重要进展

为展示我国重要医学科技成果，弘扬科学精神，普及科学知识，引导我国医学科技创新的方向，2022年4月17日，中国医学科学院在中国医学发展大会上发布了《中国21世纪重要医学成就》和《中国2021年度重要医学进展》。《中国21世纪重要医学成就》聚焦我国自2000年以来具有显著科学价值、技术价值、经济价值、社会价值、文化价值（以下简称“五元价值”）且同行高度认可的重要医学与卫生成果。在遴选程序上，首先由中国医学科学院学术咨询委员会学部委员（以下简称“学部委员”）、领域专家、学术组织、学术期刊、公众等多渠道推荐，再由医学信息学研究团队逐项进行支撑材料的补充完善，并基于五元价值对每项成就进行多维量化分析。经同行评议、学部委员推荐、审核委员会审核、中国医学科学院学术咨询执行委员会（以下简称“执委会”）审定，最终产生“朗格汉斯细胞生物学功能基础研究与临床转化”“中国血液净化医疗质量管理与控制体系的创建、实施与引领”“脊柱畸形的分子遗传学研究及临床应用”“首次揭示人类生殖细胞与胚胎发育过程的遗传和表观遗传调控规律，诞生世界首例高通量测序单基因遗传病和染色体异常筛查试管婴儿”4项重要医学成就，由王志珍学部委员予以发布。《中国2021年度重要医学进展》聚焦该年度产生的具有一定学术影响力、社会影响力和促进学科发展、改进“促防诊控治康”实践、推动健康产业进步潜力的医学科技进展，遴选采取“多元化计量指标”与“多主体研判”相结合的分类评价方式，无偏倚纳入多源数据，包括我国研究者在2021年度发表的医学研究论文、获授权的国际专利、获批上市的国产药物产品、批准注册的国产创新医疗器械产品，收集总计多达27.6万余条数据作为遴选基础数据。研究团队进行量化分析、专家评价和综合研判，形成77个备选项，经学部委员推荐、审核委员会审核、执委会审定，最终产生31项年度重要进展。学部委员樊嘉、张志愿、林东昕、丛斌、沈洪兵、骆清铭分别代表中国医学科学院学术咨询委员会临床医学部、口腔学部、基础医学与生物学部、药学部、卫生健康与环境学部和生物医学工程与信息学部予以发布。中国医学科学院副院长、中国医学科学院学术咨询执行委员会秘书长王健伟就《中国21世纪重要医学成就》和《中国2021年度重要医学进展》遴选的目的、标准、方法及程序在中国医学发展大会上作了详备的说明。中国医学科学院认真贯彻新发展理念，积极推进国家医学科技创新体系建设，积极探索科技评价新模式，把每年研究发布《中国21世纪重要医学成就》和《中国年度重要医学进展》作为发挥高端智库作用的一项重要举措，期望与全国同道一起推动我国医学领域高水平创新发展。注：“促防诊控治康”是健康促进，疾病预防、诊断、控制、治疗、康复的简称，包括了实行全面健康照护的六个方面。(按第一完成人姓氏拼音排序)成就1：朗格汉斯细胞生物学功能基础研究与临床转化国际上首次发现朗格汉斯细胞是重要的免疫细胞；系统研究了朗格汉斯细胞的来源、分布、转换、抗原表型、免疫功能和病理生理功能等；发明设计了可控波红外线皮肤病温热治疗设备，提出创新临床干预治疗方案“3+2温热疗法”。主要完成单位：中国医科大学附属第一医院。主要完成人：陈洪铎、高兴华、齐瑞群，等。推荐理由:该研究成果显著地推动了免疫生物学的发展，为器官移植、感染性皮肤病的治疗提供了理论基础，是免疫学领域的重要突破，为肿瘤和病毒感染性疾病的治疗开辟了新方向。发明医疗设备及创新的治疗方案，成功治愈了多种顽固性病毒感染性疾病，具有极高的临床价值及广泛的社会意义。成就2：中国血液净化医疗质量管理与控制体系的创建、实施与引领首创血液净化诊疗技术与医疗质量控制相结合的三级管理实时在线血液净化病例信息登记系统，制定中国首部《血液净化标准操作规程》以及多项血液净化新冠肺炎防控指导建议，显著提高中国血液净化诊疗和医疗质量控制水平。主要完成单位：中国人民解放军总医院。主要完成人：陈香美、蔡广研、孙雪峰、周建辉、曹雪莹、赵德龙、李平，等。推荐理由:创建中国血液净化医疗质量管理体系，制定国家血液净化行业规范，引领并实施中国血液净化医疗质量控制，推进中国血液净化创新发展，达到国际领先水平。成就3：脊柱畸形的分子遗传学研究及临床应用牵头建立了“系统解析脊柱畸形及相关合并症”研究协作组，构建我国首个国际领先骨骼畸形遗传研究体系，揭示了先天性脊柱侧凸最重要的遗传学病因，定义了一种全新的先天性脊柱侧凸疾病亚型，被称为“中国模型”。主要完成单位：中国医学科学院北京协和医院、复旦大学。主要完成人：邱贵兴、吴南、吴志宏、仉建国、张锋，等。推荐理由:实现中国脊柱侧凸患者的“早筛”、“早诊”，标志着从分子遗传学研究走入临床应用的国内首个骨骼畸形遗传咨询门诊模式的成功落地，显著促进了我国脊柱畸形筛查、预防、诊断及治疗的标准化、均质化。成就4：首次揭示人类生殖细胞与胚胎发育过程的遗传和表观遗传调控规律，诞生世界首例高通量测序单基因遗传病和染色体异常筛查试管婴儿揭示人类生殖发育过程中基因表达与表观遗传学调控机制，完整绘制了人类生殖细胞及早期胚胎的高精度单细胞转录组图谱；通过“单细胞基因组扩增”技术，在国际上率先完成了人类单个卵细胞的高精度全基因组测序；成功诞生世界首例高通量测序单基因遗传病和染色体异常筛查试管婴儿。主要完成单位：北京大学第三医院、北京大学生命科学学院生物医学前沿创新中心。主要完成人：乔杰、汤富酬、谢晓亮，等。推荐理由:研究团队多年致力于揭示人类发育过程中基因表达与表观遗传学调控机制，创新研发全基因组扩增技术，提高疑难不孕患者的治疗成功率，攻克“出生缺陷”重大生殖健康难题，使我国胚胎着床前遗传诊断技术达到世界领先水平，大力推动了我国优生优育，为改善女性生育力、防治遗传性出生缺陷以及我国生殖健康科研事业发展均做出重要贡献。临床医学领域（7项）进展1：确立老年高血压患者降压控制目标主要完成单位：中国医学科学院阜外医院等。主要完成人：蔡军、张伟丽、张舒媛、邓越、吴寿岭、任洁、孙刚、杨金凤、姜一农、徐新娟、王宗道、陈有仁，等。主要呈现形式：论文:Trial of intensive blood-pressure control in older patients with hypertension. The New England Journal of Medicine. 2021 385(14): 1268-1279.进展2：发现新冠肺炎康复者远期临床结局及危险因素主要完成单位：中日友好医院、武汉金银潭医院、中国医学科学院病原生物学研究所等。主要完成人：曹彬、王健伟、张定宇、王先广、黄朝林、黄立学、王业明、任丽丽、李霞、谷晓颖、康亮、郭丽、刘敏；姚群、王琼娅、胡萍，等。主要呈现形式：论文:（1）6-month consequences of COVID-19 in patients discharged from hospital: a cohort study. The Lancet. 2021 397: 220–232；（2）1-year outcomes in hospital survivors with COVID-19: a longitudinal cohort study. The Lancet. 2021 398: 747-758.进展3：发现PD-1抗体联合化疗可显著延长晚期食管鳞癌患者的生存时间主要完成单位：中山大学肿瘤防治中心等。主要完成人：徐瑞华、骆卉妍，等。主要呈现形式：论文：Effect of Camrelizumab vs Placebo Added to Chemotherapy on Survival and Progression-Free Survival in Patients with Advanced or Metastatic Esophageal Squamous Cell Carcinoma: The ESCORT-1st Randomized Clinical Trial. Journal of the American Medical Association. 2021 326(10): 916-925.进展4：无创的计算生理学技术指导冠脉介入治疗改善临床预后主要完成单位：中国医学科学院阜外医院、上海交通大学等。主要完成人：徐波、涂圣贤、宋雷、乔树宾，等。主要呈现形式：论文：Angiographic quantitative flow ratio-guided coronary intervention (FAVOR III China): a multicentre, randomised, sham-controlled trial. The Lancet. 2021 398: 2149-2159.进展5：鼻咽癌放化疗后使用卡培他滨节拍化疗辅助治疗改善局部晚期鼻咽癌患者生存期主要完成单位：中山大学肿瘤防治中心、中南大学湘雅医院、华中科技大学同济医学院附属协和医院、贵州医科大学附属肿瘤医院、广西医科大学附属肿瘤医院、空军军医大学西京医院、华中科技大学同济医学院附属同济医院等。主要完成人：马骏、孙颖、谢方云、唐玲珑、陈雨沛、刘需、周琴、杨坤禹、金风、朱小东、石梅、胡国清、胡伟汉，等。主要呈现形式：论文：Metronomic capecitabine as adjuvant therapy in locoregionally advanced nasopharyngeal carcinoma: a multicentre, open-label, parallel-group, randomised, controlled, phase 3 trial. The Lancet. 2021 398: 303-313.进展6：基于乳腺癌基因图谱开发三阴性乳腺癌精准治疗方案主要完成单位：复旦大学附属肿瘤医院等。主要完成人：邵志敏、江一舟、胡欣、龚悦、吉芃、杨云松；王中华、刘引、肖毅，等。主要呈现形式：论文：（1）Metabolic-Pathway-Based Subtyping of Triple-Negative Breast Cancer Reveals Potential Therapeutic Targets. Cell Metabolism. 2021 33：51–64；（2）Molecular subtyping and genomic profiling expand precision medicine in refractory metastatic triple-negative breast cancer: the FUTURE trial. Cell Research. 2021 31: 178–186.进展7：验证雾化接种重组新冠疫苗（Ad5-nCoV）具有良好的安全性和免疫原性主要完成单位：军事科学院军事医学研究院生物工程研究所、武汉大学中南医院等。主要完成人：陈薇、侯利华、王行环、吴诗坡、黄建英、张哲、吴建元、张金龙、胡汉宁，等。主要呈现形式：论文：Safety, tolerability, and immunogenicity of an aerosolised adenovirus type-5 vector-based COVID-19 vaccine (Ad5-nCoV) in adults: preliminary report of an open-label and randomised phase 1 clinical trial. The Lancet Infectious Diseases. 2021 21: 1654–1664.口腔医学领域（1项）进展8：揭示白色念珠菌在促根面龋发生发展过程中的作用主要完成单位：四川大学华西口腔医（学）院、中国科学院微生物研究所等。主要完成人：徐欣、周学东、张立新、杜倩、任彪，等。主要呈现形式：论文：Candida albicans promotes tooth decay by inducing oral microbial dysbiosis. The ISME Journal. 2021 15(3): 894-908.基础医学与生物学领域（8项）进展9：揭示新冠病毒mRNA加帽、基因组复制矫正、逃逸核苷类抗病毒药物的分子机制主要完成单位：清华大学、上海科技大学等。主要完成人：娄智勇、饶子和、高岩、闫利明、杨云翔、李明宇、张盈、郑礼涛、葛基、黄雨岑、刘震宇，等。主要呈现形式：论文：（1）Coupling of N7-methyltransferase and 3′-5′ exoribonuclease with SARS-CoV-2 polymerase reveals mechanisms for capping and proofreading. Cell. 2021 184(13): 3474-3485；（2）Cryo-EM structure of an extended SARS-CoV-2 replication and transcription complex reveals an intermediate statein cap synthesis. Cell. 2021 184(1): 184-193.进展10：揭示转录前起始复合物识别启动子及动态组装机制主要完成单位：复旦大学等。主要完成人：徐彦辉、陈曦子、阴晓彤、李佳蓓、武子涵、戚轶伦、王鑫鑫；赵丹、侯海峰，等。主要呈现形式：论文：（1）Structures of the human Mediator and Mediator-bound preinitiation complex. Science. 2021 372(6546): eabg0635；（2）Structural insights into preinitiation complex assembly on core promoters. Science. 2021 372(6541): eaba8490进展11：揭示下丘脑中枢对肝脏糖代谢的昼夜节律调控作用及相关分子机制主要完成单位：山东大学齐鲁医院、复旦大学等。主要完成人：陈丽、丁国莲、侯新国，等。主要呈现形式：论文：REV-ERB in GABAergic neurons controls diurnal hepatic insulin sensitivity. Nature. 2021 592(7856): 763-767.进展12：揭示DNA同源重组过程中3' -单链DNA保持完整的机制主要完成单位：北京大学等。主要完成人：孔道春、刘思杰、华余、王静娜、李凌彦，等。主要呈现形式：论文：RNA polymerase III is required for the repair of DNA double-strand breaks by homologous recombination. Cell. 2021 184(5): 1314-1329.进展13：发现皮肤成纤维细胞在白癜风发病中的作用主要完成单位：北京生命科学研究所、北京医院等。主要完成人：陈婷、常建民、徐子健、陈道明，等。主要呈现形式：论文：Anatomically distinct fibroblast subsets determine skin autoimmune patterns. Nature. 2022 601(7891): 118-124.进展14：发现志贺氏菌逃避蛋白酶caspase-4/11介导的细胞焦亡的机制主要完成单位：北京生命科学研究所、北京大学等。主要完成人：邵峰、刘小云、李子霖，等。主要呈现形式：论文：Shigella evades pyroptosis by arginine ADP-riboxanation of caspase-11. Nature. 2021 599(7884): 290-295.进展15：揭示人体正常组织中体细胞突变积累及克隆演化规律主要完成单位：中国医学科学院肿瘤医院、北京大学、清华大学等。主要完成人：吴晨、白凡、王建斌、黄岩谊、林东昕、李若岩、狄琳、李杰、樊文艺，等。主要呈现形式：论文：A body map of somatic mutagenesis in morphologically normal human tissues. Nature. 2021 597(7876): 398-403.进展16：发现IL-27信号调控肥胖和2型糖尿病的新机制主要完成单位：暨南大学附属珠海市人民医院、暨南大学附属第一医院等。主要完成人：尹芝南、杨恒文、陆骊工、王倩、李德海、曹广超、石绮屏，等。主要呈现形式：论文：IL-27 signalling promotes adipocyte thermogenesis and energy expenditure. Nature. 2021 600(7888): 314-318.药学领域（8项）进展17：中和抗体联合治疗药物安巴韦单抗和罗米司韦单抗获批生产单位：上海药明生物技术有限公司、无锡药明生物技术股份有限公司。主要呈现形式：产品：（1）安巴韦单抗注射液，国药准字S20210050；（2）罗米司韦单抗注射液，国药准字S20210051。进展18：双靶点抗艾药阿兹夫定获批生产单位：北京协和药厂。主要呈现形式：产品：阿兹夫定片，国药准字H20210035、国药准字H20210036。进展19：小分子人血小板生成素受体激动剂海曲泊帕乙醇胺片获批生产单位：江苏恒瑞医药股份有限公司。主要呈现形式：产品：海曲泊帕乙醇胺片，国药准字H20210021、国药准字H20210022、国药准字H20210023。进展20：胆固醇吸收抑制剂海博麦布片获批生产单位：浙江海正药业股份有限公司。主要呈现形式：产品：海博麦布片，国药准字H20210030、国药准字H20210031。进展21：第三代Bcr-Abl酪氨酸激酶抑制剂奥雷巴替尼片获批生产单位：江苏宣泰药业有限公司。主要呈现形式：产品：奥雷巴替尼片，国药准字H20210048。进展22：靶向MET激酶的小分子抑制剂赛沃替尼片获批生产单位：上海合全医药有限公司。主要呈现形式：产品：赛沃替尼片，国药准字H20210026、国药准字H20210027。进展23：多激酶抑制剂类小分子抗肿瘤药物甲苯磺酸多纳非尼片获批生产单位：苏州泽璟生物制药股份有限公司。主要呈现形式：产品：甲苯磺酸多纳非尼片，国药准字H20210020。进展24：抗体偶联药物注射用维迪西妥单抗获批生产单位：荣昌生物制药（烟台）股份有限公司。主要呈现形式：产品：注射用维迪西妥单抗，国药准字S20210017。卫生健康与环境领域（3项）进展25：武汉血清流行病学研究揭示武汉新冠肺炎感染率及感染者血清抗体动态变化规律主要完成单位：中国医学科学院北京协和医学院、武汉市疾病预防控制中心、中国医学科学院病原生物学研究所、中国医学科学院基础医学研究所、中国医学科学院北京协和医学院群医学及公共卫生学院等。主要完成人：王辰、杨维中、王健伟、何振宇、任丽丽、杨俊涛、郭丽、冯录召，等。主要呈现形式：论文：Seroprevalence and humoral immune durability of anti-SARS-CoV-2 antibodies in Wuhan, China: a longitudinal, population-level, cross-sectional study. The Lancet. 2021 397(10279): 1075-1084.进展26：发现高危型HPV检测更适合我国子宫颈癌初筛主要完成单位：中国医学科学院北京协和医院、中国医学科学院肿瘤医院、四川省肿瘤医院等。主要完成人：郎景和、乔友林、张俊吉、赵宇倩、戴毅、党乐，等。主要呈现形式：论文：Effectiveness of High-risk Human Papillomavirus Testing for Cervical Cancer Screening in China: A Multicenter, Open-label, Randomized Clinical Trial. JAMA Oncology. 2021 7(2): 263-270.进展27：证实短期NO2暴露可增加死亡风险主要完成单位：复旦大学等。主要完成人：阚海东、孟夏、刘聪、陈仁杰，等。主要呈现形式：论文：Short term associations of ambient nitrogen dioxide with daily total, cardiovascular, and respiratory mortality: multilocation analysis in 398 cities. British Medical Journal. 2021 372: n534.生物医学工程与信息领域（4项）进展28：分支型外科手术专用支架系统获批主要完成单位：上海微创心脉医疗科技（集团）股份有限公司。主要呈现形式：产品：分支型外科手术专用支架系统，国械注准20213131059。进展29：植入式左心室辅助系统获批主要完成单位：苏州同心医疗器械有限公司。主要呈现形式：产品：植入式左心室辅助系统，国械注准20213120987。进展30：纯人造材料合成人工角膜获批主要完成单位：北京米赫医疗器械有限责任公司。主要呈现形式：产品：纯人造材料合成人工角膜，国械注准20213161017。进展31：颅内药物洗脱支架系统获批主要完成单位：赛诺医疗科学技术股份有限公司。主要呈现形式：产品：颅内药物洗脱支架系统，国械注准20213130575。

中国科大郭光灿院士团队在量子信息基础理论研究中取得重要进展。该团队李传锋、项国勇研究组与华沙大学Alexander Streltsov等人合作，对复数这种量子资源进行了深入的研究，并取得一系列重要的进展，相关结果以“Editors’ Suggestion”（编辑推荐文章）的形式于3月1日在国际著名物理期刊《Physical Review Letters》和《Physical Review A》上联合发表。复数是一种数学工具，然而它广泛应用于力学、电动力学和光学等物理学相关的领域中，使相应的理论有了一个优雅简洁的表述。量子力学的诞生给出了波和粒子的统一图景，进一步加强了复数在物理学中的突出作用。复数结构是否是量子力学所必须的？这个问题长期以来引起了物理学家们的争论。项国勇等人将复数作为一种量子资源，揭示了其在局部量子态区分中有着不可替代的作用，并且更进一步在量子资源理论的框架下，研究了该种资源的度量方式以及在各种量子操作下的转化问题。他们从理论上完全解决了复数大小的鲁棒性度量问题、单比特量子态在自由操作下的转化问题以及任意纯态的在自由操作下的相互转化概率问题。项国勇等人利用参量下转换制备的双光子纠缠态，进一步测定并比较了当仅用实数测量基和可使用任意测量基情形下的局部量子态区分的成功概率，成功观察到了当使用复数测量基时其成功概率的增加，从而验证了复数在量子力学中具有重要的作用。局部量子态区分成功概率的实验测定值该工作证明了虚部在量子力学理论中是不可或缺的。审稿人认为：“I find that the quantum imaginarity can be considered as a stronger form of quantum coherence, … … ., I also think that the results in the manuscript will stimulate the research on the quantum foundation and the quantum resource theories with a richer structure.（我认为量子虚部可以看成是量子相干性的一种更强的形式，… … ，我也认为该工作可以激发更多的量子力学基本问题和更丰富结构的量子资源理论。）”两篇论文的第一作者为中科院量子信息重点实验室的博士后吴康达，通讯作者为项国勇教授以及华沙大学的Alexander Streltsov博士。该工作得到了科技部、国家基金委、中科院、安徽省、学校国际合作交流部以及波兰科学基金会的支持。论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.090401https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.103.032401

石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其它维数碳质材料(如零维的富勒烯、一维的纳米碳管和三维的石墨等)的基本单元，具有极好的结晶性及电学质量，可广泛应用于微电子、柔性显示、航空航天、能源、化学传感等领域。自第一片石墨烯材料于2004年英国曼彻斯特大学安德烈• 海姆教授和康斯坦丁• 诺沃肖洛夫研制出来并于2010年荣获诺贝尔物理学奖后，石墨烯迅速成为国际先进材料研发的新热点，引发了诸多发达国家的科学家跟踪研究。 　　石墨烯结构 　　该课题组一篇论文获2009年度“中国百篇最具影响国际学术论文” 　　中国科学院长春应化所现代分析技术工程实验室材料电化学课题组近3年来密切关注国际石墨烯材料研发发展的最新趋势，围绕这一前沿性的重要科学问题，在中科院知识创新工程重要方向项目的支持下，从基础和应用基础研究入手，围绕石墨烯的制备、化学修饰、性能研究等，开展了系列卓有成效的研究工作，并积极探索其在众多领域的应用，取得了系列创新性的研究进展，不但在石墨烯的制备、化学修饰、性能研究等方面取得了长足的进步，还研制、开发出多种高强度、高韧性树脂材料等 此外，还在石墨烯透明电极、生物传感等方面进行了初步的探索，取得了一系列相关研究结果，得到了国内外同行的广泛关注。近年来已在 Anal. Chem.、Chem. Commun.等国际著名核心期刊上发表相关文章15篇。其中发表于2009年Anal. Chem.上面的文章“Direct electrochemistry of glucose oxidase and biosensing for glucose based on graphene”仅1年左右时间就被引用100余次，并被中国科学信息技术研究所评选为2009年度“中国百篇最具影响国际学术论文”。

中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与德国海德堡大学、奥地利因斯布鲁克大学、意大利特伦托大学的研究人员合作，在超冷原子量子模拟研究中取得进展。科研人员使用超冷原子量子模拟器，对格点规范场理论中非平衡态过渡到平衡态的热化动力学进行了模拟，首次在实验上证实了规范对称性约束下量子多体热化导致的初态信息“丢失”，取得了利用量子模拟方法求解复杂物理问题的重要进展。相关研究成果发表在《科学》上。规范场理论是现代物理学的基础，如描述基本粒子相互作用的量子电动力学、标准模型等是满足特定群对称性的规范场理论，在粒子物理学、宇宙学以及凝聚态物理学等领域得到广泛应用。由于其求解复杂度高，规范场理论体系中仍有许多开放问题。其中，规范场理论描述的物理系统是否可以从远离平衡态经过演化达到热平衡备受关注。该问题的解决，有助于理解高能物理中重核碰撞的问题，也将为现代宇宙学中大爆炸早期物质的形成提供了物理解释。但是，使用经典计算机求解复杂的规范场理论是公认难题，量子模拟器为解决该问题提供了新路径。近年来，科学家尝试用离子阱、超冷原子气体、Rydberg原子阵列和超导量子比特等体系对格点规范场理论开展量子模拟研究。然而，由于格点规范理论中相互作用形式复杂，并要求物理系统始终处在局域规范对称性约束条件下，对格点规范场理论热化动力学的实验模拟造成了困难，因而还未在实验上实现。为解决量子模拟器中相干调控的粒子数太少和无法保证规范对称性约束的两个主要问题，中国科大科研人员开发了独特的自旋依赖超晶格、显微镜吸收成像、粒子数分辨探测等量子调控和测量技术，在超冷原子量子模拟器中提出并实现了光晶格中原子的深度制冷，解决了量子模拟器温度过高、缺陷过多的问题，实验制备了近百个原子级别的规模化量子模拟器【Science 369, 550 (2020)】；首次实现了利用大规模量子模拟器对格点规范场理论量子相变过程的实验模拟，验证了过程中的规范不变性【Nature 587, 392 (2020)】。在上述研究基础上，通过实验和理论结合，该团队将系统制备到远离平衡的初态，首次实验研究了规范对称性约束对量子多体系统热化动力学的影响，并观测到具有相同守恒量的不同初态热化到同一个平衡态的过程，验证了热化过程造成的量子多体系统初态信息的“丢失”，建立了规范场理论早期非平衡动力学与最终热平衡态之间的联系，在使用规模化的量子模拟器求解复杂物理问题的道路上取得了重要进展。未来，该团队将进一步使用量子模拟方法研究具有其他群对称性的、更高空间维度的规范场理论模型，以及真空衰变、动态拓扑量子相变等物理难题。《科学》杂志审稿人对此给予高度评价，认为该研究为超冷原子模拟格点规范场理论这一领域的发展做出了重要贡献，代表了量子模拟研究领域的前沿。研究工作得到科技部、国家自然科学基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。论文链接

近些年来，上海药物所药物发现与设计中心（DDDC）合成组研究生在柳红的带领和指导下，瞄准学科发展前沿，积极发展新的化学合成方法，并将其应用于药物合成，取得了一系列重要进展。 柳红带领研究生郭涤亮、黄河等采用廉价、环境友好的铁铜等催化体系，发展了几种快速高效的C–C键与C–N键偶联的方法，实现卤代芳烃与多种底物进行偶联。相关研究工作在Org. Lett. (2008, 10, 4513)、J. Org. Chem. (2008, 73, 9601)、J. Comb. Chem. (2008, 10, 358；2008, 10, 617)等重要杂志上发表多篇论文。他们发展的微波促进的钯催化体系，可以使惰性的氯代芳烃与多种底物进行快速高产率的偶联，适用于Sonogashira、Suzuki、Heck和Buchwald-Hartwig等偶联反应，具有较高的学术价值和应用价值，论文发表在J. Org. Chem. (2008, 73, 6037)后，获得国际同行的高度评价，被SYNFACTS和Organic Chemistry Porta作为重要有机合成进展报道(Synfacts, 11, 1201)。在此基础上，柳红带领研究生黄河、李召广等通过微波辅助的手段，建立了液相平行合成技术平台，快速构建出具有不同母核的多样性杂环化合物库，用于多种药物中间体的合成，相关结果在Org. Lett. (2008, 10, 3263)、J. Comb. Chem. (2007, 9, 197)、J. Comb. Chem. (2008, 10, 484)等杂志上。 柳红指导研究生邓光辉首次探索了Ni(II)螯合物诱导合成手性氨基酸的方法学工作，王江等人对该方法进行了优化，首次采用Ni(II)螯合物诱导，合成了β-氨基酸等单体、β2氨基酸、环状氨基酸、a,b-二氨基氨基酸及其衍生物，丰富了Ni(II)螯合物诱导合成手性氨基酸的应用范围。与其他手性氨基酸的合成方法相比较，该方法具有合成过程简洁方便、合成的氨基酸结构丰富、光学纯度高、收率好、操作步骤少、可直接得到游离氨基酸等优点，具有很高的应用价值。相关研究论文发表在J. Org. Chem. (2007, 72, 8932)、J. Org. Chem. (2008, 73, 8563)、Tetrahedron. (2008, 64, 10512)杂志上。 此外，柳红指导研究生叶德举等在合成抗流感药物Zanamivir及其衍生物的基础上，发展了一种双重立体选择性的2-O-脱乙酰化和4-胺化全乙酰基保护的唾液酸合成方法，以较高的产率得到C-4位环状二级胺取代的唾液酸衍生物以及C-4位哌嗪衍生物连接的唾液酸二聚体，从而为合成非天然唾液酸多聚体提供了新的途径，相关论文发表在Tetrahedron Lett. (2007, 48, 4023)、Tetrahedron (2008, 64, 6544)。 DDDC合成组有机合成化学方法学发展方面的研究成果，为创新药物研发奠定了重要的技术基础。

中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室吕永龙研究组最近在我国全氟辛烷磺酸(PFOS)区域水体污染与工业化水平关系、工业源与生活源排放估算方法研究等方面取得重要进展。相关研究成果以系列论文的形式先后发表在Environment International(2012，42：37-46 2013，52：1-8 2013，59：336-343)上。该期刊是Elsevier旗下针对环境科学、风险与健康领域研究的国际著名刊物(影响因子 6.25)。 　　PFOS是新近列入《斯德哥尔摩公约》优先控制的一类新型持久性有机污染物，已引起各国政府、工业界及学术界的广泛关注。虽然发达国家已陆续采取相关政策措施削减或限制PFOS类物质的生产和使用，但由于缺乏有效的替代品，PFOS类物质仍然在我国生产并广泛使用。另一方面，我国目前对PFOS污染排放来源解析、排放估算方法及排放清单等研究尚少，难以满足PFOS污染控制与管理的履约需要。 　　近年来吕永龙研究组以黄渤海地区为主要研究区，了解PFOS污染的空间分布和工业发展布局，找出主要排放的产业，发现生活排放也是PFOS污染不可忽视的重要源。针对上述问题在科学研究方面取得如下重要研究进展：(1)揭示了区域水体PFOS污染特征及其与工业化发展格局的关系，指出高工业化水平与多介质环境中PFOS污染的高风险存在显著的相关性，据此提出划分PFOS污染环境风险的分区方法。(2)系统调查了我国PFOS类物质生产与使用状况并识别与分类主要排放源 基于我国PFOS来源广泛但相关数据极其匮乏的实际现状，分别针对工业源和生活源建立了适合我国的PFOS源排放估算方法。(3)首次揭示了国家尺度的PFOS工业源排放水平与格局，建立了城市化水平较高的沿海地区PFOS生活排放与区域经济发展水平(GDP)和个人生活水平(人均可支配收入)之间的关系模式。 　　吕永龙研究组的系列研究成果得到国际审稿专家的高度评价，被认为是首次系统报道中国水体全氟化合物(PFCs)状况和工业发展关系的论文 不仅识别出了重点排放源与排放较为严重的地区，而且对中国开展PFOS风险评价和管理决策提供了开创性技术支撑。 　　上述研究得到了国家自然科学基金(项目资助号：41071355，41171394)、科技部和中国科学院等的支持。

近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、项国勇研究组与香港中文大学袁海东教授合作，在量子精密测量实验中同时实现3个参数达到海森堡极限精度的测量，测量精度比经典方法提高13.27分贝。该成果1月1日在线发表于《科学进展》。单参数量子精密测量是量子精密测量中最简单的问题，近年来在引力波探测等问题中有了重要应用。但多参数量子精密测量复杂得多，参数之间存在精度制衡。如何减少参数之间的精度制衡以实现多参数同时最优测量，是多参数量子精密测量的最重要问题之一。为了消除参数之间的精度制衡，研究人员将单参数测量实验中控制增强的次序测量技术应用到多参数测量中，通过调控量子系统动力学演化，完全解决了量子比特幺正演化算法中3个参数之间的精度制衡问题，实现3个参数同时达到海森堡极限的最优测量。这项成果对于推动量子精密测量与海森堡不确定性关系交叉发展具有重要意义，相关技术在实际测量中具有重要潜在应用价值。

p style=" text-align: center " /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201801/noimg/b9badc3b-2ddc-463d-94cc-6895afc62199.jpg" title=" 黄岩谊.jpg" width=" 627" height=" 195" style=" width: 627px height: 195px " / /p p style=" text-align: center " 图. 全新设计的核苷酸底物通过聚合酶的延伸反应产生荧光产物用于测序 br/ /p p 　　在国家自然科学基金项目(项目编号：21327808，21525521)等资助下，北京大学黄岩谊课题组日前在DNA测序方法与技术上取得重要进展，发展一种全新概念的测序方法—纠错编码测序法(简称ECC)，该方法采取一种独特的边合成边测序(SBS)策略，利用多轮测序过程中产生的简并序列间的信息冗余，大幅度增加了测序精度。研究成果于2017年11月6日发表在Nature Biotechnology(《自然-生物技术》)期刊上。论文链接：http://www.nature.com/articles/nbt.3982。 /p p 　　序列信息的冗余来自黄岩谊团队新发展的“对偶碱基荧光发生”SBS测序流程，该流程通过全新设计的特殊测序反应底物，对待测DNA序列进行三轮独立的SBS测序，继而产生三条互相正交的简并序列编码。这三条编码可互为校验，后续不但能够通过解码推导出真实碱基序列信息，而且具备对单轮测序错误位点的校正能力。这种编码和解码策略已被广泛应用在其它科学领域中，用于有效检测和纠正错误。此次黄岩谊团队在测序技术中首次引入冗余编码概念，通过和低错误率的荧光发生测序技术相结合，在实验室搭建的原理样机上获得了单端测序超过200碱基读长无错误的实验结果。在ECC测序中，黄岩谊团队首先从化学原理上对荧光发生测序技术中的荧光标记分子进行了结构优化，设计合成了具有不同波长、更优性能的测序底物分子，并对聚合酶参与的各阶段反应动力学进行了细致的测量和建模。在深入理解荧光发生测序化学反应速度、完成度、副反应等关键技术细节的基础上，构建了精确的测序信号失相模型并提出了次级延伸理论，并据此开发出算法软件对测序反应失相过程做出了合理简化使其具备实用性。 /p p style=" text-align: right " 【原标题：我国学者在DNA测序方法与技术上取得重要进展】 /p p br/ /p

高效液相色谱技术最早应用于药物领域，包括效能/纯度/性能分析、药物(代谢)动力学/生物分析测试、纯化、高通量筛选(HTS)、过程控制(IPC)监测和质量控制(QC)测试。制药行业是HPLC的主要应用市场，同时也是HPLC向更高通量和更优性能发展的主要驱动力。本文简要回顾了过去十年影响药物分析发展的HPLC的重大进展。讨论的主题如下，部分项目体现在一个典型的时间轴上，如图1所示。　　仪器:超高压液相色谱(UHPLC)走向主流。　　色谱柱:Sub-2&mu m,sub-3&mu m核壳和混合粒子；新颖的键合化学反应；亲水作用色谱法(HILIC)；多糖类手性固定相；生物分子和生物制药柱子。　　其它:液相色谱-质谱(LC/MS)&mdash 特别是高分辨质谱(HRMS)或混合质谱；电雾式检测器(CAD)；自动方法开发系统(AMDS)。图1 过去十年中影响药物分析发展的HPLC技术进展(部分项目)　　本文的目的是为繁忙的制药科学家提供一个简洁又全面的HPLC的重要的技术进展,每个主题都有实际使用过程中的便利和应用的简短描述，从用户的角度的评论，以及主要参考文献(略)的支撑。　　超高压液相色谱(UHPLC)　　UHPLC的革命性创新始于1997年James Jorgenson教授在概念验证方面的研究，紧接着第一个商业化系统于2004年推出。今天，从HPLC到UHPLC的转化大部分都是由主要制造商完成，这些制造商目前都可以供应某种类型的UHPLC产品。UHPLC系统、柱子以及应用的详细综述在其他地方都可以看到。UHPLC在药物分析领域的基本原理、优势、潜在的问题和最佳应用都有充分的文件记录。　　表1概述了UHPLC的突出特点和优势。注意，较高的系统压力允许使用更小的微粒填充的柱子(如亚2&mu m)得到更快的分析速度(图2)或复杂样品更出色的分离(图3)。由于使用改良的进样器，内径较小的管路系统( 0.005英寸)，更小的紫外检测器流动池(0.5 - 2&mu L)，所有的UHPLC都有比较低的系统扩散(4&sigma 时，~10-20&mu L)。比较典型的应用是内径为2.1&ndash 3.0mm的柱子，填充物为亚2&mu m或亚3&mu m颗粒。其他重要的系统特征包括更小的系统死体积(0.1-0.3 mL)和更快的检测器响应/数据采集速率(40 pt/s)，以实现高通量的应用。表1 UHPLC的突出特点和优势UHPLC的系统特点范围和评论最高压力限制15000到19000psi(1000到1250bar),流速2-5mL/min.兼容传统的和亚-2微米颗粒的色谱柱。低系统色散根据仪器配置，仪器带宽5-20&mu L（4&sigma ），使用较小的连接管（0.005"I.D）和小UV流通池（0.5-2&mu L）,减小系统频带展宽。兼容ID低至2-3mm的色谱柱。低的梯度保留体积100-400&mu L（对于四元液相泵会更高），兼容高通量筛选（HTS）。小的保留（混合）体积可能影响UV检测器噪声。其他HTS快速的注射周期（-20s）和检测响应，以及高的采集率（40pt/t），兼容目前的HPLC方法需求（如流量范围、柱温箱尺寸、进样环路）UHPLC的优势评论高通量在保持相似分辨率的情况下，与传统的HPLC方法相比通量提高3-10倍。如纯度分析5min（UHPLC）/20min（HPLC）。快速方法开发短色谱柱，快速分析是色谱柱和流动相快速筛选及方法优化的理想选择。高分辨相对于HPLC，分辨率提高3倍，比如峰容量（Pc）400-600(HPLC为200)溶剂节省分析时间短，使用较小ID的色谱柱，相比HPLC溶剂节省5-15倍。高灵敏度质量灵敏度增加3-10倍（样品注入量减少）。长路径UV流通池（50-60min）可以将浓度灵敏度提高6倍。高精度保留时间（2-3倍）和峰面积精密度（1%RSD，进样体积1&mu L ）显著增加可以与其他的方法联用UHPLC兼容高温LC，2D-LC或者核壳色谱柱（单一或者组合联用）。这些都是可选项，而不是&ldquo 有它就不能有它&rdquo 。 　　与传统的HPLC相比，UHPLC具有分析速度快的优势，图2阐述了一种药物分析由HPLC方法转移为UHPLC方法的谱图对比。从HPLC到UHPLC，根据几何尺寸按比例缩放色谱柱及操作参数,可以在相同分辨率的情况下将分析时间减少10倍，这并不罕见。&ldquo 保证好的分辨率的情况下进行更快的分析&rdquo 这是大多数用户考虑购买更昂贵的UHPLC设备的主要诱因。　　UHPLC的另一个重要的好处是其对复杂样品优秀的分离能力。这方面常常被忽视,在文献中也很少报道。在合理的时间跨度(~1 h)内，400至1000范围内的峰容量(PC)已经通过使用UHPLC来证实。峰容量是分辨率为1.0时，色谱图上可以分辨的色谱峰个数；通常传统的HPLC为200左右。有史以来第一次,UHPLC可以在单一维度,对复杂的药品、天然材料、和其他困难样品基质提供更有效的分析。图3a和3b通过两个应用 (植物提取物和胰蛋白酶的消化蛋白质)来说明Pc300时，当前UHPLC的高分辨分离能力。　　UHPLC的其他优势包括溶剂节省(5-15倍),增强的质量灵敏度(3-10倍)，以及在保留时间(2&ndash 3倍)和峰面积(0.1%RSD)方面的卓越性能。注意，有关UHPLC中UV检测灵敏度增加的报告往往会产生误导,因为质量敏感度(分析物注入量)主要与柱的空隙体积有关。通常，UHPLC不会增加浓度灵敏度(最理想的一种灵敏度),因为我们不能希望使用小的流通池来增加信噪比，除非延长流通池的路径长度 (如60毫米)。泵混合而导致的粘性发热、基线扰动以及方法转移等潜在问题已经有文献描述，而且这些问题分别也是与特定的仪器相关联的。一般来说,这些技术问题已经研究得比较清楚了，而且通过选择合适的系统配置(如混合器体积)能够很容易地减轻。但是, 由于培训、与验证数据系统的兼容性和其他方法转移的问题，UHPLC在QC实验室的应用仍然比较浪费时间。　　图2 以商业制药配方(Rapidocain) 质量控制分析为例：从传统的HPLC到UHPLC使用几何比例缩放。峰识别:1:对羟基苯甲酸甲酯,2:2、6-二甲基苯胺,3:尼泊金丙酯,4:利多卡因。HPLC条件:色谱柱RP18 150 x4.6毫米,5&mu m, F=1ml/min, Vinj=20&mu L。UHPLC条件: 色谱柱RP18 x2.1 50毫米,1.7&mu m,F = 600&mu L /min,Vinj = 1.4&mu L。超快UHPLC条件:色谱柱RP18 x2.1 50毫米,1.7&mu m,F = 1000&mu L /min,Vinj =1.4&mu L[16]。　　我们经常听到一些争论，UHPLC也许并不需要,因为其他方法(高温LC、核壳柱子或二维LC)可以更合算的提高速度或分辨率。这种推理并不是真实有根据的，因为与传统的HPLC相比，UHPLC在使用过程会中可以与一个或多个以上的这些方法联用获得更出色的结果。这些方法都是可选项,而不是&ldquo 有它就不能有它&rdquo 。此外,&ldquo UHPLC&rdquo 这个词语可能在几年内最终消失，因为所有新的HPLC都是UHPLC了。　　HPLC色谱柱和固定相的发展　　HPLC色谱柱是色谱系统的核心。在碱性分析物分析方面，制药业一直是HPLC色谱柱向高速、高分辨率、更好的峰形发展的主要驱动力。此外,QC实验室已经被要求改进色谱柱的批次重现性。从70年代到90年代,在填充材料的标准颗粒尺度(10-3&mu m)的逐级缩小方面已经有稳定的改进。80年代后期，高纯度B型硅材料(低金属含量)的引入是一个巨大进步,减少了硅醇的活性，并在批次间的一致性方面有重大改进。现在高纯硅的使用是所有现代硅胶基质色谱柱的标准。　　图3 UHPLC 高分辨率分离(C18色谱柱，填充亚2&mu m颗粒)。(A)银杏标准化提取物的色谱图。梯度：5%到40%的乙腈，120分钟，T=30° C, Lcol = 300mm，F = 0.2 mL/min,&Delta Pmax = 860 bar,峰容量可以达到360；(B)三种蛋白质的结合胰蛋白酶消化酶的色谱图。梯度：5%到60%的乙腈，120min ，T=30° C，Lcol = 40cm,F = 0.16 mL/min,&Delta Pmax = 940bar,峰容量可以达到410。　　HPLC色谱柱技术的近期进展已经被广泛地综述(已经有很多文献综述并讨论了HPLC的色谱柱技术的近期进展)。表2总结了重大行业使用率较高的，用于提高生产力、稳定性、选择性或保留时间(亚2&mu m,核壳粒子,混合物,新奇的键合反应,HILIC)或专业应用 (手性化合物或生物分子)的色谱柱。表2 影响药物分析的重要的HPLC色谱柱的研究进展HPLC色谱柱重要研究进展评论亚2&mu m颗粒全孔亚2&mu m颗粒产生较低的塔板高度和高的塔板效率。10多家供应商提供超过80种可用的化学反应，包括离子交换、尺寸排阻等。亚3&mu m核壳颗粒表面多孔型亚-3&mu m颗粒在低柱压条件下提供改善的质量传递和较低的塔板高度。增加了在药物分析中的使用案例。混合硅颗粒创新的颗粒提高色谱柱的化学稳定性（扩大pH范围、温度和压力性能，亲硅醇基活性）新奇的键合化学反应多官能团的硅烷化学、极性嵌入式键合相、五氟苯酚（PFP）、 苯基-己基、表面带电杂化（CSH）相，提供&ldquo 正交&rdquo 分离和增强的选择性（与传统的C18键合相相比）亲水作用色谱（HILIC）反相色谱的&ldquo 正交&rdquo 分离对强极性化合物和次生代谢物有用用于手性分离的多糖固定相多糖手性固定相使得通常的色谱柱具有多用性和抗造性生物分子色谱柱创新的核壳结构和UHPLC大孔径固定相可以有效改善蛋白质和治疗性生物分子（如mAbs）的分析。 　　亚2 &mu m颗粒　　1956年，Van Deemter就给出了使用非常小的颗粒进行快速、高效分离的预测。在过去五年中，典型填料的粒径在不断的减小，二十一世纪初，集中在亚2&mu m的硅微颗粒。正如预测的那样,这些粒子(例如,1.7&mu m)产生卓越的性能(~ 280000 plates/m或~ 4&mu m/plate)。然而,填充亚2&mu m粒子的色谱柱产生高的背压，通常填充内径为2.1毫米，通过粘性发热减少效率损失。对高压力和低分散(减少附加柱的谱带展宽)系统的要求导致了现代UHPLC系统的当前特点。进一步降低粒径至小于1.5&mu m可能会产生更高的速度和性能。然而,它也必须伴随着系统压力的大幅增加和毛细管色谱柱内径的减小。　　核壳结构颗粒　　Kirkland第一次描述了熔融的核或者核壳粒子的概念，减少质量转移过程中的阻力。第一个核壳粒子具有如下特点:2.7&mu m表面多孔硅材料，无孔的核心(1.7&mu m)，多孔的壳层(厚0.5&mu m)。这些亚3 &mu m的颗粒与亚2&mu m的完全多孔材料相比似乎具有相似的效率，但是可以产生更低的压降。这种特殊的性能可能是由于壳体较短的扩散路径，或者比较狭窄的填料分布。由于快速分离(HIS、IPC和清洁验证)和在生物分子方面的应用，核壳色谱柱迅速获得广泛的接受。越来越多的制造商可以提供各种键合相和不同尺寸的粒子(1.3,1.7,2.6,1.3和5&mu m)。我们完全相信，与多孔微细颗粒的色谱柱相比，这些色谱柱在所有应用中具有很大的竞争力。　　图4 10种具有酸性、碱性和中性官能团的商品化药物在BEH和CSH分析柱的分析比较，梯度洗脱，流动相含乙腈和0.1%的甲酸。峰1、4、6和8是基本药物。从文献中复印,已取得许可。　　杂化　　将有机基团引入到无机硅基体中形成杂交颗粒的理念在上世纪70年代首次由Unger提出，虽然第一根具有甲基基团的商业化的色谱柱在1999年才正式推出。这些混合物中的键合相被证明具有很好的pH稳定性(具有新奇的键合化学反应的pH范围为1到12,而传统的具有常规单功能键合硅颗粒的pH范围为2-8),低的亲硅羟基活性。2005年，引入第二代桥联乙烯杂化 (BEH)，并立即获得了&ldquo 主流&rdquo 成功,特别是高pH值流动相以及UHPLC的应用方面。　　新奇的键合反应　　或许是因为批次之间重现性最好,传统的单官能团的C18硅胶基质键合相仍是主要的产品,但是新的键合化学反应给困难的分离(极性嵌入式、苯基、己基苯基、含氰基的、戊烷氟苯基键合)带来了更宽的pH值稳定范围(多官能的硅烷化学键或异丙基保护的硅烷)和增强的选择性。最近的一个创新方法称为表面带电杂化(CSH)技术，该项技术于2010年引入,由于在酸性,低离子强度流动相条件下，对高碱性分析物的峰形的改善，该项技术立即在药物分析领域获得了很好的接受度(如0.1%甲酸)。这项专有技术包括在固定相表面引入低水平的正电荷。这类似于早期在流动相中添加有机胺，如三乙胺，但由于离子抑制，已经不被LC/MS接受。图4说明了与现在的键合相相比，CSH颗粒在峰形方面表现的优势。注意,酸性化合物在CSH柱子上会有相对较高的保留，峰拖尾现象也会有所增加。　　亲水作用色谱(HILIC)　　在反相LC(RPLC)条件下，若流动相中有机物含量比较低，就会导致相坍塌现象(键合相脱水)，许多强极性化合物就无法获得足够的保留时间或者会存在问题。HILIC模式, 90年代由Alpert首次开发,使用亲水固定相(硅、二醇、氰基、氨基、两性离子的)，类似RPLC使用的水缓冲和乙腈流动相,在极性药物分析、辅助药物代谢、氨基酸、多肽、神经递质、低聚糖、碳水化合物、核苷酸或核苷方面的分析中越来越受欢迎。HILIC实际的保留机制可以认为是分析物分子&ldquo 分区&rdquo 到附着在亲水结合基团的水层。与RPLC相比，HILIC其他突出的优势包括&ldquo 正交&rdquo 选择性(样品制备兼容两种模式),对质谱具有更高的电喷雾离子化灵敏度(5-15倍),较低的操作压力。　　固定化多糖手性固定相　　成功包覆的多糖手性固定相(CSPs)的改进版本在2000年代末实现。与早期的CSPs具有相似的多功能，但是对于腐蚀性的溶剂具有更好的稳定性剂,可用于正相,极性有机和反相模式。　　用于生物分子的色谱柱　　80年代发展起来的大孔径硅和聚合物填料可有效解决大型生物分子的分离。随着重组蛋白，如单克隆抗体(mAb)等生物制药的出现，质量控制中利用HPLC和毛细管电泳进行详细表征的需求变得更加紧迫。最近，亚2&mu m微粒和核壳大孔径颗粒以及一些创新的离子交换和尺寸排阻等材料也被证明可以有效的分离这些大分子的生物制剂。　　高分辨率质谱(HRMS)，电雾式检测器(CAD)和自动方法开发系统(AMDS)　　在过去十年中，其他具有高影响力的进展主要体现在HPLC检测和自动化领域。　　高分辨率质谱(HRMS)　　HPLC与质谱的联用(LC / MS)，集合了HPLC的分离能力和质谱卓越的灵敏度和选择性，已被视为完美的分析工具。LC/MS是杂质和降解鉴定,药物研究中的高通量筛选技术(HTS),生物分析试验(生物流体中药物和代谢物的LC/MS/MS检测),药物合成工艺放大在线监测的首选技术。LC/MS已经成为高效药物清洁验证以及潜在的基因毒性杂质测定的标准技术平台。过去十年中，HRMS(如TOF、OrbiTrap MS)和杂化质谱(如Quadrupole-TOF或ion trap-OrbiTrap)得到了快速发展。HRMS和UHPLC以及二维LC的联用使得代谢组学、蛋白质组学, De Novo蛋白测序和生物制药表征等领域的研究愈发活跃。新兴的个性化医疗领域中生物标志物测定和疾病诊断的通用技术平台也许是LC/MS最令人兴奋的机会。　　电雾式检测器(CAD)　　缺乏理想的通用检测器常常被视为HPLC的局限,尽管UV/Vis检测器可以检测具有发色基团的化合物。示差折光检测器不适合梯度洗脱，敏感性不够。蒸发光散射检测器(ELSD)使用喷雾器技术与激光光散射检测，是HPLC的一个选择，也可以兼容梯度洗脱,但最近已经被CAD(使用喷雾器和电晕放电检测技术)超越,CAD可以提供更好的灵敏度(低至ng)和更好的线性。CAD正逐渐成为药物化学中的HTS、反应过程监控以及原材料/辅料测试的主流的检测器。　　自动化HPLC方法体系(AMDS)　　复杂混合物的HPLC方法开发是一个很耗时的工作，因为需要优化很多操作参数(柱尺寸，键合固定相和流动相A和B(有机溶剂/缓冲类型、pH值和离子强度)的类型,梯度洗脱时间和梯度范围,柱温度、流量)。一个常见的例子就是药物活性成分(API)稳定性指示分析或纯度测定，其中所有的杂质和降解产物必须分离，通过UV检测器进行准确的定量。多年以来，基于模拟、预测、单纯形优化、柱/流动相筛选的软件或自动化系统已经促进HPLC方法的开发。虽然他们似乎还没有很普及，但持续的改进提高了HPLC的性能和易用性。最新进入市场的是一个附加软件包，兼容两个常用的色谱数据系统。对于HPLC方法开发过程(优化)中最耗时的部分，该软件利用用户定义空间的自动化序列方法来解决，其中使用了实验设计(DoE)和质量源于设计(QbD)的原则。导入完整的序列结果之后，该软件还可以执行统计分析，并显示最佳条件。图5说明了应用在我们实验室的该软件的概念和特征。自DoE 和 QbD概念被接受以来,最初用户表现出很高的兴趣。AMDS对致力于早期药物开发方法的实验室特别有用。例如,为了支持利用多手性中心的复杂药物分子进行API合成和药物产品制造,10-20种具有代表性的HPLC方法(原材料、起始物料、中间体、最终的原料药和药物产品的非手性和手性方法,)接二连三地被开发出来。　　图5 一个全自动方法开发系统的仪器构造图解，该系统使用QbD软件和所得结果的图形，显示最佳分离(白色)的操作范围设计空间。　　结论　　总之, 最近几年中，HPLC仍然是一个高度有活力的领域，在仪器、色谱柱技术、应用等方面有很多创新。医药科学家们最初将这些新技术应用于研究、开发和质量控制，他们是这项技术的早期采纳者，同时也是受益者。UHPLC在研究与开发领域被快速的接受，并逐渐成为标准的UHPLC平台，虽然在QC实验室的应用速度慢一些。新的色谱柱技术可以更快和更有效的分析复杂样品、手性分子和生物分子。最后,UHPLC和2-D LC与高分辨率质谱联用技术的快速进展，已经彻底改变了生命科学的研究，并将会在临床诊断方面产生更大的影响。这些进展得到了在快速发展的药物开发领域工作的分析化学家的欢迎。　　对于LC在接下来的几年的发展前景,一些创新的工作已经被描述。就像Jim Jorgenson描述的:&ldquo 更高的压力(50000 psi)将使更小的颗粒和/或更长的色谱柱的使用成为可能,同时分离速度更快，效果也更好。由于热量的产生和耗散问题，几乎肯定的是需要使用sub-mm孔(毛细管)色谱柱。这并不是一件容易的事情,但是高速、高分辨率分离方面潜在的可能性是诱人的。&rdquo 另外,在毛细管中填充极其均一的次微米二氧化硅粒子可以用来产生远低于1&mu m的塔板高度，并能对蛋白质变异体进行令人印象深刻的分离。这两个研究结果还没有准备好马上成为主流分析工作或QC，但是第一个结果是鼓舞人心的,因此在这里值得一提。原文作者：Michael W. Dong, Ph.D.Davy Guillarme, Ph.D.

中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、王亚等人在金刚石量子器件制备方向取得重要进展，发展了一种全新的基于自对准的光子学器件制备加工技术，可将氮-空位色心这一原子级量子传感器以纳米级精度加工到金刚石器件最佳工作位置，实现接近最优光学探测性能的量子传感器阵列。这项研究成果以“Self-aligned patterning technique for fabricating high-performance diamond sensor arrays with nanoscale precision”为题发表在《科学进展》[Sci. Adv.8, eabn9573 (2022)]上。金刚石，俗称“钻石”，具有高硬度、高稳定性、高透光性、高热导率以及超高的禁带宽度等优异的物理化学性质，在超精密加工、光学材料以及半导体电子器件等工业领域有着广泛的应用。近十多年来，科学家发现金刚石中一种可以发光的原子尺度晶格缺陷--氮-空位色心（简称NV色心）具有极大的量子应用前景，让存在缺陷的不“完美”金刚石变得在实用性上更加“完美”。NV色心不仅可以以纳米空间分辨率对电磁场、压力等多种物理量在室温大气乃至极端环境下进行精密测量，也可以建立多体量子纠缠，用于研究量子信息等基础问题，在前沿基础科学、高科技产业等领域有重大应用价值。图1：制备技术方法示意图。制备高性能金刚石量子器件是金刚石量子信息技术实用化的关键技术。以金刚石量子传感器为例，其原理是利用器件内的NV色心将外界的微弱物理信号转换为自身荧光强度信号来进行探测，因此在不牺牲其他物理性质前提下，提高NV色心光子计数率是提升传感器性能的一个关键指标。在过去几年中，人们积极致力于开发用于提高NV色心荧光强度的金刚石微纳米光子学结构，例如固体浸没透镜、柱形波导、圆形牛眼光栅、抛物面反射器、倒置纳米锥等。但目前传统的制备技术无法精确控制微纳米结构中NV色心位置，导致器件制备效率低下，性能难以达到预期(图2(a))，其主要原因是NV色心制备工艺和金刚石结构刻蚀工艺之间的对准难题(图1左)。通常这一对准精度需要优于20纳米，方能达到光学器件理论上最优的光学性能。图2：器件制造效果展示。（a）传统工艺制造器件光学计数率分布；（b）自对准工艺制造器件光学计数率分布；（c）金刚石纳米柱传感阵列电镜照片；（d）单个NV色心荧光饱和曲线测试。针对以上难题，本工作研究团队发展了一种基于自对准策略的光子学器件加工技术，通过双层掩膜图形化工艺设计实现生成NV色心所需的氮离子注入工艺和金刚石结构刻蚀工艺的自对准，精度可以达到15纳米(图1右)。使用该技术，研究团队实现了高性能金刚石纳米柱传感阵列的制造，该纳米柱传感器可用于生物传感、纳米级磁性材料成像等前沿应用。与传统制造技术相比，器件显示出高度一致且最优的光子计数率以及接近理论预期的器件产率。通过金刚石晶体取向进一步控制荧光发射偶极方向，团队最终实现单个NV色心饱和光子计数率达到~4.34Mcps，荧光强度提升大约20倍(图2)。该方法具有可工程化、简单且高精度的特点，不仅可批量化制备高性能金刚石量子传感器，对金刚石量子技术实用化具有重要意义,还可以应用于碳化硅、稀土离子等其他固态量子体系。相关技术与器件已申请国际专利进行保护。中科院微观磁共振重点实验室特任副研究员王孟祺为该论文的第一作者，杜江峰院士、王亚教授为共同通讯作者。该研究得到了科技部、中科院、国家自然科学基金委和安徽省的资助。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn9573

中科院强激光材料重点实验室在800nm中心波长宽带脉宽压缩光栅的研制上取得阶段性重要进展。课题组采用模拟退火和傅里叶模式结合的全局优化设计方法，设计出了800nm中心波长宽带全介质脉宽压缩光栅(Pulse Compression Gratings, PCG)(详见：Optical Letters，35(2010)187)。 　　该课题组成员经过大量的优化和容差计算，结合优良的制膜技术，获得了阈值~1J/cm2(50fs，TE，57°入射)的全介质膜，相关光栅参数具有较大工艺容差。中科大同步辐射光学实验室和清华大学衍射光栅课题组对课题组提供的全介质膜进行了光栅参数的刻蚀验证，得到带宽优于110nm的PCG样品。课题组测试了样品0级反射率谱，采用-1级和0级反射率互补的计算方法，反演得到-1级衍射效率大于95%的带宽110nm以上，在国际同领域中首次得到了带宽百纳米以上全介质PCG样品。 　　全介质膜PCG相对现行使用的金膜光栅具有高衍射效率和高损伤阈值的优点，在800nm高能飞秒激光器中具有重要应用前景。本项研究得到国家高技术863计划和国家自然科学基金支持。

极低温制冷是指制冷温度低于1K的制冷技术，广泛应用于凝聚态物理、天文观测、量子计算等领域，至今已经有20余项诺贝尔物理学奖成果来自极低温区，如超流3He、量子霍尔效应等。绝热去磁制冷和稀释制冷是目前主流的极低温制冷技术，其中绝热去磁制冷利用磁热材料的磁热效应实现制冷，具有高效、不依赖重力等优点，稀释制冷利用3He原子在极低温下从浓相流入稀相时吸热来实现制冷。中科院理化所低温与制冷研究中心立足于小型低温制冷的长期研究积累，从2019年开始开展极低温制冷的研究工作，近期取得了一系列重要进展。在绝热去磁制冷技术方面，深入研究了多级间歇和连续循环的高效热力学流程，与所内晶体中心交叉合作开发了高传热效率顺磁盐模块，搭建了单级和多级绝热去磁制冷系统，解决了高精度控温等技术难点。三级制冷系统最低温可达48.6 mK，温度波动控制在 μK级别。在稀释制冷技术方面，搭建了特殊形式的冷凝泵型稀释制冷机，揭示了低驱动力下稀释制冷整机运行机理和损失机制，解决了低温循环启动等技术难点，系统最低温达到108 mK，进一步的优化工作仍在进行。上述研究工作对于提升我国极低温平台的自主研发能力有重要意义，大力支撑包括天文望远镜、量子计算机和单光子探测器等高端设备的研制和前沿科学研究。绝热去磁制冷机实验平台冷凝泵型稀释制冷机实验平台

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电子科技大学饶云江教授(杰出青年基金获得者、OSA/SPIE Fellow)团队、国防科技大学周朴研究员(优秀青年基金获得者)团队在国家自然科学基金重大项目课题(61290312)与青年基金项目(61205048)支持下，在随机光纤激光器领域取得突破性研究进展，相关成果入选由美国光学学会(OSA：Optical Society of America)组织评选的2014年全球光学重要进展。近日，该学会旗舰杂志《Optics & Photonics News》(OPN)2014年12月专刊《Optics in 2014》以&ldquo Random Fiber Laser: Simpler and Brighter&rdquo 为题对该成果进行了亮点报道。 　　OPN每年年末会出版一期专刊，以亮点形式报导由OSA评选出的该年度全球光学领域最突出的30项研究成果。今年参与竞争的成果数量达到了创纪录的200项(包括为数众多的发表在Nature及其子刊上的成果)，竞争十分激烈。随机光纤激光器是今年中国大陆作为第一单位入选的两个成果之一，也是OPN历史上中国大陆第二次入选(上一次在2008年)，这次成果入选显著提升了我国在光学和光子学领域的国际影响力，标志着我国光纤随机激光器的研究已经步入国际一流行列。 　　该研究成果主要来自上述两个科研团队2014年发表在《IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics(JSTQE)》和《Laser Physics Letters(LPL)》发表的学术论文。两篇论文的第一作者分别为王子南副教授、博士生张汉伟。JSTQE论文首次提出了实现高功率光纤激光器的新思路，实现了结构更简单、性能更稳定、光转换效率更高的连续随机光纤激光器 LPL论文实验展示了基于标准通信光纤的高功率光纤随机激光器，创造了随机光纤激光器输出功率的世界纪录。 　　上述工作为实现新一代高功率光纤激光器开辟了一个新的研究方向。 　　光纤随机激光器相比传统光纤激光器最大的不同之处在于无需腔镜，具有波长可调、结构简单、转换效率高、可靠性高、功率可定标放大等突出优点，有望形成新一代的无纵模高功率光纤激光器，在光纤传感、光纤通信、3D打印、激光手术、激光成像、高能激光等多个领域具有重大应用价值。 　　注： 　　Optics in 2014专刊链接：http://www.osa-opn.org/home/articles/volume_25/december_2014/features/optics_in_2014/#.VH6iKHExiV8 　　IEEE JSTQE论文链接：http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6868231&tag=1 　　IOP LPL论文链接：http://iopscience.iop.org/1612-202X/11/7/075104

电子科技大学饶云江教授(杰出青年基金获得者、OSA/SPIE Fellow)团队、国防科技大学周朴研究员(优秀青年基金获得者)团队在国家自然科学基金重大项目课题(61290312)与青年基金项目(61205048)支持下，在随机光纤激光器领域取得突破性研究进展，相关成果入选由美国光学学会(OSA：Optical Society of America)组织评选的2014年全球光学重要进展。近日，该学会旗舰杂志《Optics & Photonics News》(OPN)2014年12月专刊《Optics in 2014》以&ldquo Random Fiber Laser: Simpler and Brighter&rdquo 为题对该成果进行了亮点报道。 　　OPN每年年末会出版一期专刊，以亮点形式报导由OSA评选出的该年度全球光学领域最突出的30项研究成果。今年参与竞争的成果数量达到了创纪录的200项(包括为数众多的发表在Nature及其子刊上的成果)，竞争十分激烈。随机光纤激光器是今年中国大陆作为第一单位入选的两个成果之一，也是OPN历史上中国大陆第二次入选(上一次在2008年)，这次成果入选显著提升了我国在光学和光子学领域的国际影响力，标志着我国光纤随机激光器的研究已经步入国际一流行列。 　　该研究成果主要来自上述两个科研团队2014年发表在《IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics(JSTQE)》和《Laser Physics Letters(LPL)》发表的学术论文。两篇论文的第一作者分别为王子南副教授、博士生张汉伟。JSTQE论文首次提出了实现高功率光纤激光器的新思路，实现了结构更简单、性能更稳定、光转换效率更高的连续随机光纤激光器 LPL论文实验展示了基于标准通信光纤的高功率光纤随机激光器，创造了随机光纤激光器输出功率的世界纪录。 　　上述工作为实现新一代高功率光纤激光器开辟了一个新的研究方向。 　　光纤随机激光器相比传统光纤激光器最大的不同之处在于无需腔镜，具有波长可调、结构简单、转换效率高、可靠性高、功率可定标放大等突出优点，有望形成新一代的无纵模高功率光纤激光器，在光纤传感、光纤通信、3D打印、激光手术、激光成像、高能激光等多个领域具有重大应用价值。 　　注： 　　Optics in 2014专刊链接：http://www.osa-opn.org/home/articles/volume_25/december_2014/features/optics_in_2014/#.VH6iKHExiV8 　　IEEE JSTQE论文链接：http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6868231&tag=1 　　IOP LPL论文链接：http://iopscience.iop.org/1612-202X/11/7/075104

德国美因茨大学13日发表公报说，该校研究人员参与的太阳能薄膜电池研究项目取得重要进展，有望使太阳能薄膜电池突破目前20%光电转化率的纪录。 　　目前光电转化率最高的是铜铟镓硒(CIGS)太阳能薄膜电池，可达20%，但与超过30%的理论值仍相距甚远，其主要难题是材料中的铟、镓分布和比例难以达到理想值。 　　美因茨大学的研究人员与IBM公司德国美因茨分部以及生产特种玻璃的德国肖特公司等合作，借助电脑模拟程序发现铜铟镓硒材料的铟镓分离温度，即在稍低于正常室温的情况下，铟镓会完全分开且分布不均匀，从而导致材料的光电作用减弱。而超过这个温度后，铟镓会相互融合，且温度越高其分布得就越均匀。这表明太阳能薄膜电池生产过程需要较高的温度，只要最后的制冷步骤足够快就能使这种均匀性“定格”。 　　以往生产工艺受生产必需的玻璃底板的耐热性限制，无法提高温度。为此肖特公司研发了一种能够耐受超过600摄氏度的特殊玻璃材料。研究人员说，此项成果是一个重大突破。 　　这一成果发表在美国《物理评论快报》上。

近日，西安光机所阿秒科学与技术研究中心在超短激光脉冲光场测量研究方面取得重要进展。研究团队创新性提出基于微扰的三阶非线性过程全光采样方法，该方法的可测量脉冲脉宽短至亚周期，波段覆盖深紫外到远红外，具有系统结构简易稳定、数据处理简单等优点。相关两项研究成果相继发表在Optics Letters。论文第一作者为特别研究助理黄沛和博士生袁浩，通讯作者为曹华保研究员、付玉喜研究员。 　　超短激光脉冲作为探索物质微观世界以及产生阿秒脉冲的重要工具，其完整的电场波形诊断尤为重要。目前普遍采用的表征技术广义上可分为频域测量、时域测量两类。在频域，具体有频率分辨光学门控(FROG)、光谱相位干涉法 (SPIDER)和色散扫描(D-SCAN)等主要方法，通过测量非线性过程产生的光谱信息来间接获取超短脉冲脉宽及相位。此类方法因装置简单易于搭建而被广泛采用，但通常需要复杂的反演迭代算法，并且难以获得光电场信息，而且受限于相位匹配机制，比较难以应用于倍频程以上的激光脉冲测量。 　　而基于时域采样的测量方法通常不受严格的相位匹配限制，并且对电场波形很敏感，可用于直接测量光电场，近年来发展势头较好。研究团队提出基于微扰三阶非线性过程的全光采样方法是一种基于时域采样的测量方法，在实验中分别应用瞬态光栅效应(TGP)和空气三倍频效应(Air-THG)，准确的测量了钛宝石激光器输出多周期脉冲(750-850nm，25fs)、基于充气空心光纤后压缩技术(600-1000nm，7.2fs)和双啁啾光参量放大系统(1300-2200nm，15fs)产生的少周期脉冲，实现了覆盖可见、近红外到中红外波段的超短脉冲测量，可以满足不同波段超短脉冲测量的需求。未来此项进展可以在阿秒驱动源快速诊断、超短激光脉冲测量装置国产化等方面发挥重要作用。

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室教授彭新华研究组在自旋量子精密测量领域取得重要进展，首次提出和验证了弗洛凯（Floquet）自旋量子放大技术，灵敏度达到了飞特斯拉（即10的负十五次方特斯拉）水平。相关研究成果日前在线发表于《物理评论快报》，并被选为“编辑推荐”文章。审稿人认为该工作“为精密测量以及检验新物理规律提供了超灵敏方法”。随着量子力学基础研究和科学技术的发展，通过原子、分子、自旋等物理系统可以实现微弱信号的量子增强放大。相比基于经典电路的传统放大技术，量子增强放大技术具有更低的量子噪声和更高的放大增益，为提升测量精度提供了强有力的研究手段，受到广泛关注和研究。然而，目前对量子放大精密测量技术的探索仍然有限，实现信号放大主要依赖于量子系统固有的离散能级跃，由于可调谐性的限制，量子系统固有离散跃迁频率往往无法满足放大需要的工作频率，因此限制了量子放大器的性能，如工作带宽、频率和增益等。如果能够克服以上困难，量子放大技术的性能将可得到很大改善，对探测极弱电磁波和奇异粒子等具有重要意义。彭新华研究组研究人员提出了Floquet自旋量子放大技术，克服了以往探测频率范围小等限制，实现了对多个频率的极弱磁场放大。这项技术得益于研究组此前提出的“自旋放大技术”和“Floquet调制技术”，将二者有机结合，从而将量子放大技术推广到Floquet自旋系统。通过理论计算和实验研究，研究团队首次展示了Floquet系统可以实现多个频率待测磁场2个数量级的同时量子放大，测量灵敏度达到了飞特斯拉级级别。据悉，该工作首次将量子放大技术扩展到Floquet自旋系统，有望进一步推广到其他量子放大器，实现全新的一类量子放大器——“Floquet量子放大器”。

光子晶格以其特有的光子带隙能够对光子的辐射和传播行为进行精确控制。自上世纪80年代提出以来，人们在光子晶体研究方面做出了巨大努力，取得了一系列重要研究进展。但作为光子信息处理中最重要的高速与海量光子元件，由于其设计与制备上的困难，发展速度一直比较缓慢。因此，成功设计与制备功能性光子晶体对于提高光子信息传输速率与信息处理能力有重要科学意义与应用价值。 　　最近，中山大学光电材料与技术国家重点实验室周建英教授与俄罗斯莫斯科大学Tretyakov院士以及英国圣安德鲁大学Krauss教授合作，成功设计与制备了一种新型光子晶格——折射率虚部形成的光子晶格，其相关成果发表在近期的《先进材料》杂志(Advanced Materials)。 　　周建英教授设计的新型光子晶格具有奇特的光学性质：这种由在透明介质中周期性掺杂吸收材料而形成的光子晶格晶体，在偏离材料吸收峰时等同于一块结构均匀的体材料，而在特定波段和光强作用下又表现出光子晶体的性质，这种二象性在高速量子信息处理以及光子缓存等领域有广泛应用价值。 　　此成果的合作者，英国St Andrews大学的Thomas F. Krauss教授和莫斯科大学材料学院的Yuri. D. Treyakov院士为物理和材料领域的国际著名学者，他们在本项目成果的样品制备方面提供了重要的技术支持。 　　本项目成果的主要作者之一，中山大学物理科学与工程技术学院毕业的李俊韬博士已于2009年获得著名的“欧盟-玛丽居里夫人研究奖”(Marie Curie Fellowship授予世界各国取得杰出成就的青年学者)，现正在英国St Andrews大学开展相关研究。课题组的博士生毕业后分别在英国St Andrews大学，以色列魏兹曼科学研究所，香港科技大学与光电材料与技术国家重点实验室继续开展合作研究。 　　近期，由周建英教授与美国马里兰大学巴尔地摩分校Yan Li教授以及香港科技大学Kim Sin Wong教授合作的另一相关研究成果“基于相控非线性频率转化的激光光束合成技术”(《光学快报》，Optics Express, Vol. 18, p2995 (2010))，被英国物理学会(IOP)作为亚太地区物理学领域的重要研究进展与亮点予以报道。周建英教授的研究项目获得了国家自然科学基金重点项目，面上项目以及国际合作项目的持续资助。项目还获得了973国家基础研究计划的部分支持。 　　附：研究成果与论文发表 　　《先进材料》(Advanced Materials)2010, 22, 1-4，Juntao Li, Jianying Zhou, et al 　　链接：http://dx.doi.org/10.1002/adma.200903938 　　《光学快报》,(Optics Express),2010，18, 2995，Peiqing Zhang, Jianying Zhou, et al 　　链接：http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=oe-18-3-2995 　　英国物理学会亚太地区物理学研究亮点报道： 　　链接：http://asia.iop.org

中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室在重金属水质基准理论模型与预测研究方面取得重要进展：他们基于金属的物理化学参数，发现并构建了定量离子特征&mdash 毒性模型。 环境基准是制定环境标准的基础和科学依据，是国际环境科学研究的前沿领域。水质基准研究始于美国上世纪中叶，近三十年，7次颁布并更新共计267种污染物的水质基准值，但其中仅包括10种金属。重金属是水环境中的重要污染物，然而不少金属毒性数据较少，其环境效应复杂，影响因素较多，缺乏相关定量预测模型，大部分金属的水质基准研究还处于空白状态。 环境基准与风险评估国家重点实验室的研究弥补了这一空白。在国家自然基金委和科技部&ldquo 973&rdquo 项目的资助下，他们结合物种敏感度分析，较好地预测了25种金属或类金属的毒性值和相应的水质基准值，预测值与美国EPA基准推荐值在可接受范围之内。同时，他们还研究发现，最少可通过金属软指数、最大配合物稳定常数、电化学势和共价指数4个理化参数就能够预测8种国际通用模式生物的毒性效应。 该研究方法不仅为国际传统水质基准理论方法提供了有益补充，而且为一些难以开展实验研究的珍稀水生生物毒性研究提供了有效的新手段，拓展了QSAR在金属毒性和水质基准中的应用。 相关成果发表在Environ Sci & Technol（2013，47，1，446&mdash 453）上，并被评为2012年度该刊环境科学领域最佳论文之一（Second Runner-Up Best Article&mdash Science ES&T 2012）。ES&T是国际环境科学与工程领域的顶级刊物, 该刊自2005年以来，每年在科学与工程领域文章中各评选3~4篇优秀论文予以特别表彰。该论文在2012年1640多篇文章中脱颖而出，这是ES&T刊物设置科学领域优秀论文以来中国科学家首次获得该项殊荣， 美国工程院院士、ES&T主编Schnoor教授来信评价论文&ldquo 对该领域有重大和深远的影响&rdquo 。 实验室于2011年10月经科技部批准建设，是我国环保系统第一个国家重点实验室。近年来，实验室瞄准国际科学前沿和&ldquo 科学确定基准&rdquo 的国家目标，开展环境基准与风险评估领域的基础与应用基础研究工作，为我国环境质量标准制/修订、生态环境保护重大决策和环境管理提供科技支撑，已经成为我国环境保护科学研究与人才培养的重要基地。

中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子密钥分发(QKD)的实际安全性研究方面取得重要进展。该团队韩正甫、王双、银振强、陈巍等发现了QKD发送端调制器件的一种潜在安全性漏洞，并利用该漏洞完成的量子黑客攻击实验表明：当QKD的发送端未对该漏洞进行严格防护时，攻击者有可能利用其获取全部的密钥信息。相关研究的两项成果分别于4月20日和5月16日在线发表在国际学术知名期刊《Optica》[Optica, 10, 520-527(2023)]和《Physical Review Applied》[Physical Review Applied, 19,054052(2023)]上，并入选当期的编辑推荐工作。 　　QKD理论上可以在用户之间生成信息论安全的密钥，然而实际设备的非理想特性可能会与理论假设不符，从而被窃听者利用。因此，对QKD系统的实际安全性进行全面而深入的分析，进而设计更完善、更安全的实际系统，是推进QKD实用化的重要环节。郭光灿、韩正甫研究组在QKD系统的实际安全性分析及攻防技术上取得了一系列研究成果，包括：发现探测设备的雪崩过渡区控制漏洞[Physical Review Applied, 10, 064062(2018)]、提出针对探测设备控制攻击的可变衰减防御方案[Optica, 6, 1178-1184(2019)]、研制无需探测表征的量子随机数发生器[Physical Review Letters, 129,050506(2022)]、设计消除编码偏差的容错增强协议[Optica, 9, 812-823(2022)]等。 　　在本工作中，研究组提出了通过外部注入光子操控QKD发送端核心器件的工作状态，进而窃取密钥的攻击思想。研究组首先提出和分析了在商用铌酸锂器件中较显著的光折变效应对QKD的影响，进而设计和验证了对BB84协议QKD系统的攻击方案。实验结果表明：攻击者仅需从外部注入3nW的诱导光，就能成功地实施攻击。团队进一步对测量设备无关型QKD系统设计了发送端攻击方案：攻击者在测量发送端发出的所有量子态的同时，通过注入诱导光引发发送端铌酸锂调制器的光折变效应，从而隐藏其测量行为引起的扰动。研究组利用该方案完成了首个对运行中的测量设备无关QKD系统的量子黑客攻击实验，证明在不被察觉的情况下，窃听者可以获取几乎全部的密钥。针对以上安全性漏洞和攻击方法，研究组也提出了可以有效防御该漏洞的系统设计思路和技术实现方案，验证了通过良好的系统设计和优化的器件使用方式，可以有效提升QKD系统的实际安全性。 图1 针对测量设备无关系统的量子黑客攻击装置 　　研究组的成果为提升QKD系统的实际安全性研究打开了新的窗口，既发掘和分析了发送端潜在漏洞及其对系统实际安全性带来的威胁，也提出了相应的解决方法。该成果有助于引发领域研究人员对QKD实际安全性的更深入、更全面的思考，对推动QKD的实用化和标准化有重要的意义。 　　《Optica》论文的第一作者为中科院量子信息重点实验室博士后卢奉宇和博士生叶鹏，通讯作者为王双教授和银振强教授；《Physical Review Applied》论文的第一作者是博士生叶鹏，通讯作者为陈巍研究员。上述研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国博士后科学基金会、中国科学院和安徽省的资助。

中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、林毅恒等人与中科院量子信息重点实验室罗希望等合作，在拓扑相变量子模拟方面取得重要进展。通过发展高自旋离子阱体系的调控技术，实现了对三重简并拓扑单极子的量子模拟，观测到具有不同拓扑荷的单极子之间的相变，并展示了自旋张量在其中的重要作用。该研究结果于2022年12月14日以“Observation of Spin-Tensor Induced Topological Phase Transitions of Triply Degenerate Points with a Trapped Ion”为题，发表在《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 129, 250501 (2022)] 。 　　拓扑物态是当前物理研究的前沿和主流领域之一，为新材料、新器件的设计带来了新的思路，乃至对我们深入理解宇宙基本粒子的性质都具有重要的意义。2016年，诺贝尔物理学奖便授予了在拓扑物理学方面做出开创性贡献的三位科学家。拓扑源自于数学，指在局部的连续变化下保持不变的整体性质。比如面包圈和茶杯拓扑等价，这是由于他们都有一个穿透的洞，而洞的个数是一个拓扑性质，对应拓扑荷。科学家发现，拓扑在凝聚物质的一些物理特性上也起到关键作用，这些物理特性不依赖样品的细节，完全由系统状态的整体拓扑性质确定。而拓扑相变——具有不同拓扑性质的状态之间的转变——一定是不连续的跃变。例如在一些半金属材料中，能带简并点形成的类似单极子的拓扑结构可以具有不同的拓扑荷，探索他们之间的拓扑相变是目前的前沿研究方向之一。同时，简并点附近的准粒子激发表现出类似基本粒子的行为，探索其拓扑相变对于探索新型粒子也具有重要意义。 　　此项研究针对拓扑相变中的一类重要的费米子——三重简并费米子模型进行实验模拟。该模型对应自旋为1的拓扑单极子，在近期的研究中受到广泛关注。然而，在固体材料体系中，直接观测这种三重简并点的拓扑相变需要复杂的调控，目前难以实现。因此，高度可控的量子模拟器为研究拓扑现象提供了新的途径。这项研究中，通过使用在超高真空环境束缚的铍离子，结合微波、射频等的精准调控，构建多能级的量子体系，可以有效的观测自旋为1的拓扑单极子的行为。通过调控实验参数，研究人员清晰的观测到量子态的拓扑相变，并且提取出高阶自旋张量在其中的贡献(图1所示)。该工作发展出的高度可调控的多能级束缚离子系统，为研究高自旋物理提供了良好的平台，并为进一步研究新奇高阶拓扑简并态以及其他拓扑单极子现象铺平了道路。图1. 自旋为1的拓扑量子模拟实验结果。左图：实验观测到的拓扑相变行为，其中 β-2 对应拓扑荷为2， β-2 对应拓扑荷为0；不同颜色的数据代表拓扑相变中各种分量的贡献，其中黄色数据代表张量部分的贡献，实线为对应的理论预测结果。右图：实验观测张量椭球在拓扑相变点 β≈-2 附近的几何环绕行为。自旋张量椭球在参数空间中特定回路的演化，可以清晰的反应张量对拓扑荷的贡献。研究中使用的离子阱实验系统属于近几年迅速发展起来的高自旋量子模拟器。中科院微观磁共振重点实验室杜江峰院士、林毅恒教授带领团队从无到有搭建了实验平台，并成功发展了一系列新型的高自旋操控技术，包括使用动力学去耦将三能级状态相干时间提高一个数量级[Phys. Rev. A. 106, 022412 (2022)]；通过解析模型辅助的形状脉冲，以实现四能级系统的两个近邻跃迁之间的快速普适调控[Phys. Rev. Applied. 18, 034047 (2022)]。上述工作为本文的研究奠定了核心实验基础。中科院量子信息重点实验室罗希望教授、美国德克萨斯大学达拉斯分校张传伟教授为本文的工作提供核心理论支持。 　　审稿人高度评价该工作，指出“...importantly, the spin-tensor-momentum-coupling could be generated for spin-1 systems and induce intriguing quantum phenomena different from spin-1/2 ones. This work is of interest and importance.”(“……重要的是，自旋-张量-动量的耦合可以通过自旋为1的系统生成，导致与自旋1/2不同的有趣的量子现象。这个工作是有意思的和重要的。”) 　　中科院微观磁共振重点实验室博士研究生张梦翔、李岳以及袁新星博士为该论文共同第一作者，杜江峰院士、林毅恒教授和罗希望教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、中科院、科技部、安徽省的资助。

日前，中科院合肥研究院智能所研究员刘锦淮和黄行九带领课题组，在纳米间隙电极传感器件的研究中取得重要进展。 　　纳米间隙电极传感器件的突出特点，是可直接将待测物质的某种特性转化为更简洁、更直观的电信号——如电阻、阻抗等，以实现对目标分子的痕量、高灵敏度检测。其中，针对痕量的待测目标分子，如何获得增强、有效的信号一直是研究热点之一。智能所研究人员运用金纳米颗粒构筑了纳米间隙电极，提出了两种检测新思路。 　　首先，他们通过在纳米间隙电极间引入硒化镉量子点，有效提高了有机分子链霉亲和素检测的灵敏度与信号强度。同时，他们采用电化学阻抗谱和循环伏安法，进一步证实了在紫外可见光照下信号显著增强效应 停止光照后，电化学阻抗值恢复到未加光照的水平。这些发现表明硒化镉量子点的信号增强作用是可靠且可逆的。该研究结果近期发表于国际纳米材料杂志《微尺度》，并被选为当期封面。 　　相反，研究人员将环糊精组装到金纳米颗粒表面，利用环糊精分子(CD)空腔对多氯联苯分子(PCBs)的捕获作用，提出了另一种“抑制电荷输运”式检测新方法，即当不良介电性质的多氯联苯分子进入到环糊精分子空腔后，测量的电流信号强度显示出明显下降。采用该方法对多氯联苯的最低检测浓度可达1纳米。此成果发表在美国化学会《分析化学》杂志上。 　　据悉，上述研究工作获得国家“973”计划项目、国家自然科学基金委重大研究计划“纳米制造的基础研究”、中科院“百人计划”等项目的支持。

近日，西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室非线性光学及应用课题组在亚散粒噪声精密测量领域研究取得重要进展，相关成果以“Tolerance enhancement of inefficient detection and frequency detuning by non-perfect phase-sensitive amplification in broadband squeezing-based precision measurement”为题发表在国际著名光学期刊Journal of the Optical Society of America B，并被选为Editor`s Pick(编辑精选)文章。(Editor's Picks serve to highlight articles with excellent scientific quality and are representative of the work taking place in a specific field.) 　　标准量子极限是经典测量技术所能达到的最小测量极限。随着引力波等微弱信号探测需求的增长，如何突破标准量子极限实现更高精度测量是精密测量领域的重要科学问题。作为最实用和最有效的量子计量资源之一，压缩态能使测量精度突破散粒噪声极限并逼近海森堡极限，可以为精密测量领域带来革命性突破。 　　然而压缩态的低鲁棒性限制了它在复杂环境中的应用，且探测器的非理想探测效率也会导致其量子优势无法充分体现。对此，研究人员提出使用光参量放大器(OPA)对微弱信号进行预放大来克服由于低探测效率引起的检测损失。由于存在量子涨落现象，经典放大器的放大过程会伴随着散粒噪声引入，导致噪声指数NF3dB。因此，突破这一固有限制是微弱信号精密测量亟需解决的重点与难点。 　　基于以上关键问题，该课题组开展了基于二阶非线性的相位敏感光参量放大器(PSA)相关研究。PSA以其在放大过程中不引入新的噪声的独有特性，可实现对微弱信号无噪放大，有望助力光学精密测量技术实现新的突破。 图1. 基于压缩态的亚散粒噪声量子测量方案示意图 　　课题组提出了应用PSA来提高基于宽带压缩光的微弱信号探测能力的方法。研究发现，使用宽带压缩光作为探测光可提高微弱信号的探测能力，在探测器的探测效率较低时(η　　西安光机所非线性光学及应用课题组近年来对微弱信号探测及弱光成像技术进行了深入的研究并取得一定的突破。应用非线性光学效应可以有效解决弱信号探测及成像领域因背景噪声强、探测器低灵敏度等因素而导致难以有效探测识别微弱信号的技术瓶颈问题，该课题组已形成光学随机共振弱光图像重构技术、中红外上转换高灵敏探测技术以及相位敏感弱信号放大等关键技术的研究能力，相关研究成果近期先后发表在Optics Express、IEEE Photonics Journal、Nanomaterials、Journal of the Optical Society of America B等国际知名期刊上，得到了国内外同行专家的认可和积极的评价。

在国家自然科学基金等项目资助下，暨南大学陈凯研究员团队在光学非辐射态（Anapole态）领域研究取得重要进展。相关研究发表于Small，并被选为内封底论文。马楚荣讲师为该论文第一作者，陈凯研究员为通讯作者，该工作还得到了李向平研究员和关柏鸥教授的大力支持。在过去的十年中，低损耗的全介质纳米结构已经成为纳米尺度光操控的重要平台。其中，高折射率全介质纳米盘可以激发出光学Anapole态，展现出独一无二的近场分布以及零远场散射特性。作为一种非辐射态，它可以显著增强非线性光学效应和光热效应等，提供了新颖的调控光-物质相互作用的手段。然而，这种分布在结构内部的Anapole态的局域场增强较弱，且它的产生并不能通过激发偏振加以控制，因此限制了它的应用。研究人员在全介质纳米盘低聚体中发现了一种具有偏振激发特性的新型Anapole态，而且它的局域场增强不仅仅局限在结构内部。他们利用聚苯乙烯微球自组装技术与物理气相沉积镀膜工艺相互结合的方法，制备得到了大量的Si纳米盘单体及低聚体结构。在单个纳米盘中，电偶极子和环形偶极子的相消干涉导致了在特定波长处的本征Anapole态（AE1）。由于盘的圆对称性，它的产生不依赖于激发偏振，近场增强也局域在纳米盘内部。而在纳米盘二聚体中，当入射光电场方向沿垂直于长轴方向激发时，其散射光谱长波处还存在一种新型的非辐射态（AE0），即非本征态。理论研究表明，两个纳米盘耦合后的环形偶极子在光谱上得到充分的展宽，与耦合后的电偶极子在长波处发生部分重叠。此外，它们的相位相差π，因此，这两者之间的相消干涉导致了非本征Anapole态的形成。与本征态不同的是，非本征态的增强电场遍布整个二聚体及其周围。当入射光电场方向沿二聚体长轴方向激发时，散射光谱中只能观察到本征态。有趣的是，随着第三个盘的加入，非本征Anapole态的偏振激发特性消失。尽管不同偏振激发下的Si纳米盘三聚体的散射光谱几乎没有区别，它们的局域场分布却有很大的差异。新型Anapole态的产生可以显著增强Si纳米盘低聚体宽光谱光致发光效率，通过匹配飞秒激光激发波长与非本征Anapole态，Si纳米盘二聚体及三聚体由于双光子吸收诱导的白光发射强度远超单个纳米盘，这主要源于光吸收的增强以及载流子注入的提升。

p 　　在国家自然科学基金项目等资助下，中国科学院生物物理研究所徐涛院士和纪伟教授级高级工程师在提高光学显微镜分辨率技术领域取得重要进展。相关成果以“Molecular Resolution Imaging by Repetitive Optical Selective Exposure”( 基于重复光学选择曝光的分子分辨率成像技术)为题，于2019年9月9日在Nature Methods(《自然方法学》)杂志在线发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41592-019-0544-2。 /p p 　　该工作提出了一种基于激光干涉条纹定位成像的新技术，并据此研制出新型单分子干涉定位显微镜(Repetitive Optical Selective Exposure, ROSE)，将荧光显微镜分辨率提升至3 nm以内的分子尺度，单分子定位精度接近1 nm，可以分辨点距为5 nm的DNA origami(DNA 折纸)结构。为降低单分子发光时的闪烁和漂白对亮度和定位精度产生的不良影响，研发团队对显微镜光路进行了创造性地设计，分别为：基于电光调制器的干涉条纹快速切换激发光路，基于谐振振镜扫描的6组共轭成像光路，两种光路的同步实现了高达8 kHz的分时成像，确保在相机的单次曝光时间里把每个单分子发光状态均匀分配给6个干涉条纹，有效避免了荧光分子发光能力波动对定位精度的干扰。 /p p 　　研发团队利用该技术对不同荧光位点间距的DNA origami阵列进行验证测试，证明干涉成像分辨率达到了3 nm的分子水平。后续的细胞实验结果显示，该技术在免疫标记的微管、CCP(clathrin coated pits，网格蛋白有被小窝)以及较致密的细胞骨架成像时展现出良好性能，该工作使得超高分辨光学显微镜家族再添新成员，光学显微镜分辨率被进一步突破，将为进一步解析精细亚细胞的组分和生物大分子的纳米结构提供有力工具。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/a05a7f71-279c-47d6-855f-34acf83f1e5f.jpg" title=" tpxw2019-09-19-01.jpg" alt=" tpxw2019-09-19-01.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图. ROSE干涉定位与传统质心定位的原理示意，以及用于DNA origami和细胞微丝成像效果比较 /strong /p

p 　　利用单个分子构建电子器件有希望突破目前半导体器件微小化发展中的瓶颈，其中实现可控的单分子电子开关功能是验证分子能否作为核心组件应用到电子器件中的关键步骤。 br/ /p p 　　在国家自然科学基金(资助号: 21225311, 91333102, 21373014, 21190033, 91221202, 61321001)等的资助下，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组联合美国宾夕法尼亚大学Abraham Nitzan教授课题组、北京大学信息科学技术学院徐洪起教授课题组及其他合作者于2016年6月17日在Science上发表了单分子器件研究领域的最新进展“Covalently bonded single-molecule junctions with stable and reversible photoswitched conductivity”(《通过共价键构筑的具有稳定且可逆光开关导电性的单分子结》)，该文的核心内容是利用二芳烯分子为功能中心、石墨烯为电极首次成功地实现了真实稳定可控的单分子光电子开关效应研究的突破(图1)。论文链接： a href=" http://science.sciencemag.org/content/352/6292/1443" _src=" http://science.sciencemag.org/content/352/6292/1443" http://science.sciencemag.org/content/352/6292/1443 /a /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201606/noimg/e529f9bb-e43b-498c-a226-c1cd21c93e44.jpg" title=" 1.jpg" / /p p style=" text-align: center " 图1 石墨烯–二芳烯单分子器件的示意图 /p p 　　研究者们发展起来的碳基单分子器件结构提供了更坚实的单分子器件研究平台，使得以前无法开展的工作成为可能，这将孕育着新的突破。 /p p 　　该项研究证明功能分子确实可以作为核心组件来构建电子回路，这是将功能分子应用到实用的电子器件迈出的重要一步，在未来高度集成的信息处理器、分子计算机和精准分子诊断技术等方面具有巨大的应用前景。Science同期的Perspective Article以“Designing a robust single-molecule switch: A single-molecule switch works at room temperature”为题对此工作发表了长篇评述(Science 2016,17, 1394)。 /p p br/ /p

中药产品质量控制问题仍是制约中药现代化、国际化的主要瓶颈问题。在十一五重大新药创制科技重大专项(2010ZX09502-002、2011ZX09201-201-24)、国家自然科学基金(81303218)、国家博士点基金(20130013120006)、北京市科技计划重点项目(D0205004040111、H040230130610、H040230130710、H030230170130)等项目的资助下，北京中医药大学乔延江教授课题组在中药质量NIR实时检测研究领域开展了较为深入的研究工作，取得了一系列重要进展。　　 中药质量NIR实时检测(RTD)关键技术 　　以中药质量稳定均一性为基础，以传感/谱学/成像联用技术、多变量信息技术、实时检测共性技术为支撑： 　　创建了中药质量NIR实时检测的多变量误差理论(J Pharmaceut. Biomed. 2013, 77:16-20)，创建了新的中药质量NIR实时检测多变量检测限计算方法(Bioresour. Technol., 137, 2013, 394 &ndash 399.)。使中药NIR实时检测的多变量检测限由1000ppm降低到10ppm，实现了NIR从常量分析扩展到微量分析的目的。 　　创建了中药质量NIR实时检测模型可靠性评价方法，首次建立了中药质量NIR模型准确性轮廓方法验证方法(J Pharmaceut. Biomed. 2012, 62, 1-6 Talanta. 2013, 30 248-254.) 针对NIR实时检测模型泛化能力差的缺陷，采用正交回归将光谱变异分解，辨识质量变异相关信息，实现了模型在不同生产批次间和仪器间的传递(J. Chemometr., 2013 27 (11): 406) 采用简单区间计算识别变异光谱信息，提高了NIR模型更新能力(Anal. Chim. Acta, 2012, 720, 22-28.)，以上系统解决了NIR实时检测模型可靠性问题。 　　搭载了自主知识产权的在线预处理系统与方法(专利号：ZL201020568372.1)，建立了中药质量NIR实时检测共性技术, 构建了从原料药、中间体、过程单元，到成品系统性NIR实时检测方法(Talanta. 2015, 132 175&ndash 181.)，包括贵细中药原料真伪的NIR实时评价技术和固体制剂成品的NIR成像评价技术，全面保证了中药生产过程质量稳定可控。

近期中国科学院上海光学精密机械研究所李儒新、田野和宋立伟团队在太赫兹波电子加速领域取得重要进展。研究团队基于上海光机所新一代超强超短脉冲激光综合实验装置，利用超强超短激光驱动丝波导产生毫焦耳级太赫兹表面波，并采用表面波进行电子加速，解决了高能量太赫兹波产生以及自由空间太赫兹波至波导能量耦合效率低等难题。该项研究将太赫兹波的产生、传输及耦合集成到波导上，并在波导管中5mm距离实现了最高1.1 MeV的电子能量增益和210 MV/m的平均加速梯度，较当前太赫兹波加速电子能量增益的世界纪录提升了近一个量级，同时为全光学集成化电子加速器研究开辟了崭新途径。相关研究成果于2023年7月13日以“Megaelectronvolt electron acceleration driven by terahertz surface waves”为题发表于《自然光子学》(Nature Photonics)期刊。 　　小型化集成化的电子加速器将极大地推动其在前沿科学与技术领域的广泛应用。利用太赫兹波驱动电子加速作为近十年来发展的新兴加速技术，能够提供比传统射频加速更高的加速梯度，是实现小型化、低成本加速装置的可靠途径之一，有望将加速器的应用推广向包括小型实验室、医院等在内的更多应用场景。 　　当前发展的太赫兹电子加速基于自由空间的太赫兹源技术，太赫兹波产生后，经收集、传输、偏振转换，再聚焦至用于加速电子的波导结构。实验上，为了尽可能提高波导内部的太赫兹加速梯度，需要太赫兹源提供足够的能量以弥补光路中散射、反射，以及模式转换的能量损耗。常见的太赫兹源，例如基于光学晶体产生的太赫兹辐射通常需要经过光学元件的收集及导引，并通过分段波片或相移片进行模式转换，不可避免地造成能量损失。相比自由空间的太赫兹辐射，束缚于介质表面的光学表面波，如表面等离极化激元(surface plasmon polaritons, SPP)，为太赫兹的导引与模式转换提供了全新的思路。 　　研究团队近年来在小型化的激光加速电子源与辐射光源等领域长期探索，并于近期发现了太赫兹表面等离极化激元相干放大机制(Nature 611, 55–60 (2022))，能够实现高功率表面等离极化激元相干辐射源。围绕轴对称金属圆柱形波导上的太赫兹表面等离极化激元的索莫菲波属性，以及对低色散基横磁(TM)模式，研究团队进一步将此高功率的太赫兹表面等离极化激元直接与加速波导耦合，实现了85%的耦合效率，能有效将飞秒激光泵浦金属圆柱波导产生的毫焦耳级太赫兹能量与电子束作用，并最终在5mm长度上使电子获得最高1.1 MeV的能量增益及210 MV/m的平均加速梯度，将当前国际上太赫兹波驱动的电子能量增益最好结果提升了近一个量级。 　　未来，研究团队将基于这一太赫兹表面波模式驱动电子加速的全新方案进一步发展集成化的全光学电子加速技术，并拓展其在小型辐射源及材料检测等领域的交叉应用。 　　相关研究工作的合作团队包括北京航空航天大学与张江实验室等，该工作共同第一作者为上海光机所博士研究生余谢秋与特别研究助理曾雨珊，工作得到了科技部重点研发计划、中科院先导B、基础研究特区计划、中科院人才引进计划、国家自然科学基金、中科院青促会和上海市科技启明星扬帆计划等支持。图1 太赫兹表面波驱动电子加速实验示意图图2 实验测得的最大电子能量增益结果图3 自由空间(a)与金属圆柱波导(b)太赫兹耦合状态下，加速波导内的电场强度对比(c)