可应用在低剂量成像，大视场的亚原子高分辨率成像。也可能实现三维全息原子分辨率结构重构，而这样就能得到材料所有的结构信息。这些方向都是现有的其它 STEM 技术很难做到的，也是电子显微学家们追求的终极目标。在现有技术水平上，该方法已经能够用于解决很多材料、物理和化学领域关心的结构问题，例如二维材料、能源材料和多孔材料等。”此外，“该方法目前已有 3D 成像的实现方法，很有希望在不久的将来实现三维成像。由于可以做低剂量成像，也可能对蛋白质等生物大分子的结构成像。”陈震博士说。 /p p & nbsp & nbsp “现在我们可以更好地了解完整细胞内的过程，”应用和工程物理学助理教授 Lena Kourkoutis 说。低剂量的辐射可实现多次曝光、拍摄细胞过程的延时摄影或从不同角度观看相同的样本以获得更清晰的 3D 图像。Kourkoutis 计划利用这些技术与康奈尔癌症代谢物理中心合作，研究癌症是如何在细胞间发展的。 /p