单颗粒

伴随着工程纳米材料在各个不同产品和过程的使用不断增加，人们开始对纳米颗粒的释放对环境和人类健康造成的影响产生了担心。要研究纳米颗粒对环境的影响，就必须探索纳米颗粒如何通过在水和土壤中的迁徙而被植物吸收的。如果纳米颗粒最终为食品作物所吸收，那么人类就直接面临ENPs释放造成的影响。这项研究工作的目标是开发一种从植物中提取其吸收的纳米颗粒的程序并借助单颗粒等离子体质谱仪进行分析。一旦这些步骤可以确定可行，那么它们都会被用于西红柿摄取金（Au）纳米颗粒含量的测定。样品番茄植物从种子种植，生长29天后，将幼苗浸没在装陈好有不同浓度的40nm的金纳米颗粒（nanoComposix™ ，圣迭戈，加利福尼亚州，USA）聚乙烯吡咯烷酮（PVP）容器里四天后收获用于分析。收获后，植物枝条用去离子水洗涤三次，然后切成小块均质化于8ml浓度为2mM柠檬酸盐缓冲溶液中。实验所有分析测试工作都在珀金埃尔默NexION® 300D/350D ICP-MS上完成，应用了Syngistix™ 软件内置的纳米应用模块。单颗粒的工作曲线和溶解金元素的含量工作曲线都建立了。其中金（Au）纳米颗粒标准曲线是采用30、50、80和100nm柠檬酸盐稳定的金纳米颗粒（nanoComposix™ ，圣迭戈，加利福尼亚州，USA），为了最大限度提高其分析灵敏度，看到最小的颗粒，对仪器进行了优化，选择最高灵敏度的金197同位素进行分析。表1.NexION 300/350D 仪器分析参数实验结果为了评估消化酶对金纳米颗粒的影响，我们对50nm的金（2.05*105NPs/mL）纳米颗粒采用Macroenzyme R-10进行了稳定处理。图1给出了所得到的颗粒尺寸分布，所测得的50nm颗粒浓度达到1.81*105NPs/mL，回收率达到88.3%。结果显示，经过处理后，酶消解过程不影响粒径分布。图1.酶处理过的50nm金纳米颗粒的粒径分布直方图对浸入在浓度为0.2mg/L 40nm金纳米颗粒溶液里4天的西红柿作物进行了消解和分析。图3a和b显示了西红柿对金纳米颗粒的吸收。图3c显示了不同颗粒金纳米颗粒分布，集中在40nm中心附近，符合统计分布理论。在相同的植物消解液中加入4.7*104NPs/mL的100nm金纳米颗粒，不同粒径的金纳米颗粒分布如图3d所示。图3.（a）和（b）暴露在5mg/L 40nm Au纳米颗粒4天的西红柿植物的重复原始数据；（c）图4（a）和（b）的暴露在5mg/L 40nm Au纳米颗粒的西红柿植物的颗粒分布直方图；（d）在暴露在5mg/L 40nm Au纳米颗粒的西红柿植物中加入4.7×104/mL 100nm Au纳米颗粒的粒径分布直方图。结论这项研究表明西红柿可以吸收纳米颗粒，SP-ICP-MS能够准确测定纳米颗粒的分布和大小。酶消解处理可以分解植物组织而不溶解金纳米颗粒，从而使SP-ICP-MS得以分析最终结果。结合酶消化和SP-ICP-MS，可以对部分或整个植物进行分析，使植物吸收纳米颗粒分析变得轻松快速。想要了解更多详情，请扫描二维码下载完整的应用报告。

随着纳米颗粒在工业上的广泛应用，采用单颗粒模式电感耦合等离子体质谱法（SP-ICP-MS）分析金属纳米颗粒成为最有前途的技术之一。由于其高灵敏度、易用性和分析速度快等特点，ICP-MS是一种理想的技术，用于检测纳米颗粒的特性：无机成分、浓度、尺寸大小、粒度分布和聚集等。除了金和银纳米颗粒以外，零价铁纳米颗粒具有独特的化学特性和相对大的比表面积，更广泛应用于环境修复项目中，用于取出有机溶剂中氯、转化废料中有害化合物、降解杀虫剂和固定金属等。但不同于金和银纳米颗粒未受到基体干扰或常规质谱干扰问题，等离子体产生的信号ArO+对同样质量数（56）铁的最高丰度同位素（56Fe+丰度91.72%）形成严重干扰。消除这种干扰的最有效方式是采用氨气作为反应气的反应模式ICP-MS。已有的大多数SP-ICP-MS报道聚焦于无干扰的纳米颗粒，而这种反应模式SP-ICP-MS还未被广泛使用。本文将证明在反应模式SP-ICP-MS下，NexION通用池技术应用于测定纳米颗粒。实验所有分析采用NexION 350D型 ICP-MS (珀金埃尔默公司，谢尔顿，CT)，操作条件见表1。用去离子水稀释金和铁纳米颗粒标准，分别在质量数197和56处测定。实验结果实验首先在标准模式下运行。接下来，为评价加入反应气对SP-ICP-MS分析的影响，相同溶液在反应模式下运行。图1显示了标准和反应模式SP-ICP-MS测定100nm金颗粒谱图。两个图相似结果表明，反应模式并未改善纳米颗粒测定能力，因为金可能与氨气不发生反应。图1.反应（a）和碰撞（b）模式下SP-ICP-MS测定100nm金粒子两种模式下实际金颗粒检测数量比较列于表2。该数据表明，两种模式下颗粒具有同样数量，表明使用反应模式对测量颗粒并不偏差。存在的高背景掩盖了铁纳米颗粒中56Fe+，标准模式下铁测量不能完成。反应模式下测定60nm氧化铁纳米颗粒溶液，结果列于图2。与图1a中反应模式下金谱图相比，二者相似。尽管碰撞模式同样具有去除干扰能力，但在不严重损失仪器灵敏度前提下，不能完全消除ArO+对56Fe+干扰，意味着纳米颗粒检测限将大大降低。碰撞模式下使用其它低丰度铁同位素是有可能的，但低丰度意味着纳米颗粒将不能被检测到。因此，高信噪比的氨气反应模式测定m/z56是铁纳米颗粒最佳选择。图2.SP-ICP-MS反应模式下测定60nm的铁氧化物颗粒谱图结论本工作证实了珀金埃尔默NexION系列ICP-MS反应模式具有测定铁纳米颗粒能力。因为，铁受到来源于等离子体的干扰，必须采用反应模式测定铁纳米颗粒，具有远超碰撞模式的优势。该工作可以扩展为其它受干扰的金属纳米颗粒，如钛、铬、锌或硅。想要了解更多详情，请扫描二维码下载完整的应用报告。

过去二十年中，随着工程纳米材料产量和使用量迅速增加， 它们向环境中释放带来了潜在危害。因此，研究他们对环境影响至关重要。对环境中工程纳米材料进行合适的生态危害评价和管理，需要对工程纳米材料准确定量暴露和影响，由于环境介质中纳米粒子浓度非常低，大多数分析技术并非适合。一直以来，颗粒尺寸采用光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）测量颗粒尺寸，这些常规技术对测定复杂水体中存在低浓度的胶体形态非常有限。单颗粒ICP-MS可快速有效并提供更多信息的技术。它能够测定颗粒尺寸分布、颗粒数量浓度、溶解金属比例等，检测ppb级（ng／L）浓度纳米颗粒。而且，它能够区分不同元素粒子。Ag，是一种是最常见被用于消费品并释放至环境中的低浓度纳米材料。本工作目的是调查SP-ICP-MS测定和定性环境水体中金属纳米粒子。图1. 地表水中银纳米粒子可能的归宿：(A) 溶解过程导致自由离子释放和更小颗粒；(B) 团聚成更大颗粒，根据团聚尺寸而沉淀离开水体；(C,D) 释放Ag+和纳米银吸附于水中其它固相；(E)形成可溶性复杂产物；(F)同水中其它成分反应导致共沉淀；(G)继续稳定的纳米银。样品地表水采自于加拿大蒙特利尔Rivière des Prairies河，0.2μm滤纸过滤后添加银纳米粒子。水样中纳米银悬浮物加入浓度2.5至33.1μg/L，并缓慢摇匀。在SP-ICP-MS分析前，样品稀释低于0.2μg/L Ag。悬浮银纳米粒子购于Ted Pella公司：柠檬酸包裹（40和80nm直径）和裸露（80nm直径）纳米银悬浮物（产品编号. 84050-40， 84050-80和15710-20SC）。实验实验数据采集使用珀金埃尔默NexION系列ICP-MS和纳米应用Syngistix模块软件，并使用下表的参数。实验结果上图为Syngistix数据采集交互界面，显示了地表水中银纳米离子（裸露纳米银,标称直径60nm，金属总浓度200.8ng/L）信号强度与采集时间关系图。每个纳米颗粒会形成一个脉冲信号，软件将信号的积分强度自动转换成颗粒的粒径信息。整体样品中不同粒径的颗粒信息就会如上图中显示出来，横坐标代表粒径，纵坐标代表相应半径颗粒的含量。以上三图分别为纯水和地表水中，柠檬酸包裹的80nm银颗粒，裸露的80nm银颗粒，和柠檬酸包裹的40nm银颗粒的平均粒径和颗粒状态比例，随时间的变化。所有情况下，纳米粒子的平均颗粒尺寸保持相对稳定。是否包裹，对纳米粒子溶解情况几乎无严重影响，5天均下降了20%左右。相同时间，柠檬酸包裹纳米银中可溶性银比率更高一些。裸露的80nm纳米银，地表水中平均颗粒直径和颗粒百分比高于去离子水。柠檬酸包裹纳米银，二者无明显差别。这可能是由于单独纳米粒子比柠檬酸包裹纳米粒子更易团聚。但总体来说，并未观察到严重地团聚现象。结论采用Syngisitx纳米应用模块研究地表水中银纳米颗粒的行为，无需使用任何手工数据处理过程。该技术允许有效选择性测定颗粒尺寸，团聚和一定时间内溶解低浓度范围。SP-ICP-MS可提供环境水体中低浓度的金属纳米颗粒归宿信息的唯一合适的技术。尽管这项研究只代表在特定情况下河水中纳米银颗粒测定技术的有效性，毫无疑问，也可应用于各种复杂基体中其它类型金属和金属氧化物纳米粒子。想要了解更多详情，请扫描二维码下载完整的应用报告。

20世纪90年代以来，人们对纳米材料正面效应的研究取得了丰硕成果，并形成了大量的实用产品，比如衣物中加入Ag纳米颗粒，可以抑菌；防晒产品中加入TiO2纳米颗粒，可以屏蔽紫外线。这些产品对我们提供便利的同时，也对环境造成了潜在的危害。2004年7月29日美国的《科学此刻》及2004年8月4日《自然》分别介绍了该研究小组的报告，对纳米污染发出预警。报告指出，“游离的纳米颗粒和纳米管可能会穿透细胞，产生毒性”；对于环境来说，“纳米科技可能是柄双刃剑”。通过获得纳米颗粒的环境行为和颗粒大小、溶解率、颗粒团聚以及与样品基体的相互作用的准确数据，可以帮助了解和评价这些新材料可能对环境健康造成危险的情况。常规ICP-MS只能将样品消解后，测试溶解态的离子浓度信息，并不能直接测定这些纳米颗粒的粒径、粒径分布和团聚等更具体的数据。单颗粒ICP-MS技术通过超快速的数据读取时间，可分析每个纳米颗粒产生的电子云，检测ppb级（μg／L）浓度纳米颗粒。本报告研究了银纳米颗粒在不同水体中的溶解动力学。样品银纳米颗粒：直径100纳米，购自NanoXact，NanoComposix，USA。采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）材料封装。水样：离子水（DI，18.3 M-欧姆.厘米），自来水（科罗拉多学院矿业校园，高尔顿.科罗拉多）和自然水（采集点距离河流岸边1米，采集后直接通过0.45微米的滤膜过滤）。样品处理ENP悬浮液通过用水稀释浓度20毫克/升的储备溶液制成，最终浓度50纳克/升。为了匹配观察到的峰强度SP-ICP-MS，采用2%HNO3（光谱级）溶解银标准（高纯度标准 QC-7-M），用于校准和稀释，最终浓度范围为0.1-1微克/升。实验结果首先分析了溶解在去离子水中的银纳米颗粒的单颗粒ICP-MS数据。初始浓度为50ng/L。绿色柱状图表示刚加入纳米颗粒时的测试结果，脉冲信号强度主要分布在400~700范围内，另有少部分在50左右及以下。红色柱状图表示24小时候纳米颗粒的测试结果，脉冲信号主要集中在100~300范围内，50以下还有较强的信号。脉冲信号强度正比于颗粒的粒径，24小时后脉冲强度下降，说明了银纳米颗粒的粒径减小，溶解的银离子信号在脉冲50以下。Syngistix软件可自动将脉冲强度换算成颗粒直径，上图显示了不同水样中，银纳米颗粒随着时间变化的粒径变化。在含氯离子自来水体系下溶解速度比其他两种溶剂都要快，这是由于氯可以作为氧化剂加快粒子溶解在这个系统。而自然水系里粒子的变化很小，这可能由于自然系统固有的复杂性，需要更多研究找到导致粒子稳定性的因素。上图总结了在去离子水，自来水和自然水中，银纳米颗粒的粒径变化趋势。利用瞬时质量的平均粒径,可以计算出粒子的溶解损失。模型化计算粒子的几何表面积(假设球形质量的粒子), 损失质量/表面积(摩尔/ cm2)和时间可以计算得到溶解速率常数。在24小时内，遵循一阶动力学规律。总结溶解电势不同可能是区分粒子溶解过程和离子溶解过程的一个关键因素。这项研究在表明通过SP-ICP-MS定量计算Ag粒子的溶解率是可行的。使用SP-ICP-MS技术，通过原始粒子直径来计算溶解率比通过溶液中Ag离子增加来计算其溶解率更加直接。想要了解更多详情，请扫描二维码下载完整的应用报告。想了解更多关于单细胞单颗粒ICP-MS 应用么？珀金埃尔默将于2020年6月9日 14:00举办“单细胞ICP-MS网络研讨会”， 为您提供一个突破时间地域限制的学习交流的平台。本次研讨会邀请到中国科学院高能物理研究所副研究员王萌博士， PerkinElmer无机产品技术经理，高级工程师高光晔做精彩分享。识别下方二维码或点击阅读原文即可预约直播席位。

尽管在上世纪40年代末就出现了与飞行时间质谱相关的第一篇文献，但将该技术应用于ICP-MS却花费了超过50年的时间。而且自ICP-TOF-MS问世以来，市场的反应一直很平淡。尽管它有着更加出色的分辨率，但远不像带有反应、碰撞池的ICP-Q-MS那样已得到了广泛的应用。 然而，随着近年来ICP-MS被越来越多地应用于单颗粒或者单细胞检测，ICP-TOF-MS的市场前景可能会迎来转机。目前，大部分单颗粒或单细胞检测工作都是基于ICP-Q-MS的单同位素检测。由于四极杆质量分析器在完成测量上一个同位素到开始测量下一个同位素之间，需要一个50-200微秒的稳定时间（settling time）以稳定质量过滤器。而这个时间通常要长于一个单颗粒在ICP中所形成的离子云的持续时间，因此扫描型分析器实际上是无法在这个瞬时区间完成对多个同位素测量的。而对于具有全谱直读能力的ICP-TOF-MS而言，在这一领域则拥有得天独厚的优势。 据东西分析公司内部人士透露，目前该公司正在与核工业研究院某课题组进行合作，尝试利用东西分析的OptiMass 9500 ICP-TOFMS进行PM2.5单颗粒中锂到铀的重金属分析。对于该研究的进展情况，本网将会在未来进行专门的报道。（主编当班）

单颗粒电感耦合等离子质谱法（spICP-MS）是一种在非常低的浓度中检测单个纳米颗粒的方法。与传统表征金属纳米颗粒技术相比，使用单台ICP-MS，不需联用设备就可以同时完成纳米颗粒的成分、浓度、粒径、粒度分布和颗粒团聚的检测，这是透射电子显微镜（TEM）、动态光散射（DLS）等纳米粒径表征技术无法完成的，并且此方法可将样品中溶解的纳米颗粒离子与固体纳米颗粒区分开来。近期，国家纳米科学中心牵头制定了国内首项单颗粒电感耦合等离子体质谱法（spICP-MS）国家标准《GB/T 42732-2023 纳米技术 水相中无机纳米颗粒的尺寸分布和浓度测量 单颗粒电感耦合等离子体质谱法》。本文特邀国家纳米科学中心葛广路研究员、郭玉婷高级工程师对该标准进行解读。一、背景 目前，基于纳米技术或含有工程纳米颗粒的产品已广泛使用，并开始影响有关的行业和市场。因此，消费者可能直接或间接地接触到（除天然纳米颗粒外的）工程纳米颗粒。在食品、消费品、毒理学和暴露研究中，工程纳米颗粒的检测成为纳米颗粒应用潜在效益和潜在风险评估的必要部分，迫切需要建立产品、试验样品和环境等复杂基质中痕量纳米颗粒检测方法标准。二、标准概述本标准包括范围、规范性引用文件、术语和定义、缩略语、适用性、步骤、结果、测试报告8章内容和1个资料性附录。本标准描述了使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）在时间分辨模式下测定单个纳米颗粒的质量和悬浮液中离子浓度，检测水相悬浮液中纳米颗粒，并表征颗粒数量与质量浓度、颗粒尺寸及数均尺寸分布的方法。三、适用性本方法仅限用于纯纳米颗粒的水相悬浮液、材料或消费品的水相提取液、食品或组织样品的水相消解液、水相毒理学样品或环境水样品。非水相样品处理见标准参考文献。水相环境样品经过过滤和稀释，食品和毒理学样品经过化学或酶消解和稀释。将水相悬浮液中的颗粒数量或质量浓度与原始样品中的浓度联系起来需样品相关提取、效率和基质效应等信息，并由用户进行额外验证。四、主要技术内容本文选取原理、重要参数传输效率和响应值及线性的确定、结果计算方面部分重点内容进行讲解，详细内容及仪器设置、试样制备等相关内容与注意的事项参见标准原文。1 原理单颗粒电感耦合等离子体质谱(spICP-MS)是一种能够在非常低的浓度下检测单个纳米颗粒的方法，此方法适用于水相悬浮液中无机纳米颗粒的尺寸及数均尺寸分布、颗粒数量浓度与质量浓度，悬浮液中离子浓度的测定。将常规的ICP-MS系统设置为以高时间分辨率模式采集数据。水相样品连续进入ICP-MS中，雾化后，一部分纳米颗粒进入等离子体并被原子化和电离。每个原子化的颗粒相对应的离子团为一个信号脉冲。使用合适的驻留时间和适当稀释的纳米颗粒悬浮液，质谱仪可实现单个纳米颗粒检测，称为“单颗粒”ICP-MS。对纳米颗粒悬浮液进行稀释，以避免违反“单颗粒规则”（即在一个驻留时间内有一个以上的颗粒到达检测器）。由于离子团中的离子密度很高，其产生的脉冲信号远高于背景（或基线）信号。脉冲强度、脉冲面积与纳米颗粒中被测元素的质量，也即纳米颗粒直径的立方成正比（假定纳米颗粒的几何形状是球形）。单位时间检测到的脉冲数与待测水相悬浮液中纳米颗粒的数量成正比。2 确定传输效率引入的样品只有一部分到达等离子体，结果的计算需要知道传输效率。使用已知的纳米颗粒标准样品测定传输效率。如果没有可用的纳米颗粒标准样品，可以使用任何其他良好表征过的纳米颗粒悬浮液，重新计算稀释倍数和浓度。纳米颗粒尺寸已知，颗粒浓度未知时，结合分析一系列与纳米颗粒相同元素的离子标准溶液，确定传输效率。3 确定响应值及线性随着纳米颗粒的直径增大，信号响应值将按三次方增加，所以需要对纳米颗粒每种组成每种尺寸范围的响应进行验证。校准最好使用纳米颗粒标准样品，无法获得这样的标准样品时，在相同的样品分析条件下，使用被测元素的离子标准溶液进行此步骤中的校准。分析离子溶液的标准工作液，用线性回归法确定校准曲线的相关系数，校准函数的斜率，即为ICP-MS响应值。4 结果计算4.1 检出限的计算由空白对照样品中的颗粒数量确定颗粒数量浓度检出限，结合平均颗粒质量，计算质量浓度检出限。由刚好能从背景中区分出来的脉冲信号强度决定颗粒尺寸检出限。4.2 颗粒浓度和尺寸、离子浓度的计算由时间扫描中检测到的脉冲数、传输效率、样品流速计算水相样品中的颗粒数量浓度；样品中颗粒信号强度、离子标准溶液的ICP- MS响应值、传输效率、驻留时间、样品流速、纳米颗粒材料的摩尔质量和被测物的摩尔质量计算单个颗粒的质量，假设颗粒为球形，计算得到颗粒的直径。由离子产生的连续基线信号估算样品中的离子浓度。通常，可以用商用软件或将测试数据导入定制的电子表格程序进行处理，以计算纳米颗粒的数量、质量浓度、尺寸（等效球直径）和相应数均尺寸分布，并同时确定样品中存在的离子质量浓度。本标准的资料性附录A给出了定制的电子表格程序处理数据的示例。五、结语本标准等同采用ISO/TS19590:2017 Nanotechnologies—Size distribution and concentration of inorganic nanoparticles in aqueous media via single particle inductively coupled plasma mass spectrometry，于2023年8月6日发布，将于2024年3月1日实施，是国内首项使用单颗粒电感耦合等离子体质谱方法表征纳米颗粒的国家标准，支撑spICP-MS作为一种普适性方法的推广与应用。本标准由国家纳米科学中心、珀金埃尔默企业管理（上海）有限公司、赛默飞世尔科技(中国)有限公司、岛津企业管理(中国)有限公司、清华大学、中国计量科学研究院、杭州谱育科技发展有限公司，安捷伦科技（中国）有限公司制定。在起草阶段，标准起草工作组选用金纳米颗粒，在国家纳米科学中心、赛默飞世尔科技(中国)有限公司、岛津企业管理(中国)有限公司、安捷伦科技（中国）有限公司、杭州谱育科技发展有限公司，利用不同仪器进行了测试，使用仪器所带软件对颗粒尺寸和颗粒数量浓度进行了处理计算。在征求意见阶段，向四川大学、中国地质大学、武汉大学、清华大学深圳国际研究生院、东北大学、华东师范大学、中山大学、厦门大学、中国科学院过程工程研究所、中国科学院南京土壤研究所、中国科学院生态环境研究中心、上海市食品药品检验研究院、生态环境部南京环境科学研究所、中国科学院高能物理研究所、山东英盛生物技术有限公司等高校、科研院所和企业发送了标准征求意见材料，征求意见专家多为分析化学、纳米科学等领域专家，给本标准提出了具有代表性的意见，在此感谢他们对本项标准制定工作的支持。本文作者： 葛广路 研究员；郭玉婷 高级工程师 国家纳米科学中心 中国科学院纳米标准与检测重点实验室 Email：gegl@nanoctr.cn guoyt@nanoctr.cn

2024年7月，中国科学院生态环境中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室刘倩等在基于机器学习辅助单颗粒质谱追踪大气超细颗粒物的体内暴露途径方面取得进展，研究成果以“In Vivo Exposure Pathways of Ambient Magnetite Nanoparticles Revealed by Machine Learning-Aided Single-Particle Mass Spectrometry”为题，在线发表于Nano Letters(DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c01937)。　　自然和人为来源的超细颗粒物是PM2.5的主要组分，被人体吸入后可能引发全身性的健康风险。然而，由于缺乏可靠的技术手段，这些超细颗粒物被吸入体内后的暴露途径和归趋仍不清楚，严重阻碍了对其健康危害机制的认识。本研究报道了一种无标记、机器学习辅助的单颗粒电感耦合等离子体质谱(spICP-MS)方法，并利用小鼠模型揭示了大气磁性纳米颗粒(MNPs)从环境来源到体内转运和代谢的全暴露途径。　　图1. 基于机器学习辅助单颗粒质谱追踪大气磁性纳米颗粒的体内暴露途径　　本研究首次定量了超细颗粒物不同代谢途径的贡献。通常认为肝脏是纳米颗粒的主要代谢器官。然而，研究发现MNPs的代谢途径主要是脾脏(84.4%)，其次是肝脏(11.4%)和肾脏(2.6%)。这表明，脾脏可能是体内一个被低估的超细颗粒物的代谢途径。　　研究发现，吸入的超细颗粒物在不同器官间的转运改变了它们的粒径分布。通过机器学习可以预测不同来源的MNPs在体内暴露过程中关键节点(例如靶器官、生物屏障、循环系统等)的粒径分布，进一步揭示超细颗粒物在外暴露和内暴露之间的关联，阐明环境来源对其体内暴露途径的影响。　　此外，该研究也为纳米毒理学研究和细颗粒健康效应研究提供了一种有力的研究工具。　　该文的通讯作者为刘倩研究员，第一作者为博士生张伟灿。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院稳定支持基础研究领域青年团队、腾讯基金会等支持。　　相关论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c01937

在日前召开的中国颗粒学会第十届学术年会上，丹东百特仪器有限公司研发总监、研发中心主任范继来获得中国颗粒学会青年颗粒学奖，是本届获奖者中唯一的企业界人士。中国颗粒学会青年颗粒学奖，是郭慕孙院士用所获得的何梁何利基金奖的全部奖金和个人部分积蓄设立“青年颗粒学基金”。中国颗粒学会利用此基金于1997年设立了“中国颗粒学会青年颗粒学奖”，旨在鼓励颗粒学领域做出突出贡献的青年科技工作者。经国家科学奖励办公室正式批准，“中国颗粒学会青年颗粒学奖”是国家承认的社会力量设立的科学技术奖。范继来从事颗粒测试技术研究16年，他和他所带领的团队以特有的执着和科学的方法，在激光粒度测试理论、反演计算、光学系统、颗粒折射率测量、图像颗粒分析技术领域取得了一项又一项成果，取得11项专利，其中激光粒度测试双镜头光学系统、正反傅里叶结合光学系统、颗粒折射率测量技术为世界首创技术，填补国内外颗粒测试技术空白，使中国颗粒测试技术拥有了系统性的自主知识产权，为中国颗粒测试技术赶超世界先进水平做出了突出贡献。在应用技术研究方面，以范继来为首的研发团队做了大量开创性的工作，推出了激光/图像二合一粒度粒形分析系统、智能化粒度测试系统、纳米粒度测试技术、动态图像颗粒分析系统以及光通量补偿技术等几十项技术，使百特颗粒分析仪器的技术性能始终处于国内外领先地位，同时结束了中国高端颗粒测试仪器只能依靠进口的历史。2006年，百特总经理董青云曾获得当年中国颗粒学会青年颗粒学奖，十二年后百特研发总监范继来又获得中国颗粒学会青年颗粒学奖，这不仅是对获奖者个人取得成绩的肯定，更是颗粒测试界对百特长期以来致力于颗粒测试技术研发并取得突出成绩的肯定。丹东百特将不负众望，不辱使命，继续致力于颗粒测试技术研究，致力于高水平颗粒测试仪器制造，为百特实现国际知名粒度仪器品牌的目标而继续努力。

岛津从即日起推出《LC/MS/MS 颗粒蛋白前体和颗粒体蛋白肽方法包（英文）》。该方法包（仅适用于LCMS-8080）是通过用老鼠生物样品或肽的胰蛋白酶消化物中所提取出的蛋白质来对颗粒蛋白前体和颗粒体蛋白肽进行分别定量的MRM 分析，方法包提供了包括分析条件及化合物信息的方法文件。 这一方法包包含了血清（例子）的样品前处理方案，所以即使对有过LC/MS/MS分析经验但不熟悉蛋白质分析的研究人员来说，仍可轻松地使用这一方法包和疾病模型或转基因动物模型的血液样本来对血液中的颗粒体蛋白肽和颗粒蛋白前体进行定量。此外，因为样品前处理方案也可以用于除血清外的生物样品，本产品有助于从事于老鼠细胞和组织分析的人员。本产品不仅适用于正在研究诸如肥胖和糖尿病等生活方式疾病的研究人员，也适于首次安装LC/MS/MS 的蛋白质研究人员。 关于岛津 岛津企业管理（中国）有限公司是（株）岛津制作所于1999年100%出资，在中国设立的现地法人公司，在中国全境拥有13个分公司，事业规模不断扩大。其下设有北京、上海、广州、沈阳、成都分析中心，并拥有覆盖全国30个省的销售代理商网络以及60多个技术服务站，已构筑起为广大用户提供良好服务的完整体系。本公司以&ldquo 为了人类和地球的健康&rdquo 为经营理念，始终致力于为用户提供更加先进的产品和更加满意的服务，为中国社会的进步贡献力量。 更多信息请关注岛津公司网站www.shimadzu.com.cn/an/ 。

p 　　作者：黄岚青，刘海广(北京计算科学研究中心 复杂系统研究部) /p p 　　 span style=" background-color: rgb(112, 48, 160) color: rgb(255, 255, 255) " strong 1 引言 /strong /span /p p 　　在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术，就叫做冷冻电子显微镜技术，简称冷冻电镜(cryo-electron microscopy， cryo-EM)。冷冻电镜是重要的结构生物学研究方法，它与另外两种技术：X射线晶体学(X-ray crystallography)和核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)一起构成了高分辨率结构生物学研究的基础，在获得生物大分子的结构并揭示其功能方面极为重要。 /p p 　　电子显微三维重构技术起源于1968 年，D.J. De Rosier 和Aaron Klug 在Nature 上发表了一篇关于利用电子显微镜照片重构T4 噬菌体尾部三维结构的著名论文，提出并建立了电子显微三维重构的一般概念和方法。Aaron Klug 本人也因为这个开创性的工作获得了1982 年的诺贝尔化学奖。 /p p 　　为了降低高能电子对分子结构的损伤，Kenneth A. Taylor 和Robert M. Glaeser 于1974 年提出了冷冻电镜技术，并且用于实验研究。经过三十多年的发展，冷冻电镜技术已经成为研究生物大分子结构与功能的强有力手段。冷冻电镜本质上是电子散射机制，基本原理就是把样品冻起来然后保持低温放进显微镜里面，利用相干的电子作为光源对分子样品进行测量，透过样品和附近的冰层，透镜系统把散射信号转换为放大的图像在探测器上记录下来，最后进行信号处理，得到样品的三维结构。 /p p 　　在超低温的条件下，电子带来的辐射损伤被有效控制。即便如此，分子样品所能承受的辐射剂量也是非常低的，导致信噪比非常低。另外，随着观测的进行，额外的电子会累积而造成分子的移动，导致获得的图像变得模糊。这就好比用一个简单的傻瓜相机拍摄在雨中飞驰的子弹，得到的影像必然是模糊的并且充满噪音。因此，冷冻电镜的方法技术在很长时间内只能确定个头比较大的样品的结构，比如病毒颗粒的结构，而且通常分辨率都不高。然而随着工程技术和算法的不断发展，能够确定的分辨率也越来越高(图1(a))，2016 年发布的谷氨酸脱氢酶结构的分辨率甚至已经达到了1.8 Å 。与此同时，也有越来越多的通过冷冻电镜技术得到的研究成果发表在高水平的期刊上(图1(b))，冷冻电镜正备受科学界的关注。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/5b2ef847-cad0-4d88-b1ad-ebf14bd21e9c.jpg" title=" 1.jpg" / /p p 　　图1 冷冻电镜技术和单颗粒重构技术越来越备受关注(统计数据来源于EMDataBank )(a)不同年份中利用冷冻电镜单颗粒重构技术能够达到的最高分辨率 (b)通过冷冻电镜技术进行的研究成果在不同杂志上发表的论文数 /p p 　　在最近几年，冷冻电镜技术有了革命性的进步，主要得益于三个方面的突破。首先是样品制备，通过利用薄膜碳层甚至石墨烯可以用更薄的冰层包裹分子样品来提高信噪比。第二个突破是电子的探测技术，也就是电子探测器的发明。在300 keV 电子的轰击下，传统的器件都会被高能量打坏，因此在电子探测器出现之前，冷冻电镜中使用的CCD相机需要将电子打在探测器上变成光信号，再通过CCD 把光信号转成电信号后得到图像，“电光—光电”转换的过程降低了信噪比。而现在电子探测器能够直接探测电子数量，同时，互补型金属氧化物半导体(CMOS)感光元件的应用使得探测器支持电影模式(movie mode)，可以在一秒钟之内获得几十张投影图片。通过后期对样品进行漂移修正，再把这几十张图片叠加起来，从而大幅提高成像的信噪比。模糊的子弹一下子变得清晰，冷冻电镜的分辨率不断上升。第三个突破是计算能力的提高和软件算法的进步。冷冻电镜的模型重构通常需要对几万甚至几十万张投影图片进行分析、组装和优化。这需要先进的计算资源配合有效的算法才能实现。基于贝叶斯理论的模型重构框架解决了这个问题，我们在下文中详细介绍。综上所述，冷冻电镜技术不仅提高了空间分辨率，而且可以应用于很多以前不能解决的生物大分子的结构研究。 /p p 　　具有里程碑意义的成果是，2013 年加州大学旧金山分校(UCSF) 程亦凡和David Julius 的研究组首次得到膜蛋白TRPV1 的3.4 Å 近原子级别高分辨率三维结构，结果发表在Nature 上。我国在冷冻电镜的应用领域也有很大突破，代表性工作包括清华大学的施一公研究组和剑桥大学MRC 实验室Sjors H.W. Scheres 研究组合作在2015 年获得的γ 分泌酶复合物结构( 图2(c))， 以及2015 年清华大学高宁研究组和香港科技大学戴碧瓘研究组合作得到的3.8 Å 的真核生物MCM2-7 复合物结构 2015 年北京大学毛有东研究组、欧阳颀研究组与哈佛医学院吴皓研究组合作得到炎症复合体的高分辨率三维结构(图2(a)) 2014 年中国科学院生物物理研究所朱平研究组和李国红研究组合作得到的30 nm 染色质左手双螺旋高级结构(图2(b))以及2016 年中国科学院生物物理研究所柳振峰、李梅、章新政三个研究组合作得到3.2 Å 的捕光复合物II 型膜蛋白超级复合体结构。这些成果在结构生物领域得到巨大的反响，这也使得冷冻电镜高分辨率成像技术获得空前的关注。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/44d05be3-281b-4507-b0fc-9d200025422f.jpg" title=" 2.jpg" / /p p 　　图2 我国在冷冻电镜领域中获得高质量的研究成果(a)近原子分辨率的炎症复合体结构(图中NBD为核酸结合结构域，HD1 为螺旋结构域-1，WHD为翼螺旋结构域，HD2 为螺旋结构域-2，LRR为亮氨酸重复序列) (b)30 nm 染色质左手双螺旋高级结构 (c)3.4 Å 的人源γ 分泌酶复合物结构(图中NCT是一种I 型单次跨膜糖蛋白，APH-1 为前咽缺陷蛋白-1，PS1为早老素-1，PEN-2 为早老素增强子-2) /p p 　 strong span style=" background-color: rgb(112, 48, 160) color: rgb(255, 255, 255) " 　2 图像处理技术 /span /strong /p p 　　经过多年的发展，目前冷冻电镜的数据处理部分主要包含了以下的流程(图3)： /p p 　　(1) 衬度传递函数的修正(CTF correction) /p p 　　(2) 样品分子投影数据的筛选(particle selection) /p p 　　(3) 二维投影数据的分类和降噪(2D analysis) /p p 　　(4) 三维模型的重构和优化(3D reconstruction and refinement) /p p 　　(5) 多重构象的结构分析(heterogeneity analysis) /p p 　　(6) 对重建结构分辨率的分析(structure resolution assessment) /p p 　　(7) 结合生物化学原理和实验数据对三维结构的解读(model interpretation and validation) /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/ef81cf1e-580c-4eda-9e77-e2edc542f953.jpg" title=" 3.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　图3 冷冻电镜数据分析处理流程 /p p 　　图像处理软件的发展对冷冻电镜单颗粒重构技术极其重要，当前广泛使用的电镜分析软件系统主要包括SPIDER，EMAN2， FREALIGN，SPARX，RELION等。对于刚刚接触单颗粒重构技术的人来说，更偏好集成的软件套装来完成整个分析流程。我们在表1 中列出了大部分主流的综合冷冻电镜图像处理软件，以供参考。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/f4fafde5-da41-422a-acc4-bcd118be0c8e.jpg" title=" 4.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　表1 冷冻电镜中流行的图像处理软件 /p p 　　 strong 2.1 衬度传递函数估计与修正 /strong /p p 　　衬度传递函数(contrast transfer function，CTF)是在数学上描述通过透射电子显微镜得到样品图像上的像差变化。准确地判断衬度传递函数对于确认显微图像的质量以及后续的三维结构重建极为重要。常用的估算衬度传递函数的参数软件是CTFFIND4。确定了CTF 的参数以后，就可以对采集到的冷冻电镜图像进行修正。这个修正过程其实就是图像处理中的图像复原技术。 /p p 　　 strong 2.2 颗粒挑选 /strong /p p 　　接下来需要从原始数据中筛选出颗粒投影，也被称为“颗粒挑选”，颗粒挑选的好坏也将影响所有后续的分析和处理过程，是一个重要并且繁琐的步骤。颗粒挑选方式可以分为手动挑选、半自动挑选和完全自动挑选这几种。 /p p 　　在早期的分析中，对于结构的了解还非常少，优先考虑的都是人工挑选。但是自动的颗粒图像获取方法的出现使得在很短时间内可以收集数十万张颗粒图像，人工挑选大量的颗粒图像不太现实，并且人工的挑选通常会过于集中于某一类颗粒图像，导致遗漏和偏差。 /p p 　　 strong 半自动和全自动的方法主要有以下三类： /strong /p p 　　(1)通过例如降噪、反衬增强、边缘算子等图像形态学方法搜索区域，基于数字图像处理学的原理，将颗粒图像与背景分离开来。 /p p 　　(2)基于模板的方法，通过扫描数据图像和已知的模板比较来挑选出潜在的颗粒图像，模板的来源通常为手动选出的数据图像中较为清晰的颗粒图像，或者是已知结构的投影。 /p p 　　(3)结合无模板和有模板的方法，通过一些有监督的机器学习算法进行颗粒挑选。 /p p 　　随着图像识别领域中深度学习方法的流行，各类基于深度学习的颗粒识别框架也被引入到颗粒挑选的过程中。随着深度学习方法的发展，相信如何把深度学习方法应用到单颗粒冷冻电镜图像分析领域的研究将会越来越多。 /p p 　　 strong 2.3 二维图像分析——颗粒图像的匹配与分类 /strong /p p 　　二维颗粒图像的分类是获取三维结构过程的第一步。对二维图像的分析包括两部分：颗粒图像的匹配和颗粒图像的分类。 /p p 　　匹配的过程通常会对颗粒图像应用一些变换操作，通过关联函数去判断不同颗粒图像之间的相似程度。图像匹配的算法主要分为两种，即不依赖模型的方法和基于模型的方法，取决于是否存在利用样本先验信息得到的模板。 /p p 　　随着图像匹配的完成，颗粒图像需要进行分类。主要利用多元统计分析和主成分分析方法等算法，其他流行的二维颗粒分类技术还有神经网络分类，将图像在二维空间自组织映射(self-organising mapping，SOM)再进行分类和排序。 /p p 　　二维图像分析的目的是，首先通过图像匹配消除旋转和平移的误差，利用类内紧致、类间离散的原则进行图像分类，最终可以对类内颗粒图像进行平均，提高信噪比，从而实现对高分辨率三维结构的构建。 /p p 　　 strong 2.4 模型重构和优化 /strong /p p 　　模型三维重构的基础是中心截面定理，重构过程中的关键问题是如何确定每个颗粒图像的空间角(orientation determination)。大多数模型重构和优化算法都是基于投影匹配(projection matching)的迭代方法。简单说就是，先利用粗糙的三维结构模型，进行投影得到参考的图像，和实验颗粒图像进行比对，根据结果来更新空间方位参数，继而构造新的三维结构，对实验图像的空间方位修正，形成迭代的过程，直至收敛就获得了最终的三维模型。 /p p 　　 strong 2.5 分辨率的确定及二级结构的确定 /strong /p p 　　在模型优化的过程中，通常有很多指标给出结构的分辨率信息。目前一个较为广泛使用的分辨率信息参数是被称为傅里叶壳层关联函数(Fourier shell correlation，FSC)曲线，并通过在曲线上选取一个合适的阈值来判定分辨率。 /p p 　　在模型优化中经常伴随着过拟合的问题。过拟合的出现通常由于在优化过程时无法分辨“噪声”与“信号”。为了避免过拟合对分辨率的误判，最近一种被称为“黄金标准”(gold standard)的优化过程开始被广泛使用。 /p p 　　根据不同的分辨率，可以从结构中得到不同的信息量。按照分辨率数值大致分为三个范围： /p p 　　(1)结构分辨率大于10 Å 的生物大分子结构被视为低分辨率的结构，在低分辨率的结构范围内只观察得到一个大致的整体形状，以及有可能分辨出主要成分的相互位置关系。 /p p 　　(2)一个中等分辨率的生物大分子结构精度大约在4—10 Å 之间，在这个分辨率范围内的生物大分子结构已经可以得到一些二级结构的信息和分辨出大部分组成结构的相对位置关系。分子结构之间如果存在构象变化也可以分辨出来。 /p p 　　(3)高精度甚至是近原子级别的分子结构分辨率可以达到4 Å 以下。在高分辨率的三维结构中，可以准确地看见如α肽链等的二级蛋白质结构以及部分单独的残基，多肽链的结构变得清晰起来。同时高分辨率的分子结构可以描述精确的构象变化。 /p p 　　总之，FSC 曲线等标准提供的分辨率是一个有指导意义的数字，不可作为绝对参考来评价所获得的模型质量，需要批判地对待，尤其是要与生物分子系统的生物化学知识相结合。 /p p 　　 strong 2.6 三维结构的多构象性和动态分析 /strong /p p 　　生物大分子通常具有内禀的柔性，所以生物分子的动态结构变化以及结构的不均一性一直是结构生物学的研究重点之一。在晶体状态下，生物分子的结构变化被晶格约束，一般只提供一个静态的结构和有限的动力学参数。冷冻电镜相比晶体学方法的优势在于可以捕捉生物分子在溶液中的形态，并记录下不同构象下的投影。因此针对冷冻电镜的数据可以进行多构象的重构，现有的一些算法是通过聚类分析、最大似然法分析等对多构象进行分析，得到的生物大分子结构形态和构象差异还需要结合分子功能来检验分子结构的合理性。 /p p 　　 strong span style=" background-color: rgb(112, 48, 160) color: rgb(255, 255, 255) " 3 最新进展和突破 /span /strong /p p 　　 strong 3.1 最大似然估计理论 /strong /p p 　　近年来在单颗粒分析中取得重大突破的应当是最大似然估计(maximum likelihood)理论。最大似然估计的理论可以贯彻整个单颗粒技术图像分析的过程，在图像匹配，2D、3D分类 和模型优化上均可以应用，是一个强有力的理论工具。最大似然估计的算法已经在RELION、FREALIGN 等软件中实现，方便普通用户使用，这对于推动冷冻电镜成像技术的应用有重大意义，近三四年来有许多突破性的近原子级别分辨率的分子结构大多是由基于最大似然估计理论的分析软件得到。 /p p 　　3.1.1 减少计算需求 /p p 　　最大似然估计算法的计算量很大，如何降低计算量是一个重要问题。过多的计算资源消耗曾经阻碍这个方法在冷冻电镜单颗粒重构中的广泛应用。在减少最大似然算法在冷冻电镜应用中的计算需求方面，有两个重要的贡献是空间降维(domain reduction)算法和网格插值(grid interpolation)算法。 /p p 　　我们最近在研究一个新的方法来对旋转参数进行分步处理，初步的结果显示这种方法可以把计算复杂度降低一个维度，这个方法可很好地应用于高信噪比的数据处理，但对于低信噪比的数据分析还需要对该方法进行改进。 /p p 　　3.1.2 对最大似然方法的未来展望 /p p 　　在未来的研究中，关注点是减少计算的耗时和增加准确度。通用图形处理器(GPU)的应用和CUDA 编程框架已经显示出了在高性能计算领域的威力，研究表明GPU 技术可以显著减少计算时间，而RELION 也将发布支持GPU 计算的2.0 版本。 /p p 　　在加快计算速度的同时，提高模型的重构的准确性则更为重要。如何提高颗粒图像的准确性以及最大似然方法在这些方面的应用还有待深入探索。总而言之，最大似然方法独特的、可扩展的统计理论框架可以适用在冷冻电镜的各种问题上，如多构象、低噪声、信息缺失中均有很好的应用。 /p p 　　 strong 3.2 流形嵌入方法(Manifold Embedding) /strong /p p 　　自然界的分子过程通常是连续的，比如三磷酸腺苷(ATP)合成酶等分子结构的状态变化通常都是连续的。现有的方法只能得到有限的、若干个离散的构象变化，限制了我们对于分子结构的进一步观察。而流形嵌入法则是通过将颗粒图像映射到具有特定拓扑结构的参数空间(manifold space)，可以分辨出更为细致的动力学变化，进而实现对生物分子连续的结构变化过程的研究。Ali Dashti 等人已经利用这种方法成功刻画出核糖体的结构变化路径。 /p p 　　 strong 3.3 揭开表面看实质 /strong /p p 　　冷冻电镜对更为复杂的结构并没有很好的处理方式，在一些分子量比较大，包含多层的病毒结构研究中，一直没有高分辨率的三维模型，这也是由于病毒普遍具有对称失配的特性，基因结构被壳体完全覆盖，无法通过二维图形处理的方式对内部结构直接进行重构。刘红荣教授通过改进衬度分离方法展示出了解决该类问题的途径，其发展的新方法已经成功应用在一个多面体衣壳NCPV的病毒颗粒(图4)上，通过该重构方法，使得外部的衣壳结构(图4(a))和内部的基因组结构(图4(b))分离，成功得到包含在内部的dsRNA 近原子级高分辨率结构和分布。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/7ab0c5f3-c403-4231-924f-9900a3758eb7.jpg" title=" 5.jpg" / /p p 　　图4 利用衬度分离方法得到对称失配情形下的病毒颗粒结构(a)外部的衣壳结构 (b)内部的基因组结构 /p p 　　 strong 3.4 罗马不是一天建成的(Building Protein in One Day) /strong /p p 　　最近的研究成果显示，最大似然估计算法能够更好更快地完成三维重构，多伦多大学的Marcus A. Brubaker 教授针对最大似然估计算法提出了优化，有效地缩短了三维重构所需的时间。对传统迭代算法极度依赖于初始模型结构的缺点进行改进，同时通过采样优化的方式降低了计算量，减少计算时间，据称这些优化可以达到100000倍的加速，利用一台计算机工作站在一天内就能完成模型重构。 /p p 　 strong span style=" background-color: rgb(112, 48, 160) color: rgb(255, 255, 255) " 　4 展望与总结 /span /strong /p p 　　冷冻电子显微镜技术已经发展成为一个成熟的方法，应用于各种复杂的生物分子体系的高分辨结构研究。按照目前的发展势头，解决生物分子结构组(structural proteome)的问题已经不是遥不可及的了。在解决单一静态结构的基础上，冷冻电镜也展示了其研究多构象体系的潜力。下面对冷冻电镜在结构生物学研究领域的应用做一些大胆的展望，希望能抛砖引玉。 /p p 　　 strong 4.1 解决膜蛋白的结构 /strong /p p 　　由于膜蛋白是镶嵌在磷脂分子构成的细胞膜内，目前在冷冻电镜领域的样品制备还没有很好的处理方法，因此还很少见到对膜蛋白的结构解析。随着技术的发展，新的试剂分子或者纳米尺度的容器可以用来制备单一性很高的稳定的细胞膜以及镶嵌在内的膜蛋白。这样就可以利用冷冻电镜的方法对膜蛋白进行结构研究。目前在纳米盘(nanodiscs)的研究领域已经取得了一定的进展，对 /p p 　　冷冻电镜解析高精度的膜蛋白结构，我们拭目以待。 /p p 　 strong 　4.2 细胞内分子结构测定：从溶液内(in vitro)到细胞内(in situ) /strong /p p 　　当前的高分辨分子结构基本都是在溶液中提纯出来的分子样品，也就是通常所说的in vitro 实验。现在可以利用快速冷冻的方法把细胞固定，再用高能粒子枪对细胞进行高精度切片。在细胞的某些部位，常常有大量同类分子聚集，比如在内质网(endoplasmic reticulum，ER)部分有很多核糖体，在细胞骨架上会有大量的肌动蛋白(actin)分子。对这些切片进行成像研究可以获取这些分子在细胞环境的结构信息。 /p p 　 strong 　4.3 细胞结构和分子在细胞内的分布：从部分到整体 /strong /p p 　　电镜可以用来做断层成像(cryogenic computed tomography，cryo-CT)，应用于亚细胞层面的研究，比如细胞器的结构，蛋白质分子的分布，以及一些细胞骨架的构成。与超低温样品操作结合，cryo-CT 可以提供更高分辨率的信息，衔接分子层面和细胞层面的知识，对于了解细胞功能至关重要。在电镜成像研究领域，这将是一个有广阔前景的课题。 /p p 　 strong 　4.4 多构象的识别和自由能景观确定 /strong /p p 　　人们开始不满足于近原子级别分辨率能够提供的信息，想要进一步刻画分子结构连续变化的状态。得益于冷冻电镜的成像特性，相对其他技术而言，冷冻电镜技术在时间尺度的系综上具有优势。在冷冻电镜下分子结构的动力学研究中，有两个值得关注的趋势，分别是能够获取分子结构“ 慢” 反应过程(10—1000 ms) 时间分辨(time-resolved)的冷冻电镜技术，以及能够分析出连续构象变化的分类算法。获取短期反应过程(10—1000 ms)分子结构的基础是在准备样本过程中分子反应的速度慢于冷冻样本的时间，目前混合喷雾(mixing-spraying)等快速冷冻技术的实现使得一些较慢的反应过程可以看到动力学变化。而流形嵌入算法在分类过程中取得突破，在更好地利用冷冻电镜观察分子的平衡态结构动力学变化和展现自由能景观上取得了令人鼓舞的成果。 /p p 　 strong 　4.5 从静态结构到动态分子电影 /strong /p p 　　生物分子在室温下是活跃的，而且大多数的分子功能是通过结构的变化来实现的。基于X射线， 尤其是最近发展的X 射线自由电子激光(XFEL)的结构生物学的研究重点之一便是实现时间分辨的结构生物学研究(time-resolved structure determination)。到目前为止，基于X 射线的研究取得了很大的进展，但主要还是局限在对晶体的衍射方面，比如对光合作用过程中水分子分解的研究和光敏黄蛋白的光吸收过程的研究。三维冷冻电镜的单颗粒成像技术最有希望在单分子水平上实现对时间分辨的结构变化研究，同时，这对于样品制备和实验操作提出了非常高的要求。 /p p 　 strong 　5 结束语 /strong /p p 　　冷冻电镜的技术突破及其在生物分子结构领域的应用把我们对分子生物学的研究推进了一大步，开始探索未知的区域。立足于解决单一构象的基础，对多构象以及动力学过程和热力学的研究也需要展开，这需要对现有技术进行提升并与其他方法进行结合，计算建模和模拟的方法也需要紧密结合起来，实现对生物分子系统的集成研究。 /p p 　　致谢 感谢北京大学欧阳颀教授对文章写作提出的宝贵意见。 /p

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祝冷冻电镜之父Joachim Frank82岁生日快乐！约阿希姆弗兰克，德裔生物物理学家，美国国家科学院院士，现任美国哥伦比亚大学教授，研究领域包括生物化学、分子生物物理学等。1975年到2008年间，弗兰克教授完善了电子显微镜图像处理的单颗粒算法，发明了SPIDER软件，该软件至今为全世界上百家实验室广泛使用。弗兰克教授应用冷冻电镜和单颗粒技术，在解析原核和真核细胞核糖体结构和功能领域做出了非凡的贡献。2017年10月，弗兰克教授与雅克杜波谢、理查德亨德森共同获得诺贝尔化学奖，以表彰他们在“冷冻电镜用于生物分子结构的高分辨率解析领域”做出的巨大贡献。本期水木视界对约阿希姆弗兰克教授的诺奖感言自传进行翻译，期望更多冷冻电镜领域的同僚们能够了解这位冷冻电镜之父的传奇过往。原文："Joachim Frank Biographical"Copyright The Nobel Foundation 2017“Normally, my dog wakes me up in the morning. But today, it was the Nobel Prize!”—Joachim Frank以下内容为弗兰克教授诺奖感言：我于1940年9月12日出生在德国的魏德瑙镇。自1972年以来，魏德瑙镇一直是锡根市的一部分。锡根市拥有约10万左右的居民，位于北莱茵威斯特法伦州的南端。它周围的山区被称为锡格兰，在过去的几个世纪，锡格兰的铁矿开采、加工和冶炼行业都欣欣向荣。作为传统技术，铁矿的开采可以一直追溯到两千年前的凯尔特人。不过，在采矿和加工业转移到发达的鲁尔区后，留给锡格兰的任务就只剩钢铁的冶炼了：锅炉、铁管、铁轨、铁桶和许多其他由铁和钢制成的部件。魏德瑙镇的地标是“富士山”，一个巨大的铁矿渣堆，与日本的名山形状一致。此外，锡根也是奥兰治拿骚家族的所在地，他们是荷兰皇室的血脉。作为画家彼得保罗鲁本斯的出生地，锡根市为此而自豪。然而，画家彼得在锡根出生的原因则是一场闹剧：他的父亲与有身孕的母亲从科隆出发，在乘坐马车途径锡根时被逮捕。三个城市，锡根、科隆和安特卫普都声称彼得是他们的儿子，城市之间的争执是锡根上城区喷泉的永恒主题：在雕塑上，三位母亲一同抱着婴儿彼得保罗，并为之争吵。彼得保罗鲁本斯(Sir Peter Paul Rubens)1577年6月28日－1640年5月30日比利时画家，巴洛克画派早期的代表人物我的父亲威廉弗兰克是锡根法院的一名法官。他于1896年出生在魏德瑙。不过，他并没有完成全部的法律学业：他被征召并参加了一战中的凡尔登战役，并由于受伤而失去了大半个左手。他的母亲，也就是我的奶奶，出身于当地的一个富裕家族：施莱芬鲍姆家族，他们经营着繁荣的钢铁企业。我的爷爷是一名高中教师，来自锡根郊区的一个乡村家庭。我的母亲夏洛特来自杰出的曼斯科普夫家族，该家族在锡根的渊源可以追溯到15世纪。在18世纪，曼斯科普夫家族的一个分支在法兰克福定居，并通过国际葡萄酒贸易获得了无尽的财富和声誉。而在19世纪初，他们则与歌德的家族关系密切。左侧：1940年，与我的母亲夏洛特、父亲威廉、他的妹妹伊丽莎白、我的祖母阿玛莉-施莱芬鲍姆、哥哥赫尔穆特和妹妹英格伯格在一起。我的妹妹雷娜特将在四年后出生。右侧：我父母在魏德瑙的家，恩格斯巴赫大街3号，1905年的建筑图纸显示了原来的两层楼的阳台。我的母亲毕业于Stift Keppel高中，这是一所创办于13世纪的女子高中。婚后，她留在家里照顾她的四个孩子：我、我四岁的妹妹雷娜特和两个哥哥姐姐，英格伯格和赫尔穆特。我们的家宅大而庄严，是我的祖父母在1905年用红色双层玻璃砖建造的，极为坚固。它坐落于一块大小适中的土地上，与街道接壤的地方有一道锻铁栅栏。家宅的一楼和二楼有阳台，可以俯瞰后院。外侧的步道上铺满了装饰性碎石，并种着几颗黄杨树。[战争年代]锡根市，北莱茵威斯特法伦州，德国我出生于二战期间，而战争影响了我的整个童年。由于锡根市发达的钢铁制造业，它是盟军空袭的首要目标。在战争结束时，锡根市80%的建筑物都被夷为了平地。大约是我四岁的时候，一些邻居的房屋被陆续地炸毁了。在1944年2月的一次凌晨空袭中，我父母的房子也被炸毁。由于屋顶和上层被毁，其余的部分也因漏水而无法居住，我们不得不搬到北部20公里左右的希尔兴巴赫镇，在那里，我父亲的同事为我们提供了一套公寓。这套公寓位于威廉斯堡，它是一座18世纪依水而建的城堡，也是当时的法院大楼。在我的记忆中，我当时坐在城堡地下室的防空洞里，周围萦绕着婴儿的哭闹，飞机、空袭和无线电广播声，这些声音充斥着我青少年时期的噩梦。战争结束后的那段时间尤为艰难。母亲常常会乘坐去往乡下的火车，用我们家中剩余的铁制品换取黄油、火腿、面包、面粉和鸡蛋。“天然的黄油”来之不易，母亲会把它们搅拌进人造黄油中，但并不会稀释太多，这样我们就能尽可能长地记住黄油真正的味道。我们也有一个很大的花园，种植了苹果树、梨树和樱桃树。有一段时间，我们为了制作糖浆而种植了一些甜菜，并种植了烟草来满足父亲的吸烟习惯。我们还会在后院养鸡，甚至一度在阳台下面养了一头小猪。这些花园中的时光，使我得以近距离欣赏大自然。附近烧毁和倒塌的房屋瓦砾对我有一种错综复杂的吸引力，令我既恐惧又着迷。恐惧是对混乱和破坏的自然反应，特别是对一个孩子来说，这意味着危险无处不在。着迷的部分源自和其他同龄男孩一起在荒凉的土地上玩耍的经历，到处都堆满了砖头、罐子、扭曲的电线和塑料碎片。我们经常能发现老鼠窝，里面有一些尚处目盲的粉红色鼠崽。[启蒙教育]锡根市，北莱茵威斯特法伦州，德国我的小学就在家的街道对面，在那里我度过了四年的启蒙时光。八岁时，在还没有任何科学概念的时候，我在阳台下面的阴凉处开始了第一次实验，是天生的好奇心驱使我这样做的：我搭了一个架子，收集了一些利口酒的酒瓶，并用它们去装满我能得到的每一种液体：食用油、水、汽油，以及我长大一点之后得到的盐酸。凭着直觉，我把这些液体混合起来，把金属置入其中，并记录结果。我看着碳化钙在水中溶解，并着迷于激烈的反应和逸出气体的气味；我看着锌在盐酸中溶解并冒出气泡；我在一个与管子相连的金属容器中加热煤，因为我听说会有可燃的气体冒出来。迈耶百科词典，这是我在被毁的老房子里发现的一套20卷百科全书，每卷约1000页。这套百科全书登陆了海量的学术文章、技术图纸、彩色照片和世界各地的地图。在我识字之后，它们陪伴我度过了整个童年和青少年时期。我花了几年的时间把它们都读完了。这套出版于1905年的百科全书信心满满地宣称：人类已经把世上所有的东西都研究得不能再透彻，不过，1905年恰好也是爱因斯坦发表光电效应论文的一年，那篇论文证明了能量的量化，也就是量子力学的前身。对于那套百科全书来说，这还是挺讽刺的。如今，这套书的内容并没有太多的参考价值了，却对我来说有相当的纪念价值：它们被我视作纪念那套祖宅的传家宝。高中的科学课。在我身后右侧的两个身位处，他们是霍斯特施密特博金和乌尔里希梅博尔德。在未来，他们将成为物理学家。照片由@弗里德海姆施克提供。从五年级开始，我转学到了莫里茨文理中学，这是以奥兰治拿骚家族一位著名公爵命名的学校，而我是小学班20名学生中仅有的4名升学者之一(在德国的体系中，文理中学将初中和高中合并到一起)。在那里，我对科学课，特别是物理课产生了强烈的兴趣。同时，我扩大了实验范围，并在阁楼开辟了第二个试验场地。在那里我会尝试修补一些小玩意，例如用废弃或邮购的零件组装收音机：哥哥曾向我演示过如何组装一个水晶收音机，而我很快就痴迷于这些精巧的小物件，不可自拔。之后，我制作了几个花哨的微型收音机，并装在肥皂盒里。我的大部分零花钱都用在了阀门、晶体管、电阻器和电容器的购买上，而阁楼上则充满了松香焊接时产生的"蒸汽"味。幸运的是，我在学校里结识了一个志同道合的朋友，他就住在街对面。这时我应该补充一下，我的三个兄弟姐妹都在同一所文理中学上学。在获得高中毕业证后，我的哥哥去攻读并完成了工程博士学位，成为了一名职业安全领域的公务员。我的两个姐姐都在高中二年级时转去了职业学校，进行理疗师的就职培训。在结婚并将几个孩子拉扯大之后，长姐完成了她中断的高中学业，并进入大学，获得了生物化学的博士学位。而二姐从理疗师转型成了一位艺术家，她制作了许多漂亮的被子，直至1998年她因癌症早逝。[进入大学]弗赖堡市，巴登符腾堡州，德国我始终觉得，在大学里我注定会选择物理专业。而我的父亲常常质疑这个选择，理由是这个专业并不能糊口。1960年，在完成高中学业后，我去了弗赖堡大学(University in Freiburg)，并从省会城市搬到了僻静的小镇，镇上有一些大型哥特式教堂和许多迷人的中世纪建筑，这令我恍如隔世。我学习了微积分和线性代数，并学会如何去撰写严格的数学证明。此外，我也学习了数学物理学科的特殊函数和统计力学的课程。我视在亚琛攻读工程博士的哥哥为榜样，加入了著名的弗莱堡大学Suevia兄弟会，结识了一些朋友。但后来，受60年代政治动荡的影响和启发，我逐渐意识到了那些扎根于德国学生组织中的民族主义和右翼思想，并退出了兄弟会。当时的弗莱堡大学校长，臭名昭著的马丁海德格尔(Martin Heidegger)公开地支持元首。我曾经看到年迈但瘦小的海德格尔在大学门口发表公开演讲，这一举动在外界看来极为罕见。不过，他被一群学生簇拥着，我几乎看不到他。由于在学士毕业考试中表现突出，我得到了德国学术研究基金会的提名：这是一项特殊的奖学金，并在日后极大地拓宽了我的视野，使我能了解其他学科和人文领域。通过组织科学前沿会议，基金会促进了跨学科的讨论。在1964年的一次会议上，我第一次了解到 "中央教条"原则和DNA结构。也是在这里，我和神经生理学家沃尔夫辛格(Wolf Singer)初识，并开启了直至如今的长远友谊。我和辛格，以及志同道合的学生们一起成立了讨论小组，专注于当时的热门话题—“控制论”。[硕士与博士]慕尼黑市，巴伐利亚州，德国为了得到硕士学位，我前去慕尼黑大学物理系做毕业论文相关的工作。论文项目与液态金上的电子后向散射有关，这个深奥的课题与当时新兴的高能电子束技术息息相关。我的导师恩斯特金德(Ernst Kinder)曾在早期使用电子显微镜做了一些工作：他发现蝴蝶翅膀的彩色图案源自于微小鳞片处于亚显微排列时产生的光干扰。现在，他的办公室里仍然保留着一台古老的电子显微镜。这段经历让我对涉及电子显微镜的项目颇有好感。最终，我选择了沃尔特霍普(Walter Hoppe)作为我的博士导师，他是马克思普朗克蛋白质皮革研究所的X射线晶体学家，后转为电子显微镜专家，该研究所后来迁至马丁斯里德(Martinsried)，更名为马克思普朗克生物化学研究所(Max Planck Institutes)。霍普的研究内容是利用电子显微镜对生物分子进行三维成像的方法。我的论文则侧重于利用统计光学等领域的方法探索电子显微照片的特性。我在Optik杂志上发表的第一篇论文，研究了样品漂移对显微照片的光学衍射图案产生的影响，并以傅里叶理论解释了观察到的条纹。当霍普承认这是一项完全独立的工作，拒绝在作者栏签署他的名字时，我无比自豪。我的首次计算机编程使用了ALGOL编程语言，每次编译和运行新写的程序之前，我都要花费20分钟左右步行到大学。后来我学会了用FORTRAN语言进行编程，所使用的设备是IBM1130，它建造于我们研究所的一个小地下室里，我有时会在那里工作到深夜。研究所的生活方式十分独特，具有明显的巴伐利亚色彩，只需要步行短短的几分钟，就能从研究所步行到举办啤酒节的大草坪。在蘑菇生长的季节，人们会在清晨组织采摘蘑菇的活动。三至四名学生会组成户外小组，与一位对蘑菇了如指掌的专家一同出发，带回许多真菌和鸡油菇。我们会用锥形瓶和烧瓶将它们煮熟，撒上盐，与巴伐利亚面包一同食用。我们也曾在图书馆中用一桶啤酒和大块的肉饼来庆祝论文的刊登。当时的慕尼黑和现在一样，是一个文化活动丰富的城市，到处都是娱乐场所：每天去听一场古典音乐会算得上是日常了。我的一个古典音乐爱好者朋友也从弗莱堡搬到了慕尼黑，并邀请我去看了许多出色的演出。耳濡目染下，只靠几个开场音符，我就能辨认出许多古典交响曲。此外，慕尼黑歌剧院的票价平易近人，却总能提供宏大的体验。在那段时间里，我主要有两批朋友，一批是扬格罗内博格等人，格罗内博格是一位具有乌托邦思想的大学辍学生，住在慕尼黑郊外的小屋里。另一批是沃尔夫辛格等人，我通过学术研究基金会认识了他们，靠着沃尔夫辛格的介绍，我认识了我的第一任妻子凯茜恩格伯格。我们于1969年结婚，但这段婚姻只维持了不到10年。1968年，一次在希尔谢洛镇的会议让我有机会认识了几个未来在这个领域举足轻重的人。这次研讨会是由瓦尔特霍普和剑桥MRC分子生物学实验室的马克斯佩鲁茨(Max Perutz)共同组织的，佩鲁茨因在蛋白质X射线晶体学方面的开创性工作而闻名。在那里，我遇见了哈罗德埃里克森、理查德亨德森、肯霍姆斯、休赫胥黎和奈杰尔昂温等人。在下午，与会者们可以自由地滑雪，而上午和晚上都保留给讲座和讨论，其形式类似于戈登会议。与我的论文相关的两篇德文论文后来发表在了会议记录中，载于Bunsengesellschaft für Physikalische Chemie特刊。[博士后阶段]加利福尼亚州，美国1970年初夏，在慕尼黑工业大学的论文答辩结束后，我获得了哈克尼斯奖学金(Harkness Fellowship)，这使我可以前往美国两年，并自行决定进入哪些实验室。我选择了加州理工大学的喷气推进实验室(JPL)、加州大学伯克利的唐纳(Donner)实验室、和康奈尔大学。来自欧洲的我，却搬去了帕萨迪纳这样好莱坞一样的地方，那里有繁华的高速公路、紧靠棕榈树的小房子以及穿着网球鞋的小老太太，这种文化冲击难以言喻。事后看来，这三个实验室都给了我未来方向的重要推动力。当时的JPL拥有世界上最好的图像处理设备，并开发了一个模块化的图像处理系统VICAR，我可以将自己的程序挂在上面。这个软件包后来成为我开发SPIDER系统的模型。在唐纳实验室，我和鲍勃格莱泽的小组在一起，他专注于用电磁波进行结构研究的两个典型问题：样品的辐射损伤和对水合环境的需求。他和他的学生肯泰勒(Ken Taylor)已经在试验冷冻水化样品的制备，但当时雅克杜博歇(Jacques Dubochet)决定性的玻璃态冷冻技术还没有被发明出来。在康奈尔大学的本杰明西格尔小组里，我认识了肯唐宁(Ken Downing)和威廉戈德法布(William Goldfarb)。后来我邀请威廉加入了我在奥尔巴尼的团队。这时我需要提一句，1972年我在康奈尔大学时，我的儿子霍西亚扬弗兰克(Hosea Jan Frank)出生了。从美国回来后，我在1972年的冬天短暂地回到了马克思普朗克研究所，研究电子显微镜的部分相干性理论。这项工作使我与世界级的电子光学专家彼得霍克斯(Peter Hawkes)有了接触。1973年，我加入了剑桥大学卡文迪许(Cavendish)实验室的弗农埃利斯科斯莱特(Vernon Ellis Cosslett)小组，担任高级研究助理。与我往来的人中有欧文萨克斯顿(Owen Saxton)和彼得霍克斯(Peter Hawkes)。在卡文迪许的几年里，我进一步研究了部分相干理论，并找到了一种方法：通过计算同一区间的两个连续图像的互相关性来获得电子显微照片的信噪比。这时，单颗粒平均和重建的设想在我的脑海中占据了一席之地：将电子剂量分散到网格上随机排列分子的多个"副本"中。1975年，我发表了一篇概念性的论文，提出了利用溶液中重复出现的分子来检索分子结构的想法。之后，我和欧文一起研究了生物分子的明场图像，并确定了它们在特定的条件下能够以足够的精度排列，从而使图像达到了一定的平均分辨率，这项研究的结果在1977年共同发表。自此我开始相信，单颗粒的方法即使在弱原生对比度的条件下(即蛋白质与水)也能发挥作用。[Wadsworth研究中心]奥尔巴尼市，纽约州，美国1975年，我收到了纽约州Wadsworth研究中心的唐帕森斯(Don Parsons)发来的工作邀请。在那里，我最初的任务是细胞切片的断层重建，但我继续将研究重心放在了单颗粒方法的应用上。这两个领域的交叉使我意识到，我需要一个程序框架来确保后续程序设计的灵活性。因此，我开始对SPIDER进行开发，这是一个模块化的图像处理系统。随着单颗粒技术的发展，SPIDER成为向社会传播单颗粒技术的工具。它最初采取了买断制，只收取一次性费用，后来，它补充了创意共享许可，能够被免费地使用。之后，过了很多年的时间，单颗粒概念才得以被证明有效，我们收到了生物分子的实际图像：由加州大学洛杉矶分校的大卫艾森伯格(David Eisenberg)提供的谷氨酰胺合成酶，戈廷根大学的彼得辛斯海姆(Peter Zingsheim)提供的乙酰胆碱受体，以及罗氏的米罗斯拉夫布布里克(Miloslav Boublik)提供的核糖体。我的朋友马丁凯塞尔也利用休假的时间帮助我进行了一些研究。在每个案例中，二维平均数的可重复性证明了这种方法是合理的。然而，电子显微镜业内仍有不少人持怀疑态度。转折点出现1980年，我和荷兰学生马林范海尔(Marin van Heel)共同开发了一种解决异质性问题的方法。为了寻找具有挑战性的合适分子来尝试这项技术，我开始与法国图尔的让拉米(Jean Lamy)以及他的学生尼古拉斯博伊赛(Nicolas Boisset)合作，对各种节肢动物的血蓝蛋白进行成像。多年来我一直与尼古拉斯保持联系，直到他于2008年不幸去世。他的记录方式一丝不苟，并为单颗粒重建的原理制作了精美的幻灯片。奥尔巴尼镇是纽约州的首府，却淹没在了纽约市的光辉下。该镇被美丽的乡村所包围，仅靠步行便能进入阿迪朗达克山脉。搬到奥尔巴尼不仅让我得到了第一个独立职位，还释放了我在科学之外的领域进行创造性表达的冲动。我加入了一个艺术家集体，名为WORKSPACE，由杰西加雷特(Jacy Garrett)创立。当时，行为艺术正在全美范围内被重新定义，艺术家组织也如雨后春笋般出现。激浪派(FLUXUS)运动将大众的注意力引向了一些边缘的、偶然的东西。我并没有艺术相关的文凭，却凭借创造性的贡献成功地被WORKSPACE接纳了，这让我感觉不错。我参加了他们的邮件通信，并在几年内为一本名为PROP的小型文学杂志提供编辑工作。上方，从左到右：霍西阿(泽)和他的儿子约拿，汤姆墨菲(玛丽尔的丈夫)，约阿希姆弗兰克下方，从左到右：泽的妻子乔迪布兰特和他们的女儿罗丝，玛丽尔，我的妻子卡罗尔萨吉诺。这时，我的孩子们都长大成年了，有着自己的生活。我的儿子泽弗兰克在布朗大学主修神经科学，并出于弹吉他的爱好成立了一个乐队。他在音乐和艺术方面的特殊才能在少年时期就得到了体现。后来他搬到了纽约，开始做网页设计。通过一个偶然的途径，他登上了TED演讲的舞台，随后在一夜之间成为了一个互联网人物。最近，他任职于Buzzfeed，职位是媒体总监。他现在与妻子和两个孩子住在洛杉矶。我的女儿玛丽尔弗兰克在巴纳德学院主修语言学。她会说多种语言，在日本教过英语，还曾为一个拉丁裔非营利组织工作，现在是代码学院的程序员和课程开发人员。她已经结婚了，并定居在纽约布鲁克林。[哥伦比亚大学]纽约州，纽约市，美国

随着纳米技术的应用日益频繁，各种纳米材料广泛应用于各类产品当中。碳纳米管（CNT）是使用最广泛的纳米材料之一，其年生产量高达上千吨。其生产过程通常会用到金属催化剂，因此碳纳米管表面可能残留金属纳米粒子。碳纳米管的透射电子显微镜（TEM）图像，深色区域为金属颗粒，附着在无定形石墨材料和长单壁碳纳米管上测量碳纳米管上的金属含量是一项极大的挑战。XRF 最大的缺陷是它测量的是样品的金属总量，而不是单根或若干根碳纳米管上的金属。TEM 可以测量单根碳纳米管上的金属或纳米粒子，但过程十分缓慢冗长，一天之内只能测量少数几个碳纳米管样品。传统的 ICP-OES 和 ICP-MS 分析缺陷是它们需要完全消解碳纳米管，而鉴于其化学惰性，这将是一项巨大的挑战。单颗粒 ICP-MS（SP-ICP-MS），无需样品消解，通过监测瞬态金属信号即可实现金属量的半定量测量。SP-ICP-MS 还可以在一分钟之内分别对上千根碳纳米管进行快速测量，从而预估粒子的个数和含量。本文介绍了单壁碳纳米管（SWCNT）中钇（Y）（一种常用催化剂）的 SP-ICP-MS 测定方法。样品单壁碳纳米管是从溶液（Riverside，CA）中获取的，为粉末状。仪器NexION 2000 ICP-MS 实验结果图2 显示了 Y 的 SP-ICP-MS 信号，其中每个信号峰代表一根单壁碳纳米管的 Y 信号。随着过滤孔径的越来越小，越来越少的碳纳米管可以通过滤膜，因此 Y 信号越来越小。这说明 Y 纳米粒子与碳纳米管结合在一起，当碳纳米管出现时，可以观察到 Y 信号，当碳纳米管被滤除时，Y 信号消失。使用 Syngisitx 操作软件纳米模块，可自动计算分析中的峰数，显示本底脉冲和 Y 所生成脉冲的强度均值和中值。信号积分则反映出了单壁碳纳米管中的金属总量。该数值同使用酸消解后的样品信号，是一致的。结论使用SP-ICP-MS技术，可在无需消解碳纳米管（一个冗长繁琐的过程）的情况下准确量化碳纳米管中的金属杂质。使用金属杂质的含量可以推测单壁碳纳米管的计数浓度，有效拓展了 ICP-MS 在纳米材料领域的应用。想要了解更多详情，请扫描二维码下载完整的应用报告。

“纳米银”是“银纳米颗粒”的简称或俗称，指由银原子组成的颗粒，其粒径通常在1~100nm范围。银材料表面具有抑菌性质早已为人熟知，其机理是位于材料表面的银原子可以被环境中的氧气缓慢氧化，释放出游离的银离子（Ag+），这些银离子通过与细菌壁上巯基结合，阻断细菌的呼吸链，最终杀死附着在材料表面的细菌。由于纳米颗粒的小尺寸效应和表面效应，随着颗粒尺寸的减小，纳米银的表面原子数与其内部原子数的比例急速升高，最终导致其银离子的释放速率显著增高，杀菌效果更加显著。利用纳米银抑菌特性的各种产品，包括纺织品、化妆品、药品等，以及其他工业产品，越来越多的研发并被投入使用。这些纳米银最终将会进入到环境中，对生态环境和生物健康产生影响。快速地检测和表征在各种不同的环境基体下的纳米粒子的技术手段因此显得极为必要，而珀金埃尔默公司的单颗粒ICP-MS技术则可以很好的应对这项挑战。本实验带您了解不同的废水中，单颗粒ICP-MS测定纳米银的能力。样品水样：是从加拿大魁北克省蒙特利尔附近的污水处理厂抽取。废水：是经过污水处理厂最终处理后排放到河里的废水，在二级沉降池后收集。混合溶液：经过生物处理后离开曝气池，到达二级沉降池处理悬浮物和沉积物的废水，从二级曝气池收集。海藻酸盐：一种在废水中可以检测到并由废水中溶解性有机碳组成的ppm级多糖。海藻酸盐溶液被用作于比较废水样品的一个已知的控制和替代物。用去离子水溶解从褐藻提取的海藻酸钠（Sigma-Aldrich, St. Louis, Missouri, USA）配制成浓度为6ppm的海藻酸盐溶液，并震荡一个小时。实验平均粒径为67.8±7.6nm的用PVP包裹的Ag ENPs标准品（用TEM定值，nanoComposix™ Inc., San Diego, California, USA），加入10mL到所有样品中，使浓度为10ppb（5,000,000粒/mL）。样品用去离子水稀释10-1000倍，测试前超声5分钟。所有样品一式三份。使用PerkinElmer NexION® 300D/350D ICP-MS进行分析，采用SP-ICP-MS模式，在Syngistix™ 软件纳米分析模块下进行。实验参数如表1所示。实验结果图1显示了0.1ppb（50,000粒/mL）Ag ENPs标准品的粒径分布，相当于66.1±0.1nm的平均粒径，浓度为52,302±2102粒/mL。对粒径的测试结果和TEM定值的一致性表明海藻酸盐基并不影响测量精度。图1：在6ppm海藻酸盐溶液中的Ag的粒径分布在确定海藻酸盐溶液技术的准确度的基础上，排放废水和混合溶液样品进行下一步的测量。图2和图3显示了废水和混合溶液各自的粒径分布。分析前样品稀释100倍，表2显示了粒径大小和颗粒浓度的测试结果。另外，平均粒径与证书标称值一致，颗粒浓度接近计算值，表明没有废水基体会影响测量结果。这些结果表明，可以准确测量在废水样品中的Ag ENPs。图2：稀释100倍废水中Ag的粒径分布图3：稀释100倍的混合溶液中Ag的粒径分布结论实验证明SP-ICP-MS具有准确测试三种不同类型废水样品中的银纳米粒子的能力。虽然废水基体很复杂，但是它们不会抑制SP-ICP-MS准确测量粒径和纳米粒子浓度的能力。想要了解更多详情，请扫描二维码下载完整的应用报告。

p style=" TEXT-ALIGN: center" strong 第二届电镜网络会议(iCEM 2016)特邀报告 /strong /p p style=" TEXT-ALIGN: center" strong 单颗粒冷冻电镜技术进展及应用 /strong /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 王宏伟-300dpi.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201609/insimg/5113a855-270a-46cb-a976-558463f97da7.jpg" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" strong 王宏伟 教授 /strong /p p style=" TEXT-ALIGN: center" strong 清华大学生命科学学院 /strong /p p br/ /p p strong 报告摘要： /strong /p p 　　& nbsp 冷冻电子显微学近年来在电子显微镜的硬件设备及结构解析的软件算法等方面取得了多个重要的技术突破，正在成为结构生物学研究的重要技术手段，为越来越多的生物学研究者所重视。冷冻电子显微学的技术特点决定了它所具备的一些独特优势和发展方向，同时作为一门正在迅速发展的科学技术领域，需要多学科的交叉促进。我将主要介绍冷冻电子显微学的研究现状及面临的技术挑战，并对未来单颗粒冷冻电镜发展中可能的技术生长点进行讨论。 /p p strong 报告人简介： /strong /p p 　　王宏伟，清华大学生命科学学院教授，博士生导师，国家“青年千人计划”入选者。 /p p 　　1992-1996于清华大学生物科学与技术系，学士 /p p 　　1996-2001 清华大学生物科学与技术系，博士 /p p 　　2001-2006 美国劳伦斯伯克利国家实验室生命科学部，博士后 /p p 　　2006-2008 美国劳伦斯伯克利国家实验室生命科学部，研究科学家 /p p 　　2009-2011 美国耶鲁大学分子生物物理与生物化学系，Tenure-Track助理教授 /p p 　　2010.12-至今 清华大学生命科学学院，教授、博导 /p p 　　主要科研领域和研究方向 /p p 　　冷冻电子显微学研究生物大分子复合体的结构与分子机理。主要研究方向如下： /p p 　　1. 细胞骨架与生物膜系统相互作用的结构及分子机制 /p p 　　2. RNA代谢途径中的大分子复合物的结构与分子机理 /p p 　　3. 冷冻电子显微学结构解析新方法的开发与应用。 /p p strong 报告时间： /strong 2016年10月26日下午 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" & nbsp a title=" " href=" http://www.instrument.com.cn/webinar/icem2016/index2016.html" target=" _blank" img src=" http://www.instrument.com.cn/edm/pic/wljt2220161009174035342.gif" width=" 600" height=" 152" / /a /p

在满足目前各种应用需求的前提下，光谱分析仪器和方法也在不断的创新发展中，不论是分子光谱还是原子光谱都涌现了一系列创新的成果，特别是拉曼光谱、近红外光谱、激光诱导击穿光谱、太赫兹、超快光谱、荧光相关光谱、高光谱等相关技术彰显了极具诱惑的市场活力，引领着行业发展的方向。第十二届光谱网络会议（iCS 2023）中，近50位专家报告充分彰显了光谱创新潜力，纷纷展示了一系列的创新成果：从仪器整机到关键部件；从系统集成到方法开发；从大型科研仪器，到用于现场的便携、手持设备；从实验室检测设备，到过程分析技术……为了更好的展示这些创新成果，同时也进一步加深专家、用户、厂商之间的合作交流，会议主办方特别策划《光谱创新成果“闪耀”iCS2023》网络专题成果展，集中展示本次光谱会凸显的创新成果，包括但不限于仪器、部件、技术、方法、应用等。徐明 研究员中科院生态环境研究中心人物简介：徐明，中国科学院生态环境研究中心，研究员，博士生导师。主要从事重金属（离子态、颗粒态）的健康效应、分子靶点及分析方法研究。获国家基金委优秀青年科学基金、入选中国科学院青年创新促进会。主持并参与国家自然科学基金、科技部973、科技部重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项B等9项。发表论文72篇，申请和授权国家发明专利3项。本次会议中，中科院生态环境研究中心徐明研究员分享了《贵金属纳米颗粒的体内示踪与原位成像谱学方法研究进展》（点击回看》》》）引发行业关注。会后，我们也再次邀请徐明研究员分享其团队在纳米颗粒原位分析的系列研究成果。1、成果简介纳米材料已被广泛应用于工业、农业、食品、医药等领域。例如，银纳米颗粒作为抗菌剂被用于病原微生物的消杀，金纳米颗粒因其优良的光学性能和生物相容性被用于疾病诊断与治疗等等。一旦进入生物体内，纳米颗粒会经历复杂的转化过程，包括溶解、聚集、解聚等。纳米颗粒的体内转化会改变其物理化学特性，进而对纳米颗粒的功能产生影响。然而，目前针对纳米颗粒体内转化、分布的原位分析表征极具挑战。通常使用电子显微镜对组织或细胞内的纳米颗粒进行检测，该种方式成本高，操作难，不易于推广。其它成像技术，如质谱、红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱等，成像分辨率难以达到纳米级别，无法实现单颗粒分析。针对上述难题，为实现生物组织和细胞中纳米颗粒转化与分布的精确分析，徐明研究员研究团队近期开展了基于光谱成像和质谱成像的纳米单颗粒原位分析研究。成果一：细胞内金纳米颗粒聚集行为的单颗粒成像分析为观测金纳米颗粒（AuNPs）的细胞内聚集行为，我们基于高光谱暗场显微镜（EHDFM）开发了一种单颗粒成像分析新方法。利用局域表面等离子共振现象（LSPR）产生的散射光谱信号，可对AuNPs的聚集程度进行定性和定量分析，实现生物介质中和细胞内AuNPs的原位单颗粒分析（图一）。该方法具有很好的特异性与灵敏度，相关研究成果近期已发表于Journal of Physical Chemistry B（https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.2c08289）。图一成果二：利用间充质干细胞进行肿瘤靶向递送金纳米颗粒的原位成像分析为观测金纳米颗粒（AuNPs）的体内行为与分布特征，其团队整合了激光溅射电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）和高光谱暗场显微镜（EHDFM）技术，可实现生物组织中AuNPs的定性与定量成像分析（图二）。针对纳米颗粒肿瘤靶向效率低的问题，我们比较了间充质干细胞（MSC）介导的AuNPs肿瘤靶向与增强渗透滞留效应（EPR）间的递送效率差异，证实MSC介导的肿瘤靶向递送效率比EPR效应提高了2.4~9.3倍，可将更多AuNPs递送至肿瘤坏死核心。相关研究成果近期已发表于ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.2c07295）。图二成果三：新型核壳结构纳米探针成像分析银纳米颗粒的胃肠道转化为观测纳米颗粒的体内转化过程，我们开发了一种以星形金纳米颗粒为内核，外层包覆银壳的球形核壳结构纳米探针（Au@AgNPs）。在体内，一旦该探针的银壳发生溶解等转化，就伴随着元素和光谱信号的变化，进而可通过LA-ICP-MS和EHDFM进行成像分析（图三）。利用该纳米探针，其团队成功示踪了颗粒银在小鼠胃肠道中的转化与吸收过程，揭示了颗粒银和离子银的体内行为与分布特征的差异。相关研究成果近期已发表于Advanced Functional Materials（https://doi.org/10.1002/adfm.202302366）。图三2、产业化意向上述相关的成果正在申请国家专利，后续将发展更多面向应用的技术方法和成像探针，欢迎相关的科研与产业合作。3、课题组未来研究计划后续研究中，徐明研究员研究团队将重点开发针对生物分子和纳米材料的质谱、光谱成像技术。

结构生物学的主要目标是，从机制上理解关键的生物学过程。研究这些过程中的大分子和复合体，确定它们的分子结构，可以得到最详细的基础信息。除此之外，获得药物靶标的分子结构也是药物开发的标准程序，人们可以在此基础上设计和优化治疗性的化合物。 　　不久以前，单颗粒冷冻电镜(cryo-EM)还不是大多数结构生物学家们的第一选择。2013年以前，蛋白数据库(PDB)中的绝大多数分子结构还是X射线晶体衍射获得的。而现在，单颗粒冷冻电镜已经成为了X射线晶体衍射的有力竞争者，不仅在分辨率上能够与之匹敌，还适用于难以结晶的大分子。 　　本期Cell杂志刊登了华人学者程亦凡(Yifan Cheng)博士的两篇文章。这两篇文章由浅入深的介绍了风头正劲的单颗粒冷冻电镜，为想要试水这一技术的新手们提供了入门指南，并且详细介绍了这一技术近年来取得的重要突破。 　　程亦凡是加州大学旧金山分校的副教授，他原本是物理学博士，后来改用物理学方法研究生物问题。近来，程亦凡在冷冻电镜方面取得了突破性成果，受到了广泛的关注。 　　单颗粒冷冻电镜入门 　　单颗粒冷冻电镜是用于单颗粒样本的冷冻电镜技术，不需要结晶就可以确定蛋白质和大分子复合体的结构。这篇文章介绍了单颗粒冷冻电镜在结构分析时的实验步骤、注意事项、数据判读和入门指引，为希望了解这一技术的科学家们提供了宝贵的资源。(原文：A Primer to Single-Particle Cryo-Electron Microscopy) 　　单颗粒冷冻电镜的技术突破 　　这篇综述探讨了为冷冻电镜带来变革的硬件和软件突破。这些技术突破让单颗粒冷冻电镜能够获得质量空前的图像，达到接近原子水平的分辨率。与X射线晶体衍射相比，单颗粒冷冻电镜还是一个相对年轻的技术，仍处于快速发展中。但X射线晶体衍射完全依赖于结晶质量，这已经成为了一个重要的技术瓶颈。而单颗粒冷冻电镜在这方面可能更有吸引力。(原文：Single-Particle Cryo-EM at Crystallographic Resolution) 　　相关新闻：程亦凡谈冷冻电镜技术发展&mdash &mdash 访美国加州大学旧金山分校副教授程亦凡

嫦娥五号月壤样品虽然微小，但每个小颗粒从一定程度上相当于一个独立的小岩块，其矿物组成、表面形貌、内部结构和化学成分均蕴含丰富的“月球演化和太空风化”等信息。将月壤颗粒分门别类并挑选出来，可用于有目的地开展其它科学研究。与电子束和离子束等微束分析方法相比，μXRF依托X-射线分析技术，穿透性强，化学灵敏度高，且不需要对样品及其表面进行复杂的预处理，因而能在微米尺度下，快速获得月壤颗粒的化学元素组成及各种元素的分布特征，用于挑选各种类型的目标颗粒。无论是机械抛光与SEM结合，还是XRM与FIB-SEM联合，均能将目标矿物暴露到一个平整的截面，既适用于SIMS（微米分辨率的元素和同位素）分析，也同样适用于不同尺度和不同类型的微区分析，如显微拉曼（Raman，微米分辨率的化合物和矿物相鉴定）、SEM（纳米分辨率的形貌、结构和成分分析）、电子探针（EPMA，纳米分辨率的主、微量元素定量分析）、纳米二次离子质谱（NanoSIMS，亚微米到纳米分辨率的元素和同位素分析），还能直接用于FIB-SEM的精准微切割，制备微纳尺寸的“薄片”或“针尖”样品，用于更为精细的同步辐射扫描透射X-射线显微镜（STXM，纳米分辨率的化学成分、元素价态和磁学分析）、透射电镜（TEM，亚纳米到原子分辨率的形貌、结构、成分、矿物相和微磁学分析）和原子探针（APT，原子分辨率的元素和同位素分析）研究。 基于样品挑选和后续分析的共性，中国科学院地质与地球物理研究所等提出针对嫦娥五号月壤以及未来行星返回样品的单颗粒综合分析的“六步走”工作流程图：步骤1：单颗粒样品显微操作，制备成样品阵列，利用μXRF技术快速扫描分析挑选目标颗粒，并按照后续分析测试需要制备成不同类型单颗粒样品（如树脂包埋、机械抛光或表面导电处理）。步骤2：目标颗粒样品的3D-XRM/FIB-SEM联合分析，在微纳米尺度上获得样品三维形貌、结构和成分信息。步骤3：目标颗粒样品的SEM综合分析，在微纳尺度上获得样品的表面形貌、结构和化学成分信息。步骤4：目标颗粒截面样品的综合微区分析（如SEM、Raman、EPMA、SIMS、NanoSIMS），在微纳尺度上获得样品截面的形貌、结构、矿物相、化学成分（包括主量、微量元素及其同位素）等信息。步骤5：利用先进的FIB-SEM技术，对目标颗粒样品中感兴趣的微区域进行三维重构分析，以及对其进行精准微切割，制备微纳尺寸的“薄片”或“针尖”样品。步骤6：综合利用同步辐射STXM、先进的TEM和APT技术，在纳米到原子水平，对“薄片”或“针尖”样品开展形貌、结构、矿物相、化学成分、元素价态、元素同位素和微磁学等综合分析。 需要指出的是，该研究提出的“六步走”工作流程，并不能涵盖嫦娥五号和未来行星返回样品所需的所有技术，也并不是一成不变和标准程式化的，在实际工作中需要根据样品特性或具体科学目标进行调配和改进。例如，可将步骤1、步骤2/步骤4结合，快速寻找富锆颗粒并精准定位含锆矿物，开展样品的微区同位素年代学和地球化学等研究工作。将步骤1、步骤3、步骤5和步骤6结合，选定特定类型单颗粒样品，开展太空风化、行星矿物学和微磁学等研究工作。此外，该研究提出的“六步走”工作流程按照“先无损，后微损”“先单颗粒，后微纳米尺度，最后原子水平”“先侧重表面，后开展内部结构”的分析思路，将现有的多种显微学和显微谱学技术，在分析的时间节点上进行了排列组合，可对同一个样品获得不同尺度下多种信息，因而也同样适用于各种地球珍贵样品（如来自地球早期、深部或深海等来之不易、不可重现的微小样品）的综合研究。 相关成果发表在Geoscience Frontier上。研究得到科技部重点研发计划、中科院前沿科学重点研究项目、地质地球所重点部署项目和国家自然科学基金资助。

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 传统全样分析方法包括离子色谱（IC）、气相色谱（GC）、高效液相色谱（HPLC）和电感耦合等离子质谱（ICP-MS）是气溶胶性质研究的最常用方法。然而，全样分析方法的局限性在于无法获得气溶胶颗粒的混合状态和表面等性质。气溶胶颗粒的混合状态对于理解颗粒的吸湿性、光学特性以及在大气中的老化过程等方面具有重要意义。为了弥补全样分析的这些局限性，以电子显微镜为代表的单颗粒分析方法在气溶胶性质研究中的应用越来越广泛。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）以及它们配备的X射线能谱仪（EDS）是单颗粒分析方法的主要仪器。SEM/TEM-EDS可用于获得颗粒的形貌、成分、粒径、混合状态和表面特征。基于这些信息我们可以分析颗粒的来源和老化过程，进而讨论颗粒对人体健康和气候变化的影响。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 颗粒物的大量排放是造成空气污染的直接因素之一。了解颗粒物的来源、组成及老化过程，对有效改善空气质量具有重要意义。本文主要介绍各类排放源（工业源、汽车尾气、生物质燃烧、家用燃煤和矿物颗粒等）排放的气溶胶颗粒在电子显微镜方面的研究进展。 /p p style=" text-align:center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 364px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/eb3f9ff3-cbb9-4bee-87d2-abd84618bba9.jpg" title=" 大气灰霾中不同来源气溶胶单颗粒的电子显微镜研究 5.jpg" alt=" 大气灰霾中不同来源气溶胶单颗粒的电子显微镜研究 5.jpg" width=" 500" height=" 364" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 1．工业源 span style=" color: rgb(0, 0, 0) " /span /strong span style=" color: rgb(0, 0, 0) " 。 /span /span 工业排放源主要包括燃煤电厂、钢铁厂、金属冶炼和炼油厂。飞灰（flyash，图1a）和金属颗粒（metal，图1b和c）是工业源排放的两种典型颗粒。飞灰颗粒由硅、铝及少量铁和锰等元素组成的球形颗粒，粒径小于200& nbsp nm。已有研究利用透射电镜在华北灰霾中发现大量飞灰颗粒。金属颗粒主要包括富铁、富锌、富铅和富锰颗粒，灰霾事件中观测到的金属颗粒的粒径小于500& nbsp nm。透射电镜观测发现污染大气中的飞灰和金属颗粒大多与二次气溶胶（例如硫酸盐、硝酸盐和有机物）内混。这些在传输过程中形成的酸性二次气溶胶促进飞灰和金属颗粒释放可溶性金属离子，危害人体健康和生态环境。 /p p style=" text-align:center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 298px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/27bed8be-d6c7-4599-93b0-61109d072cf6.jpg" title=" 大气灰霾中不同来源气溶胶单颗粒的电子显微镜研究 (21).jpg" alt=" 大气灰霾中不同来源气溶胶单颗粒的电子显微镜研究 (21).jpg" width=" 500" height=" 298" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 2．汽车尾气 span style=" color: rgb(0, 0, 0) " /span /span /strong span style=" color: rgb(0, 176, 240) " span style=" color: rgb(0, 0, 0) " 。 /span /span 汽车尾气是造成空气污染的重要来源，汽车尾气中近一半的一次颗粒中含有黑碳颗粒（soot或black carbon，图1d）。黑碳颗粒为含碳小球的链状聚合物。黑碳颗粒的混合状态可显著影响其光学吸收，进而影响地球辐射强迫。透射电镜可根据黑碳颗粒的特殊形貌区分黑碳颗粒的混合状态，对评估其对气候变化的影响有重要意义。 /p p style=" text-align:center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 334px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/66123eed-c584-4937-a4dd-07b36d48f876.jpg" title=" 大气灰霾中不同来源气溶胶单颗粒的电子显微镜研究8.jpg" alt=" 大气灰霾中不同来源气溶胶单颗粒的电子显微镜研究8.jpg" width=" 500" height=" 334" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 3．生物质燃烧 /strong /span 。生物质燃烧是对流层气态和颗粒态污染物的重要来源。木柴和秸秆是世界各地取暖和烹饪的重要能源。同时，露天焚烧是处理农作物残留秸秆的普遍方式。自然的生物质燃烧（比如森林大火和草原大火）也会导致大量污染物排放。生物质燃烧的主要污染物包括：钾盐、一次有机物和黑碳。透射电镜研究发现，生物质明火燃烧排放的富钾颗粒主要成分为KCl，且与有机物和黑碳内混（图1e）；在闷烧阶段，产生胶状有机物与富钾颗粒混合的内混颗粒（图1f）。在大气传输过程中，KCl可逐渐转化为K2SO4和KNO3，透射电镜可根据形貌、结构和成分确定其老化过程，进而反映其来源和吸湿性。焦油球（tar& nbsp balls）是生物质燃烧排放的一类特殊有机物，具有较强的吸光能力。透射电镜表明焦油球是粒径为30至500& nbsp nm的无定形碳质球形颗粒。X射线能谱显示焦油球的主要成分为碳，并含有少量氧。 /p p style=" text-align:center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 270px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/80fb205b-b987-4d0a-8b69-7afe6f65f24e.jpg" title=" 大气灰霾中不同来源气溶胶单颗粒的电子显微镜研究7.jpg" alt=" 大气灰霾中不同来源气溶胶单颗粒的电子显微镜研究7.jpg" width=" 500" height=" 270" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 4．家用燃煤 /span /strong 。燃煤取暖和烹饪是发展中国家空气污染的又一重要来源。由于燃烧效率较低且缺乏排放控制措施，家用炉灶的排放因子是工业锅炉的一百倍。家用燃煤可排放大量气态污染物（二氧化硫和挥发性有机物）和一次颗粒物（有机物和黑碳）。家用燃煤排放是造成华北严重灰霾事件的重要原因。利用透射电镜可获得不同成熟度煤炭排放的一次颗粒的形貌、成分和混合状态。低成熟度煤明烧状态下主要排放有机物和黑碳内混颗粒（图1g），中等成熟度煤排放大量有机物颗粒（图1h），高成熟度煤排放有机物和硫酸盐混合颗粒（图1i）。另外，透射电镜还发现煤炭燃烧也可排放大量与焦油球相似的球形有机物。 /p p style=" text-align:center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 333px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/e178791a-ff3c-4d6b-b90d-f48a9054eee4.jpg" title=" 大气灰霾中不同来源气溶胶单颗粒的电子显微镜研究9.jpg" alt=" 大气灰霾中不同来源气溶胶单颗粒的电子显微镜研究9.jpg" width=" 500" height=" 333" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 5．矿物颗粒 /span /strong 。矿物颗粒主要来自沙漠、建筑和路边扬尘。扫描电镜和透射电镜均可直观观测到矿物颗粒的不规则形貌（图1j），且大多矿物颗粒的粒径大于2 μm。矿物颗粒的吸湿性对气候和大气环境有重要影响。大气传输过程中，矿物颗粒表面发生非均相反应，改变颗粒成分和形貌，进而改变混合状态和影响云凝结核活性。透射电镜研究发现，矿物颗粒内的碱性成分（例如方解石和白云石）可与污染大气中的酸性气体（例如二氧化硫和氮氧化物）反应，在表面生成CaSO4以及Ca(NO3)2和Mg(NO3)2的亲水包裹层，增强矿物颗粒的吸湿性。长距离传输过程中的老化作用还会降低颗粒pH增加铁的可溶性和生物可利用性。可溶性铁沉降到海洋表面可促进海洋浮游生物的生长，进而影响海洋对碳的吸收，间接影响气候。 /p p style=" text-align:center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 282px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/6e145833-188d-45d4-af38-3ffdcd288d57.jpg" title=" timg.jpg" alt=" timg.jpg" width=" 500" height=" 282" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 6．生物气溶胶 /span /strong 。自然源的生物气溶胶（图1k）普遍存在于地球大气中，其在森林、农村及海洋环境中所占比例较高。扫描电镜和透射电镜可获得各类生物气溶胶的形貌和粒径。 /p p style=" text-align:center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 375px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/9ce845fb-6a49-4565-bb45-0426f24adecf.jpg" title=" 大气灰霾中不同来源气溶胶单颗粒的电子显微镜研究 6.jpg" alt=" 大气灰霾中不同来源气溶胶单颗粒的电子显微镜研究 6.jpg" width=" 500" height=" 375" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 7．海盐气溶胶 /span /strong 。海盐气溶胶来自于海浪中的气泡破裂。利用透射电镜可发现海盐的主要成分为镁盐和钙盐包裹的NaCl（图1l）。SEM-EDS发现海盐颗粒是由NaCl核与C、O和Mg元素包裹层构成。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 目前，扫描电镜和透射电镜现已被广泛应用于各类大气环境中的气溶胶单颗粒研究，例如：城区-北京、济南、吉林、香港、仁川、墨西哥等，背景点-长岛、青藏高原、日本冲绳，高山站点-庐山、泰山，海洋大气-北大西洋、黄海、北冰洋。未来，单颗粒分析方法将应用于更多区域。 /p p style=" text-align:center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/02700f9c-eaba-4981-8ab9-12e040344aff.jpg" title=" 大气灰霾中不同来源气溶胶单颗粒的电子显微镜研究 (3).jpg" alt=" 大气灰霾中不同来源气溶胶单颗粒的电子显微镜研究 (3).jpg" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 图1. 不同来源颗粒的TEM图。工业生产排放的飞灰（a）、富铁（b）和富锌（c）颗粒；（d）柴油机尾气中的黑碳-有机物内混颗粒；（e）玉米秸秆明烧产生的黑碳-有机物-KCl内混颗粒；（f）玉米秸秆闷烧产生的胶状有机物和KCl的内混颗粒；（g）低成熟度煤明烧产生的有机物-黑碳内混颗粒；（h）中等成熟度煤明烧产生的球状有机物颗粒；（i）高成熟度煤明烧产生的有机物-硫酸盐内混颗粒；（j）不规则矿物颗粒；（k）森林区域采集的生物颗粒；（l）海盐颗粒。图表结果来自于参考文献。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 参考文献： /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 1.& nbsp Zhang, J., Liu, L., Xu, L., Lin, Q., Zhao, H., Wang, Z., Guo, S., Hu, M., Liu, D., Shi, Z., Huang, D., and Li, W.: Exploring wintertime regional haze in northeast China: role of coal and biomass burning, Atmos. Chem. Phys., 20, 5355-5372, 10.5194/acp-20-5355-2020, 2020. /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 2.& nbsp Li, W., Liu, L., Xu, L., Zhang, J., Yuan, Q., Ding, X., Hu, W., Fu, P., and Zhang, D.: Overview of primary biological aerosol particles from a Chinese boreal forest: Insight into morphology, size, and mixing state at microscopic scale, Science of The Total Environment, 719, 137520, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.137520, 2020. /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 3.& nbsp Yuan, Q., Xu, J., Wang, Y., Zhang, X., Pang, Y., Liu, L., Bi, L., Kang, S., and Li, W.: Mixing State and Fractal Dimension of Soot Particles at a Remote Site in the Southeastern Tibetan Plateau, Environmental Science & amp Technology, 53, 8227-8234, 10.1021/acs.est.9b01917, 2019. /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 4.& nbsp Zhang, Y., Yuan, Q., Huang, D., Kong, S., Zhang, J., Wang, X., Lu, C., Shi, Z., Zhang, X., Sun, Y., Wang, Z., Shao, L., Zhu, J., and Li, W.: Direct Observations of Fine Primary Particles From Residential Coal Burning: Insights Into Their Morphology, Composition, and Hygroscopicity, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 123, 12,964-912,979, doi:10.1029/2018JD028988, 2018. /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 5.& nbsp Liu, L., Kong, S., Zhang, Y., Wang, Y., Xu, L., Yan, Q., Lingaswamy, A. P., Shi, Z., Lv, S., Niu, H., Shao, L., Hu, M., Zhang, D., Chen, J., Zhang, X., and Li, W.: Morphology, composition, and mixing state of primary particles from combustion sources — crop residue, wood, and solid waste, Scientific Reports, 7, 5047, 10.1038/s41598-017-05357-2, 2017. /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 6.& nbsp Li, W., Xu, L., Liu, X., Zhang, J., Lin, Y., Yao, X., Gao, H., Zhang, D., Chen, J., Wang, W., Harrison, R. M., Zhang, X., Shao, L., Fu, P., Nenes, A., and Shi, Z.: Air pollution–aerosol interactions produce more bioavailable iron for ocean ecosystems, Sci. Adv., 3, e1601749, 2017. /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 7.& nbsp Li, W., Shao, L., Zhang, D., Ro, C.-U., Hu, M., Bi, X., Geng, H., Matsuki, A., Niu, H., and Chen, J.: A review of single aerosol particle studies in the atmosphere of East Asia: morphology, mixing state, source, and heterogeneous reactions, J. Clean. Prod., 112, Part 2, 1330-1349, 2016. /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 8.& nbsp Chi, J. W., Li, W. J., Zhang, D. Z., Zhang, J. C., Lin, Y. T., Shen, X. J., Sun, J. Y., Chen, J. M., Zhang, X. Y., Zhang, Y. M., and Wang, W. X.: Sea salt aerosols as a reactive surface for inorganic and organic acidic gases in the Arctic troposphere, Atmos. Chem. Phys., 15, 11341-11353, 2015. /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 作者简介： /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% float: left " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/5ef00299-b5e7-46ff-ab5f-212e9a8e68f6.jpg" title=" 大气灰霾中不同来源气溶胶单颗粒的电子显微镜研究.jpg" alt=" 大气灰霾中不同来源气溶胶单颗粒的电子显微镜研究.jpg" / 李卫军，浙江大学地球科学学院大气科学系研究员，国家优秀青年基金、中国化学学会环境化学青年科学奖和山东省杰青获得者。他主要应用透射电镜、扫描电镜和纳米二次离子质谱等手段研究我国大气雾-霾及沙尘暴期间大气气溶胶颗粒物，从微观角度揭示颗粒物表面及内部的物理化学特性。近年来促进了大气环境化学和地球科学的研究融合，已获仪器发明专利共5项，其中1项产业化。以第一作者或通讯发表成果在Science Advances, ES& amp T, JGR, ACP等大气相关领域的杂志上共40余篇，出版专著1部。 /p

纳米材料，这一看似离我们很遥远的微小粒子，其实已经出现在我们生活中的方方面面。例如具有广泛杀菌功效的纳米银在医疗卫生、医疗器械、纺织、涂料、日用品等方面有着广泛应用。在给我们生活带来便利的同时，纳米科技可能也是一柄双刃剑，对人类健康和环境存在危害的可能。 目前应用较为广泛的纳米材料多为金属、金属氧化物、以及纳米碳材料。大量的使用必将引起环境中的排放量日益增长，可能会对生态和环境造成破坏。 岛津ICPMS-2030能够对样品中的纳米粒子的成分、粒径大小及颗粒浓度进行分析，助您一探究竟！ 仪器配置岛津电感耦合等离子体质谱仪ICPMS-2030系列 单纳米颗粒分析原理样品中的悬浮颗粒在进入ICP离子源时是不连续的，中间会有短暂的间隔，因此每个颗粒产生的离子云也是不连续的。当检测器高速采集数据时颗粒则会产生一个个不连续的脉冲信号。颗粒数量越多，则信号数量越多；颗粒越大，对应的信号强度则越高。对所测得的颗粒信号进行计算和统计，既能得到样品中颗粒的粒径信息。图1. 单纳米颗粒分析流程 样品前处理所有的纳米颗粒标品及试样通过超纯水进行稀释，稀释定容后超声分散20 min后马上进ICP-MS于时间分辨模式下采集信号。 样品分析 使用已知浓度的40 nmAuNPs（金纳米粒子）样品引入到ICPMS-2030中测试单颗粒信号。统计单位时间内测得的信号个数，并计算引入到仪器中的粒子总数。建立颗粒数量浓度同信号个数线性关系能够实现对未知样品中颗粒数量的测定。 表1纳米粒子信号-浓度计统计结果对地表水样品进行加标测试，向地表水中加入20 nm，40 nm，80 nm AuNPs分散液以及40、80 nm AuNPs分散液混合后进行ICPMS-2030测试，绘制样品粒径分布图。 图2.地表水样中不同粒径金纳米粒子（AuNPs）ICPMS粒径测试分布 结 论 使用岛津ICPMS-2030分析测定了地表水中金纳米粒子（AuNPs），具有灵敏度高，前处理简便等特点，能够快速得到样品中纳米材料元素构成，颗粒大小以及颗粒浓度等信息，为纳米材料的分析提供了一个新的思路。 撰稿人：刘子辉

p 　　记者从中国科学技术大学获悉，该校工程科学学院微纳米工程实验室在单颗粒或细胞捕获研究领域取得重要进展。他们提出使用实时飞秒激光双光子光刻技术，成功实现了单颗粒或细胞的捕获，该技术还可以实现可控多颗粒或细胞团簇的实时捕获，用于细胞通讯或颗粒之间的相互作用研究，有望极大地推动细胞捕获研究领域的发展。研究成果日前发表在微流控领域国际期刊《芯片实验室》上，并被选为封面，同时被《自然· 光子学》刊发。 /p p 　　在单细胞分析研究中，捕获目标细胞是实现单细胞分析的第一步。微流控芯片具有传统实验方法所不具备的一些优点，已经被广泛研究并应用于单细胞捕获领域中。其中，基于微流控的捕获阵列方法是实现细胞或者颗粒捕获分离最简单、最常用的方法。然而，目前的微捕获阵列面临着几个难题：首先是极低的捕获效率(低于10%)；其次是无法实现针对目标结构尺寸和几何结构的实时可调控性 再者，同时捕获可控的颗粒团簇很难实现。 /p p 　　研究团队首先设计制造了一定高度的微流控芯片，向芯片中通入包含有目标微颗粒或细胞的光刻胶或水凝胶 通过图像实时观测筛选目标颗粒，然后快速控制液体停流；使用飞秒激光在目标颗粒或细胞周围加工微柱阵列；最后洗掉光刻胶或水凝胶，得到目标结构用于后续单细胞分析。单细胞或颗粒的捕获效率接近100%，且捕获目标的几何尺寸和形状实时可调，另外还可以实现可控数目的颗粒团簇的捕获。 /p p br/ /p

炎炎夏日，酷暑难当，出门在外， 最需要注意的就是防晒。其中最常用的就是方式就是涂防晒霜。防晒霜为什么能防晒？里面有哪些高科技？请跟随我们一起了解下。日光中含有紫外线，按照波长的不同，紫外线分为四类：01 UVA：波长320～400nm，这是紫外线中波长最长的一种紫外线，具有非常强的穿透力，可以穿透真皮层，能够深入皮肤，加速黑色素的合成，使皮肤变黑，并且会使皮肤中的胶原蛋白受损从而加速皮肤的老化，所以UVA会造成皮肤老化和变黑，这种作用虽然进展缓慢却是不可逆转的，而且这种紫外线无法被臭氧层吸收。02 UVB：波长275～320nm，大部分可以被臭氧层吸收，也可被玻璃、遮阳伞、衣服等阻隔。虽然如此，剩余的紫外线可到达真皮层，导致皮肤日光灼伤，红斑、晒黑等现象，UVB对皮肤作用迅速，是皮肤晒伤的根源。03 UVC：波长200～275nm，只到皮肤的角质层，且绝大部分被大气阻留，所以不会对人体皮肤产生很大的危害。04 UVD：波长100~200nm。又称真空紫外，无法穿过臭氧层。所以，防晒产品的目的是减少UVA和UVB照射到皮肤，按照作用原理的不同，分为物理性防晒剂和化学性防晒剂。物理性防晒主要使用纳米级TiO2。纳米级TiO2的抗紫外线能力及其机理与其粒径有关：当粒径较大时，对紫外线的阻隔是以反射、散射为主，且对UVA和UVB紫外线均有效，但防晒能力较弱。随着粒径的减小，对UVB紫外线的吸收性明显增强，对UVA的阻隔以散射为主。最近随着对环境的更加关注，防晒产品中的纳米颗粒对环境的影响引起了人们的重视，TiO2颗粒集中在水环境中，对鱼类和其他生物有害。因此，了解防晒产品中TiO2的粒径和数量，对评估其防紫外线性能和对环境的潜在危害，都非常有意义。长期以来，纳米粒子的粒度表征方法主要有场流分级法（FFF），动态光散射法，和显微镜等。最近，单颗粒-电感耦合等离子体质谱法（SP-ICP-MS）作为一种能同时测量和表征纳米粒子的方法越来越受到重视，其优势在于更快的分析速度和更详尽的分析结果。本次实验中，我们使用SP-ICP-MS技术，分析不同防晒产品中的纳米级TiO2的颗粒浓度和粒径分布。样品及前处理防晒霜样品购自本地一家商店。对于每个防晒霜样品，称取15mL加入到50mL的容器中，混合3分钟形成均匀的样品。称取均匀的样品0.2克，加入1%的Triton-X溶液200mL，超声至无明显聚状物（5-10分钟）。超声处理后，用去离子水稀释至100,000–200,000颗粒/毫升。仪器条件所有的分析都在PerkinElmer NexION 350D ICP-MS上使用Syngistix Nano应用软件模块进行，下标分别为仪器设置和方法参数。实验结果在不含TiO2颗粒防晒乳液中添加了浓度为6.65μg/L的40nm TiO2颗粒，产生的信号下图所示。由于每个峰代表一个粒子，显而易见的TiO2粒子可以很容易地在防晒霜基质中检出。软件可以将这些脉冲信号换算成颗粒的粒径，下图是这个样品中TiO2粒径分布信息。下图为标签TiO2含量浓度为5.1%的样品，稀释20000倍后测试的粒径分布结果。下表分别为实验中5个防晒霜样品的标签信息和SP-ICP-MS测试的TiO2纳米颗粒粒径和数量信息。其中3号样品没有检出TiO2纳米颗粒，同其标签信息一致。结论利用NexION系列ICP-MS和Syngistix Nano应用软件模块，使用本实验的测试方法，可以简便快速测定防晒产品中的TiO2纳米颗粒含量和粒径分布。了解更多应用资料和产品信息，扫描下方二维码，下载珀金埃尔默单颗粒-电感耦合等离子体质谱法测定防晒霜中二氧化钛纳米粒子相关资料。

仪器信息网讯 7月30日，2010年全国质谱大会暨第三届华人质谱大会在长春国际会展中心盛大开幕，广州禾信分析仪器有限公司在会议期间向与会者介绍了最新推出的“移动式实时在线单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(Single Partical Aerosol Mass Spectrometer)SPAMS 05-- 系列”。其中SPAMS0515可实现单颗粒气溶胶粒径和化学成分同时检测；升级的SPAM0516除具有SPAMS0515功能外还可实现颗粒光学特性同步测定。 SPAMS 05-- 系列 　　SPAMS05 系列，采用空气动力学透镜、双光束粒径测量系统、激光电离系统及双极有网反射飞行时间质量分析器，融合国际上气溶胶真空采集、质谱分析检测的最新技术以及气溶胶光学特性和密度测量技术，是当前国内最复杂的商品化质谱仪器，国外同类进口产品售价在400万元左右。 　　SPAMS05--系列的实时在线检测技术克服传统离线分析采样时间长、样品在采集、贮存和运输过程中可能发生如挥发、结晶、气-粒转化等反应的缺点，还原气溶胶单颗粒的真实状况，可灵活转场满足跨地区实验要求，为研究人员提供真实可靠的实时颗粒信息。广泛应用于大气环境监测、工业过程监测以及全球气候变化、大气化学、气溶胶药物-释放、吸入毒理学等研究领域，是功能强大而精准的新型分析测试工具。 　　SPAMS05--系列移动式实时在线单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪，可根据用户的工作环境和研究要求定制或改制仪器、达到最优的检测效果。领先的质谱原创团队为用户量身定做最优的检测方案以及提供强大的技术支持。 　　关于广州禾信分析仪器有限公司　　 　　广州禾信分析仪器有限公司——坚持“做中国人自己的质谱仪”，是一家专门从事质谱类仪器研发、生产、销售及服务的高新技术企业。拥有自主知识产权的飞行时间、四级杆质谱及多种离子源核心技术。产品包括：工业在线气体检测系列、大气气溶胶在线分析SPAMS05--系列、500-10000分辨率飞行时间质谱检测器系列、四级杆检测器系列、离子源、高速数据采集卡、高精密电源等，同时为用户提供个性化服务，提供各种高端专用质谱仪器的定制服务。 　　公司地址：广州科学城开源大道11号A3栋第三层 　　电话：020-82071906(直线) 82071911、82071902(总机)—8017 　　传真：020-82071902 　　邮编：510530 　　网址：www.tofms.net 　　邮箱：hexintofms@163.com

项目编号：2051-224211040082/ 2022-0082-mg项目名称：单颗粒飞行时间质谱分析系统预算金额：320.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：320.0000000 万元（人民币）采购需求：序号/ No.货物名称Name of the goods数量/Quantity简要技术规格/Main Technical Data1单颗粒飞行时间质谱分析系统Single Particle Time-of-Flight Mass Spectrometry System11、 ICP-TOF-MS主机1套；2、预装软件的计算机工作站1台，显示器2台；如主机是进口设备，计算机工作站需与主机同时进口办理免税。3、冷却循环水装置 1套；4、单颗粒样品引入系统 合同履行期限：合同签订后至履行完成合同约定的全部工作本项目( 不接受 )联合体投标。

项目编号：2051-224211040082/ 2022-0082-mg项目名称：单颗粒飞行时间质谱分析系统预算金额：320.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：320.0000000 万元（人民币）采购需求：序号/ No.货物名称Name of the goods数量/Quantity简要技术规格/Main Technical Data1单颗粒飞行时间质谱分析系统Single Particle Time-of-Flight Mass Spectrometry System11、 ICP-TOF-MS主机1套；2、预装软件的计算机工作站1台，显示器2台；如主机是进口设备，计算机工作站需与主机同时进口办理免税。3、冷却循环水装置 1套；4、单颗粒样品引入系统 合同履行期限：合同签订后至履行完成合同约定的全部工作内容。本项目( 不接受 )联合体投标。

p 　　“为你我用了半年的积蓄，漂洋过海的来看你，为了这次相聚，我连见面时的呼吸都曾反复练习”，全体禾信人开怀高唱，因为这首描述爱情的歌曲吐露出了埋藏在禾信人心底多年的情愫，禾信人自主研发的质谱仪叩开了冰冷神秘的北极冰川。 /p p 　　2017年7月20日，清晨的一缕阳光温柔的撒在上海极地考察国内基地码头。雪龙号极地考察船将从这里鸣笛启航，前往北极执行为期83天的科学考察任务，这是我国首次执行北极业务化观测任务。 /p p style=" text-align: center " img width=" 450" height=" 300" title=" 1.jpg" style=" width: 450px height: 300px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/5200d22e-2a8b-452a-8b5d-c42c6b51099c.jpg" border=" 0" vspace=" 0" hspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong SPAMS吊装及现场安装图 /strong /p p 　　此次北极科考活动，中国海洋局第三海洋研究所联合广州禾信仪器股份有限公司、暨南大学、中科院大气物理研究所等五家单位，利用禾信公司自主研发的单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)开展气溶胶与生源气体走航联合观测，重点针对极区黑碳气溶胶、同位素、单颗粒气溶胶混合状态、二次有机气溶胶的时空分布、组成和来源等开展科学研究。 /p p 　　雪龙号极地考察船简称& quot 雪龙& quot 号，是中国第三代极地破冰船和科学考察船，是中国最大的极地考察船，也是中国唯一能在极地破冰前行的船只，已先后31次赴南极、6次赴北极执行科学考察与补给运输任务，足迹遍布五大洋，创下了中国航海史上多项新纪录。 /p p 　　为了此次单颗粒气溶胶质谱仪能够飘洋过海到北极，禾信人倾注了多年的心血。面对高湿度、高盐度、大角度颠簸等恶劣工作环境的挑战，如何保证单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)能稳定工作 面对北极地区极低的颗粒物浓度，如何保证SPAMS能采集到有效的数据，这些都是摆在禾信人面前的难题。基于SPAMS在东方红2号、向阳红3号科考船上的经验积累，禾信的技术团队又进行了多次的技术改革、模拟测试，保证SPAMS此次北极科考的顺利进行。 /p p 　　让我们共同期待雪龙号10月10日的凯旋，期待SPAMS又将完成一次里程碑式的监测。 /p p & nbsp /p

近日，华东师范大学发布单颗粒飞行时间质谱仪设备采购项目成交公告，TOFWERK的 icp TOF R 以319.9万元中标。项目编号：2051-224211040082/ 2022-0082-mg（招标文件编号：2022-0082-mg-1）项目名称：单颗粒飞行时间质谱分析系统中标（成交）信息供应商名称：上海凯来仪器有限公司供应商地址：上海市浦东新区海基六路218弄11号5楼中标（成交）金额：319.9000000（万元）主要标的信息：序号 供应商名称 货物名称 货物品牌 货物型号 货物数量 货物单价(元) 1 上海凯来仪器有限公司 单颗粒飞行时间质谱分析系统 TOFWERK AG/瑞士 icp TOF R 1套 3199000元

在使用电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）进行分析之前，对含有颗粒状残留物的液体样品进行适当的酸消解仍是标准前处理步骤。采用此类或类似样品前处理后，所记录的ICP-MS数据也跟整体粒子数量以及种类连在一起，对需要分析要求更加精细的应用不完全满足需求。2003年，Degueldre首次证明了ICP-MS质谱法可以定量检测单个颗粒物，并引入了单颗粒物（single particle-sp）ICP-MS质谱分析的概念[1]。spICP-MS质谱分析法可以测量单个颗粒内含所有元素的质量以及总颗粒物数浓度，并且提供比其他分析技术好得多的检测极限（单颗粒物ICP-MS质谱仪是如何工作的？单颗粒物ICP-MS质谱分析具有以下两个主要要求： 样品中的颗粒物数浓度非常低，以降低将多个颗粒物同时引入ICP-MS质谱仪的可能性 质谱质量分析仪以不到2毫秒的驻留/积累时间不间断运行，以观察持续的单颗粒物事件在实践中，我们可以将任何液体样品导入ICP质谱系统，当中一些液体样品在颗粒物传输和电离方面比其他相对更加高效。取决于采用ICP质谱仪的硬件配置，颗粒物悬浮液通常被稀释到10万-100万个颗粒物/毫升的浓度。当液体样品中的颗粒物数量足够少时，单位时间将只有一个颗粒物进入ICP系统。进入等离子系统，颗粒物将被气化、雾化和电离，形成元素离子。所生成的离子将通过多级差分压强接口从前端ICP系统导向下游质量分析仪，该减压接口用于调节ICP大气压进样口与低压（如10-6毫巴）质量分析仪之间的压力差。逐步减压过程中，系统内置离子光学元件将离子最大效率地传输到质量分析仪。质量分析仪利用电场和/或磁场在离子撞击检测器之前根据其质荷比（m/Q）对元素离子（同位素，或氧化物等）进行有效分离。所生成的质谱图显示在每个质荷比下记录的离子数量。质荷比可用于定性元素（或干扰物）类别，而信号强度则用来定量元素浓度。经ICP源后单颗粒物离子事件产生非常快速的瞬态信号（信号尖状突起），总持续时间一般只有几分之一毫秒。因此，质量分析仪的响应速度需要适配或者更快，从而完整的记录多种离子信号。如前所述，扫描型质量分析仪通常仅针对一种或两种元素，而TOF质量分析仪则能够瞬时记录单颗粒对应的整张质谱（所有质荷比），同时也包含了元素同位素和可能的氧化杂质信息。对于所记录的任何元素（基于质荷比），在瞬态单颗粒物事件持续时间内观察到的总离子信号与单颗粒物中该元素的质量成正比。ICP-MS质谱仪检测到的单颗粒物事件（瞬态信号尖峰）频率则与引入液体样品中的颗粒物数浓度成正比。值得注意的是，不包含信号尖峰的连续平滑信号区域（类似于信号时序图中的背景信号）则代表溶解在液体样品中的相应浓度信息。 为确保所记录的质谱数据包含，且只包含来自单个颗粒物的信号，质量分析仪必须以较快的数据采集效率运行[5]。随着数据采集所需时间的增加，包含两个或多个连续颗粒物信号的事件数量将会相应增加，这会导致后续结果的分析和解读产生偏差。此外，通过在高瞬时分辨率下采集数据，还可以提高信噪比（SNR）：与粒子共同单位时间内噪声（对应无颗粒物事件）越少，谱图信噪比将越高，空间检测限则越好。使用spICP-MS质谱仪可实现的空间检测限与特定的元素和其同位素相关，通常在10纳米至数百纳米范围内。无论是将所记录的信号强度转换为元素质量，还是将颗粒物事件频率转换为粒子数浓度，均需要对仪器进行适当的校准。通常，基于参考颗粒物进行校准是最直接的方式，但由于缺乏这些标准颗粒物，这种方式并不直接适用。因此，Pace等 [6]提出了一种替代校准程序，即使用元素标准溶液，同时利用标准程序确定颗粒物传输效率和检测效率。许多分析实验室都在使用这种方法，但其他不同的校准概念在相关文献中也有报道 [7]。超纯水是与ICP-MS质谱仪最兼容的单颗粒物分析溶剂，提供最佳的检测限，但其并不适用于所有系统。此外，在适当样品稀释或颗粒物提取成后，也可以在更复杂的样品基质中进行单颗粒物分析[8],[9]。单颗粒物多元素ICP-MS质谱仪使用由四极杆或扇形场质量分析仪为主的ICP-MS系统进行单颗粒物分析仅限于信息相对简单的样品（比如单元素金属或个别氧化物粒子），因为这类质量分析仪只能在瞬时单颗粒物事件持续时长内记录一种或两种元素信号。相比之下，飞行时间质量分析仪（比如TOFWERK icpTOF系统）则可以记录每个单颗粒物内所有元素及其同位素信号。因此，除了报告元素质量和数量浓度外，基于飞行时间（TOF）的质谱仪还可以精准表征粒子的多元素组分，排除可能的杂质干扰。这种独特的功能对于快速增长的复合纳米粒子分析应用潜力巨大。此外，初始的简单粒子在暴露于复杂环境后经常会发生组分变化，这也使它们的特性和相互作用途径发生变化。单颗粒物多元素ICP-MS系统可以提供有效的方法用于研究这些过程。随着纳米颗粒物在日常产品应用范围和生产规模的持续增加，人们越来越担心其对环境和生命系统（包括人类）可能造成的潜在负面影响。与类似的天然源颗粒物相比，释放到环境中的工程纳米材料的浓度仍然非常低。有效检测出这些人造颗粒物对预测其未来对环境和生命系统的影响至关重要。可以想象，要在复杂的环境背景中准确识别出低浓度颗粒物非常具有挑战性。最近，相关研究人员提出使用多元素spICP-MS质谱分析法对单颗粒物进行指纹识别，提供了解决该问题的一种可能解决方法。举例来说，业界已成功运用该方法在含有天然铈粒子的复杂背景下追踪土壤中的二氧化铈（CeO2）工程纳米颗粒物[2]。延伸阅读1. Degueldre, C. and P.Y. Favarger, Colloid analysis by single particle inductivelycoupled plasma-mass spectroscopy: a feasibility study. Colloids Surf., A, 2003. 217(1-3): p. 137-142.2. Praetorius, A., et al., Single-particle multi-element fingerprinting (spMEF) using inductively-coupled plasma time-of-flight mass spectrometry (ICP-TOFMS) to identify engineered nanoparticles against the elevated natural background in soils. Environ. Sci.: Nano, 2017. 4(2): p. 307-314.3. Scanlan, L.D., et al., Silver Nanowire Exposure Results in Internalization and Toxicity to Daphnia magna. ACS Nano, 2013. 7(12): p. 10681-10694.4. Suzuki, Y., et al., Real-time monitoring and determination of Pb in a singleairborne nanoparticle. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2010. 25(7): p. 947-949.5. Hineman, A. and C. Stephan, Effect of dwell time on single particle inductively coupled plasma mass spectrometry data acquisition quality. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2014. 29(7): p. 1252-1257.6. Pace, H.E., et al., Determining Transport Efficiency for the Purpose of Counting and Sizing Nanoparticles via Single Particle Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry. Analytical Chemistry, 2011. 83(24): p. 9361-9369.7. Gschwind, S., et al., Capabilities of inductively coupled plasma mass spectrometry for the detection of nanoparticles carried by monodisperse microdroplets. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2011. 26(6): p. 1166-1174.8. Peters, R.B., et al., Development and validation of single particle ICP-MS for sizing and quantitative determination of nano-silver in chicken meat. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2014. 406(16): p. 3875-3885.9. Mitrano, D.M., et al., Detecting nanoparticulate silver using single-particle inductively coupled plasma-mass spectrometry. Environmental Toxicology and Chemistry, 2012. 31(1): p. 115-121.

纳米尺度物体的可视化检测在纳米材料表征、自组装、化学合成和生物医学诊断等领域具有重要应用价值。常规的荧光显微技术虽然能够实现分子水平检测，但需要荧光探针标记，且存在光漂白等问题。 在科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、北京市科委和北京分子科学国家研究中心的支持下，化学研究所绿色印刷院重点实验室宋延林课题组近年来围绕纳米绿色印刷技术制备了多维度纳米光子结构，并对其生物检测应用开展了系统研究，实现了无标记、超灵敏地定量检测。研究发现，当病原体特异性地结合在纳米光子结构上时，会产生散射共振增强作用，显著改变散射光的颜色，可以在10分钟内实现快速检测。不仅如此，纳米光子结构的光学信号可对0 到 1.0 x 105 PFU mL-1 范围内的病原体进行实时响应，检测限降低到 ~1 PFU μL-1。该方法无需荧光标记，也不需要昂贵的实验仪器和专业的技术人员，为发展简便的高灵敏光学生物检测平台提供了新的思路（Chem. Rev. 2022, 122, 5, 5144–5164 Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 24234；Adv. Mater. Interfaces 2022, 2102164）。 最近，宋延林研究团队基于纳米印刷技术发展了一种快速、无标记、可便携的单纳米颗粒可视化检测方法(图1)。印刷制备的一维纳米结构在可见光区域具有独特的光学共振特性。研究发现，当一维纳米结构的尺寸大于临界值时，散射和衍射信号均出现在可见光区域，能够显著放大纳米尺度物体的光学信号，突破传统的光学衍射极限。基于此，利用普通的光学显微镜甚至手机可以直接观察到单个小至50 nm的物体或缺陷，实现了光学可视化检测多种纳米结构。进而在一维纳米结构表面修饰特异性抗体，实现了实时检测、计数测量生物体液环境中的单个病原体颗粒。与已经报道的纳米尺度光学检测方法相比，该方法操作简单、成本低、可便携，且广泛适用于不同纳米材料和结构，在自组装、微流控监测、集成光子和生物传感等领域具有广泛的应用前景。相关成果近日发表于Matter期刊（https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.03.013），论文第一作者是张泽英和赵茂雄，通讯作者是宋延林研究员和苏萌副研究员。 图1 基于印刷一维纳米结构实现单纳米颗粒的可视化检测

近日，中科院合肥物质院健康所杨良保研究员课题组在单颗粒纳米腔中最终近场增强极限的探测方面取得进展，相关成果发表在国际顶级期刊Nano Letters上，并且被选为当期正封面(图1)。 　　杨良保研究员团队一直从事表面增强拉曼光谱(SERS)检测方法的研究，取得了一系列研究成果。由于SERS检测技术强烈依赖于等离子体场强，在不断创新和发展SERS检测技术过程中，发现纳米尺度下的近场强度分布不均 (Siyu Chen, Liangbao Yang et. al., J. Am. Chem. Soc., 2022, 144,29,13174-13183)。在此研究基础上，团队一直在追求追求使用相邻金属纳米间隙来实现更大的电磁增强，以促进光与物质的相互作用。但纳米间隙的减小会造成量子隧穿效应的出现，这对于 SERS 检测来说是很不利的。因此，对主动控制电子隧穿量子效应的研究非常必要的。 　　鉴于此，杨良保课题组利用单层h-BN形成的高隧穿势垒主动阻断电子隧穿效应，通过探测单颗粒纳米腔中h-BN本征SERS强度定量探测经典框架内最终的近场增强极限(图2左)。该研究通过热电子隧穿量子计算以及层数依赖的散射光谱实验等，均证明了单层h-BN阻挡了电子隧穿。研究通过SEM-SERS同区域成像获得的最大SERS增强因子，将这些实验结果与经典电磁模型与量子校正模型获得的计算结果进行比较，发现了经典电磁模型确实较好地符合实验数据，实现了经典框架内最终的近场增强极限的探测(图2右)。该工作有助于进一步剖析等离子体增强中的量子力学效应等，为量子等离子体学和纳米隙光动力学提供了重要指导。 　　该工作的第一作者为健康所2019级博士生陈思雨。该项研究受到中国科学院科研仪器装备开发项目、国家自然科学基金、安徽省自然科学研究项目等资助。图1 Nano letters的正封面图2 (左) 设计了一个独特的纳米腔，用单层 h-BN 作为电子隧穿屏障和 SERS 探针，在埃级尺寸的间隙内，通过 h-BN 本征 SERS 强度探测纳米腔中最终近场增强极限 (右) 实验测量和模拟的体平均 SERS增强因子随间隙大小 (h-BN层数)的变化。