反氢原子

p 　　英国《自然》杂志19日在线发表了一项粒子物理学重大进展：欧洲核子研究中心(CERN)报告了对反物质原子的首次光谱测量，实现了反物质物理学研究长期以来的一个目标。该成果标志着人类向高精度测试物质与反物质行为是否不同迈进了重要一步。 /p p 　　当今宇宙为何看起来几乎全由普通物质构成，这是物理学界的一个重大谜题。因为根据粒子物理学经典模型的预测，在大爆炸发生之后应存在等量的物质和反物质。光照射可以激发原子，当原子恢复至基态时会发光，光的频率分布形成，可以借用其光谱精确地测量出原子属性，这也是光谱学的基本原理。但是，反物质难以产生和捕捉，因为反物质一旦与物质接触就会湮灭，这为科学家测量其属性带来挑战。 /p p 　　欧核中心反质子减速器的最新进展，让研究人员得以捕捉和测量反质子与反氢原子。现在，来自欧核中心反氢激光物理装置(ALPHA)项目的丹麦科学家杰弗里· 汉斯特及其同事，在圆柱形真空腔内成功磁捕获反氢原子。这一真空腔长仅280毫米，直径为44毫米，研究人员通过真空腔上的窗口向里面照射激光，测量了反原子1S—2S的跃迁(从基态向激发态跃迁)情况。 /p p 　　研究团队报告称，反氢的跃迁频率与氢的跃迁频率一致。氢的光谱已经得到高精度表征，因此反氢光谱学的改进应可以促成对物质—反物质对称性的高敏度测试。 /p p 　　ALPHA装置是欧核中心捕获反原子的“利器”，该项目组此前曾用特殊磁场将反氢原子“抓住”达1000秒，还曾首次对反物质与引力的相互作用进行直接分析。 /p p br/ /p

当提到原子时，你的脑海中浮现的是怎样的画面？一个最广为流传的版本是，电子围绕着原子核在圆形的轨道上运动，就像太阳系中行星绕太阳运动一样。然而，这个原子模型并不准确。随着人们对量子世界的深入理解，物理学家逐渐了解到，电子可以同时存在于不同的位置。只有当对一个电子进行测量时，它的波函数才会坍缩，从而出现在一个特定的位置。也就是说，如果进行多次测量，并每次都绘制出电子的位置，最终就会得到一个轨道云模式。这才是更接近真实的单原子的画面。早在2008年，物理学家就成功地用电子显微镜拍摄了单个氢原子的图像。五年后，科学家做到了用“量子显微镜”窥视氢原子的内部，首次直接观察到了电子轨道。2013年，物理学家用量子显微镜窥视了氢原子的内部。（图/A. S. Stodolna et al.）近日，《自然》杂志上刊登了一篇新的研究表明，一组物理学家已经获得了首个单个原子的X射线成像。这是一项有望彻底改变科学家探测材料的方式的突破性成就。无处不在的X射线物理学家经常使用扫描探针显微镜对原子进行常规成像。它的工作原理是在材料的表面上运行一个非常锋利的尖端，然后根据从尖端读取的信号，形成一个表面的图像。但是，如果没有X射线，科学家就不能分辨样品是由什么组成的。自1895年伦琴（Wilhelm Röntgen）发现X射线以来，从医学检查到机场安检再到材料科学，X射线的应用可以说是无处不在。即使是发射到太空的探测器，也有许多都配备了X射线设备。在科学上，X射线的一个重要用途是检测样品中的材料的种类。多年来，随着同步加速器X射线源和新仪器的发展，对样品进行X射线检测时所需的材料的量已经大大减少。在此之前，科学家已经可以用X射线对质量只有一阿克（一微微微克）的样品进行检测，这大约相当于10000多个原子的质量。然而，这与只对一个原子进行X射线探测仍有很大距离。实现这一目标的主要挑战就在于，一个原子产生的X射线信号极其微弱，传统的X射线探测器无法探测到。SX-STM过去的12年里，以Saw-Wai Hla为代表的物理学家一直致力于将同步辐射和量子隧穿结合，进而开发出一种X射线版本的扫描隧穿显微术。他们将这种技术称为同步加速器X射线扫描隧穿显微术（SX-STM）。当X射线（蓝）照射到铁原子（分子中心的红球）上时，核心能级的电子被激发。然后，X射线激发的电子通过重叠的原子/分子轨道，隧穿到探测器的尖端（灰），提供了铁原子的元素和化学信息。（图/Saw-Wai Hla et al via ohio.edu）在这项新技术中，研究人员在传统的X射线探测器之外，还使用了一种专门配备了一个尖锐的金属尖端的的探测器。尖端被放置在离样品非常近的地方，当X射线击中样品，并激发核心电子时，电子会隧穿到探测器的尖端。核心能级的电子的光吸收就像指纹一样，可以帮助科学家有效地识别材料中的原子类型。在新的研究中，Hla与合作者利用SX-STM，对铁和铽（稀土金属）进行了测试。他们将一个铁原子和一个铽原子插入各自的超分子宿主中，成功实现了对单个原子进行准确的类型检测。左：环状超分子的图像，整个环中只有一个铁原子。右：一个铁原子的X射线特征。（图/Saw-Wai Hla et al via ohio.edu）不仅如此，他们还同时测得了这些单个原子的化学状态。通过比较铁原子和铽原子在各自的超分子宿主内的化学状态，他们发现铽原子相当孤立，它不会改变化学状态；而铁原子则会与周围的物质产生强烈的相互作用。技术的革新这项研究成功地将同步加速器X射线与量子隧穿联系了起来。它实现了对单个原子进行X射线成像，并开辟了许多令人兴奋的研究方向，包括使用同步加速器X射线研究单个原子的量子和自旋特性。这将对量子信息、环境科学、医学研究等众多领域产生巨大影响。此外，他们还开发了一种名为“X射线激发共振隧道（X-ERT）”的新方法，这种方法使他们可以用同步加速器X射线检测材料表面上的单个分子的轨道方向。未来，研究团队希望能继续使用X射线来检测单个原子的性质，并找到进一步革新其应用的方法。

当“安静”的铝制品遇见“淘气”的氢原子，为何“肌肤”表面就会冒出“痘痘”?　　这一谜团已存在超过50年。　　西安交通大学金属材料强度国家重点实验室微纳尺度材料行为研究中心的科研人员破解了这一难题。此项成果6月29日在线发表在世界著名期刊《自然-材料》上(原文链接http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4336.html)。　　人们知道，生活中常见的铝制品通常稳定耐用，因为它的表面会自然形成一层致密而坚硬的氧化铝保护膜，俗称“刚玉”。但在含氢环境中，铝制品常常会在表面鼓出气泡，最终导致氧化膜保护层脱落，乃至材料失效。这一现象，被称为“氢鼓泡”。　　西安交大科研人员发现，原来，对于“纤瘦”的氢原子而言，刚玉中的原子间隙如此之大，以至于它们可以在其中来去自如。氢原子的随性“游走”会破坏金属铝和刚玉之间“手拉手”的紧密联系，从而使一部分铝原子“重获自由”。这些铝原子也会在氧化物和金属铝的界面上自由运动，并在金属铝的一侧形成很多微小的坑。随着坑的不断长大，氢原子拥有足够的空间重新结合形成氢分子并对氧化膜产生压力。当坑的直径大到某一临界尺寸时，氧化膜就会被撑得发生塑性变形，并向外鼓出形成气泡。而气泡密度足够大时，氧化膜保护层便会脱落，最终导致材料失效。　　这种氢致界面失效是在石化、海洋、核、航空航天及半导体等工业里常见的金属材料失效原因之一。尽管此前不同国度的研究人员进行了大量的研究，但对其原子尺度的机理一直不甚明了。传统的表面鼓泡理论只能解释气泡的生长，对于气泡的形核则缺乏理论及实验证据。西安交大微纳中心的这一研究发现填补了氢致界面失效现象起源的实验和理论空白，有助于人们找到防止氢致界面失效的方法，提高材料在含氢环境中的服役寿命。　　“举一个激动人心的例子：太阳帆，”微纳中心博士生解德刚介绍说，宇宙中氢的质量分数在70%以上，人类造的任何飞行器在太空航行时都必须考虑氢对材料性能的影响。太阳帆的原理就是利用大面积镜面般光滑的薄膜反射太阳光以获得动力航行。目前最有可能的薄膜材料就是铝箔，科学家已经意识到太空环境中铝箔表面易发生鼓泡的现象，而太阳帆表面一旦发生鼓泡，其反射能力就会大打折扣，影响飞行器的动力性能。“希望我们的发现对于太阳帆的防氢设计有着积极的指导意义”，解德刚对此十分期待。　　“这项发现对很多与氢有关的未解之谜都有着重要的启示，”微纳中心主任单智伟教授告诉记者，“比如半导体芯片中的导线基底界面劣化、电厂的汽轮机叶片的氧化皮脱落、核电站中有大量的质子辐射环境以及高温水汽环境等等。”　　此项研究中，微纳中心的科研人员一改以往楔形的样品设计，采用微纳尺度的金属铝圆柱体，通过环境透射电子显微镜观察氢气氛围下金属和氧化界面的动态演化过程，以令人信服的证据无可争辩地证明了氢致表面氧化物鼓泡的晶向依赖性。　　据了解，绝大多数金属制品在实际使用时表面都会有一层保护膜，有的是自然形成，有的是人为添加。这层保护膜通常起着防氧化、防腐蚀、耐磨损等作用。一旦被破坏，材料的氧化、腐蚀、磨损就会加速，发生到一定程度就会使材料彻底失效。单智伟教授指出，降低表面防护层的粗糙度，选择合适的金属基底取向，对界面进行有目的改性等可有效减缓甚至防止氢致界面失效的发生。接下来，研究小组将继续聚焦氢致材料失效机理研究，致力于进一步推动人们对氢影响的认知，以减少和避免由氢脆等材料失效所造成的巨额经济损失和重大安全事故。　　该文章的作者依次为博士生解德刚、王章洁博士、孙军教授、马恩教授、李巨教授和单智伟教授。此项研究工作得到中国国家自然科学基金、973项目及111项目的资助。

当“安静”的铝制品遇见“淘气”的氢原子，为何“肌肤”表面就会冒出“痘痘”？这一谜团已存在超过50年。　　日前，这一难题被西安交通大学单智伟教授及其课题组成员成功攻关。此项成果6月29日在线发表在世界著名期刊《自然-材料》上。单智伟教授团队采用原位、动态的先进技术手段，在纳米尺度揭示了稳定的铝制品在含氢环境下界面失效的反应机理。　　(原文链接http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4336.html)　　这项科研成果主要依赖的科研工具是日立的原位环境透射电镜H-9500，原位环境透射电子显微镜是研究不同外界环境对材料影响的相关研究人员不可或缺的实验仪器。日立对原位环境电镜的设计和应用一直处于全球领先水平，原位环境透射电镜设计有H-9500和HF3300两个型号。目前，国内配备有日立H-9500的单位有浙江大学电子显微镜中心、西安交通大学微纳尺度材料行为研究中心。区别于市场上其他原位环境电镜，H-9500和HF3300除可以使用特定的原位样品杆(如加热样品杆、通气样品杆等)对纳米材料进行原位观测和分析，H-9500和HF3300还可以在电子枪仍保持较高真空度的情况下，在镜筒内通入无腐蚀性的气体，在更接近常压的气氛环境中对材料进行各种性能测试，实验重现性较好，因此研究结果更为准确可靠。那么，西安交大单智伟教授团队是如何攻破这一难关的呢？生活中常见的铝制品通常稳定耐用，因为它的表面会自然形成一层致密而坚硬的氧化铝保护膜，俗称“刚玉”。但在含氢环境中，铝制品常常会在表面鼓出气泡，最终导致氧化膜保护层脱落，乃至材料失效。这一现象，被称为“氢鼓泡”。　　单智伟教授团队发现，原来，对于“纤瘦”的氢原子而言，刚玉中的原子间隙如此之大，以至于它们可以在其中来去自如。氢原子的随性“游走”会破坏金属铝和刚玉之间“手拉手”的紧密联系，从而使一部分铝原子“重获自由”。这些铝原子也会在氧化物和金属铝的界面上自由运动，并在金属铝的一侧形成很多微小的坑。随着坑的不断长大，氢原子拥有足够的空间重新结合形成氢分子并对氧化膜产生压力。当坑的直径大到某一临界尺寸时，氧化膜就会被撑得发生塑性变形，并向外鼓出形成气泡。而气泡密度足够大时，氧化膜保护层便会脱落，最终导致材料失效。　　这个重要发现意义非凡。传统的表面鼓泡理论只能解释气泡的生长，对于气泡的形核则缺乏理论及实验证据，西安交大单智伟教授团队的这一研究发现填补了氢致界面失效现象起源的实验和理论空白。该研究成果有助于人们找到防止氢致界面失效的方法，提高材料在含氢环境中的服役寿命，在石化、海洋、核、航空航天及半导体等工业领域有着重要的指导意义。　　祝贺西安交大单智伟教授团队取得如此傲人的科研成就，也希望日立电镜能够一如既往地为广大科研工作者提供科学的解决方案，在科学道路上贡献一份力量。公司简介： 　　天美（控股）有限公司（“天美（控股）”）从事表面科学、分析仪器、生命科学设备及实验室仪器的设计、开发和制造及分销；为科研、教育、检测及生产提供完整可靠的解决方案。继2004年於新加坡SGX主板上市后，2011年12月21日天美（控股）又在香港联交所主板上市（香港股票代码1298），成为中国分析仪器行业第一家在国际主要市场主板上市的公司。近年来天美（控股）积极拓展国际市场，先后在新加坡、印度、澳门、印尼、泰国、越南、美国、英国、法国、德国、瑞士等多个国家设立分支机构。公司亦先后收购了法国Froilabo公司、瑞士Precisa公司、美国IXRF公司、英国Edinburgh Instruments公司等多家海外知名生产企业和布鲁克公司Scion气相和气质产品生产线，加强了公司产品的多样化。　　更多详情欢迎访问天美（中国）官方网站：http://www.techcomp.cn

荷兰研究人员拍摄到的世界首张原子结构图，图中颜色不同是因为原子内部微粒密度不同。 　　荷兰物质基础研究基金会的研究人员日前拍摄到了世界首张原子内部结构照片。 在这项开创性实验中，研究人员用激光、显微镜和能够把拍摄对象放大2万倍的特殊镜头对氢原子内部进行观察研究，并对其进行拍摄。该研究小组的负责人阿尼塔斯托多纳说：“我们对这一成果非常满意。”这项实验颠覆了量子物理学家们的观念。之前，由于原子内部微粒非常微小、脆弱，拍摄原子内部结构照片曾被认为是不可能完成的任务。 　　研究人员介绍称，选择氢元素作为研究对象，是因为它结构简单，拍摄氢的原子照片要比获取其他元素原子照片更为容易。目前，该小组将研究目标转向结构更为复杂的氦元素，研究是否成功还有待确认。 　　对于这项实验，加拿大渥太华大学物理学家杰夫伦德恩表示：“这个实验很有趣，这主要是因为它的研究对象是氢元素。”氢元素广泛存在于宇宙万物中。 伦德恩指出，该研究小组基本上开创了一项新技术，它将成为科学家们“一个非常有用的工具”。

p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 欧洲核子研究中心日前宣布，该机构人员用大型强子对撞机（LHC）加速了电离的铅原子，这是该设备首次用于加速原子。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 大型强子对撞机是世界最大的粒子加速器，日常工作是加速质子即氢原子核，有时用于加速不带电子的其他原子核，此前从未处理过带有电子的原子核。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 欧洲核子研究中心发布的新闻公报说，这项试验是为了检验“伽马射线工厂”设想的可行性，将来有可能用大型强子对撞机产生高强度伽马射线，用于物理学前沿研究。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 铅原子正常情况下有82个电子，研究人员将电子剥离到只剩一个，使铅原子变成带正电荷的离子。在7月下旬开展的试验中，大型强子对撞机使6束这样的铅离子稳定运行了两个小时，随后研究人员有意弃置了离子束。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 伽马射线是一种波长极短的高能电磁波。根据设想，用大型强子对撞机把原子加速到接近光速，再用激光将其中的电子激发到较高能态，电子回落到低能态时就会释放出伽马射线。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 当前已经有用电子束产生伽马射线的手段，不过大型强子对撞机产生的伽马射线强度会更高，可用于新型粒子物理学实验，有可能帮助探索暗物质。 /p p br/ /p

p style=" text-indent: 2em " 继2014年获得世界第一张亚分子级分辨率的水分子图像后，中国科学家再次取得突破，将分辨率推向了氢原子极限，首次“看到”水合离子的原子级分辨图像。 span style=" text-indent: 2em " ——这是水合离子的概念提出一百多年来，人类第一次在实空间直接“看到”水合离子的原子级图像。 /span /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/7950ebea-551d-41a8-9ea1-1a6b8088971d.jpg" style=" float:none " title=" 1.jpg" / /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/6255454b-c08b-4a6b-9deb-0723f965cdd6.jpg" style=" float:none " title=" 2.jpg" / /p p style=" text-indent: 2em " span style=" text-indent: 2em " 5月14日上午，中国科学院科学传播局在北京举行新闻发布会宣布了这项成果。该工作由北京大学量子材料科学中心江颖课题组、徐莉梅课题组、北京大学化学与分子工程学院高毅勤课题组与中国科学院/北京大学王恩哥课题组合作完成，相关成果已于当天在国际著名学术期刊《自然》杂志（Nature）发表。 /span /p p style=" text-indent: 2em " 中国科学院院士、北京大学讲席教授、中国科学院大学卡维里研究所名誉所长王恩哥说，我们都知道水的结构，但直到这次我们才看清楚水分子中的氢原子在什么位置。氢原子是世界上最轻的原子，我们看到了自然界的原子的极限。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/cb66b76e-5219-4f43-ab37-e1e914087537.jpg" title=" 3.jpg" / /p p style=" text-indent: 2em " 水，这个自然界中最丰富、人们最为熟悉的物质，却也是人类最不了解的物质之一。《科学》杂志（Science）在创刊125周年之际，公布了本世纪125个最具挑战性的科学问题，其中就包括：水的结构如何？2015年，《德国应用化学》也将水的相关问题列入未来24个关键化学问题。 /p p style=" text-indent: 2em " 在当天的发布会上，王恩哥说，水之所以如此复杂，其中一个重要原因是氢（H）原子核的量子效应。水的分子结构很简单：H2O，而H是元素周期表中最轻的原子。一般来说，如果原子核较重，可以近似地把它处理为经典粒子，只需把电子量子化，从而对其进行研究——但这种方法套用在H这种“近似电子重量”的原子核身上，就失效了。 /p p style=" text-align: center " img src=" //n.sinaimg.cn/tech/gif_image/625/w400h225/20180515/br9A-hapkuvk9557855.gif" alt=" " / span class=" img_descr" /span /p p style=" text-indent: 2em " span style=" text-indent: 2em " 此外，水与其他物质的相互作用同样十分非常复杂。北京大学物理学院量子材料科学中心教授江颖说，由于水是强极性分子，它作为溶剂能使很多盐发生溶解，而且能与溶解的离子结合在一起形成团簇，此过程称为离子水合 /span span style=" text-indent: 2em " ——这种过程可以说是无处不在，而且在众多物理、化学、生物过程中扮演着重要的角色，比如：盐的溶解、电化学反应、生命体内的离子转移、大气污染、海水淡化、腐蚀等。 /span br/ /p p style=" text-indent: 2em " 事实上，离子水合物的微观结构和动力学一直是学术界争论的焦点。早在19世纪末，人们就意识到离子水合的存在并开始了系统的研究，然而，尽管经过了一百多年的努力，离子的水合壳层数、各个水合层中水分子的数目和构型、水合离子对水氢键结构的影响、决定水合离子输运性质的微观因素等诸多问题，至今仍没有定论。 /p p style=" text-indent: 2em " 究其原因，关键在于缺乏单原子、单分子尺度的表征和调控手段，以及精准可靠的计算模拟方法。近年来，王恩哥、江颖与同事、学生一起合作，发展了原子水平上的高分辨扫描探针技术和针对轻元素体系的全量子化计算方法，在水/冰的结构和动力学研究中得到了成功的应用，通过实验和理论的深度融合，刷新了人们对水和其他氢键体系的认知。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/02d85bde-dc1e-4aaa-95ab-60d08099b480.jpg" style=" float:none " title=" 5.jpg" / /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/140fabcd-902d-49d4-8d0f-783fb547e738.jpg" style=" float:none " title=" 6.jpg" / /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/4e5d260b-9396-4917-ad1c-6222a1e79c1f.jpg" title=" 9.jpg" / /p p style=" text-indent: 2em " 当天，王恩哥表示，经过中国科学家20多年的持续投入、4个课题组的紧密合作，终于在实验上制备出的单个离子水合物团簇，并通过高分辨成像搞清楚了其几何吸附构型。 /p p style=" text-indent: 2em " 在此基础上，研究人员还发现了一种有趣的幻数效应：包含有特定数目水分子的钠离子水合物，具有异常高的扩散能力——说白了就是比其他水合物“跑得快”。 /p p style=" text-indent: 2em " 江颖说，这项工作对相关应用领域具有重要的潜在意义，比如：离子电池、防腐蚀、电化学反应、海水淡化、生物离子通道等等。此外，该工作发展的实验技术也首次将水合相互作用的研究精度推向了原子层次，未来有望应用到更多更广泛的水合物体系，开辟全新的研究领域。 /p p style=" text-indent: 2em " 这项研究得到了《自然》杂志三个不同领域审稿人的好评，认为该工作“会马上引起理论和应用表面科学领域的广泛兴趣”，“为在纳米尺度控制表面上的水合离子输运提供了新的途径并可以拓展到其他水合体系”。 /p

据德国耶拿弗里德里希席勒大学官网25日报道，包括该校科学家在内的一个国际研究团队首次对已知最重的高度离子化原子类氦铀进行了超精确X射线光谱测量。他们成功在最重原子核的超强库仑场中，解开并分别测试了单电子双环和双电子的量子电动力学效应。这项研究有助揭示一个长久以来的秘密：在物质最内部，是什么将世界紧密维系在一起。相关论文发表于1月24日出版的最新一期《自然》杂志。实验装置图（图片来源于《自然》杂志）来自波兰、法国、葡萄牙和德国的科学家参与了此次实验。研究人员指出，此次实验的特殊部分是对最重稳定原子开展测量，重点是其电子在不同轨道之间的跃迁。实验在德国亥姆霍兹重离子研究中心（GSI）/国际反质子与离子研究装置上进行。这是几个欧洲国家共同使用的粒子加速器复合体，包括一个周长超过100米的离子储存环和一个超过一公里的加速器。在整个测量过程中，研究团队首先蒸发铀，并将其运行速度加速到光速的40%左右。随后，他们将得到的材料通过一种特殊的薄膜输送，并让其在这个过程中失去电子。获得加速的电子被引导到一个存储环内，并在此处围绕一条圆形路径“狂奔”。这些自由电子通过光谱仪每秒闪烁5000万次，偶尔他们可使用专用的布拉格晶体光谱仪测量电子跃迁。这种特殊弯曲光谱仪的关键是由锗元素制成的特殊弯曲晶体，晶体像纸张一样纤薄，放在一个特殊的玻璃模具内。研究团队表示，当测量原子序数为1的氢原子时，他们可将电子跃迁精确测量到小数点后13位。对于原子序数为92的铀，测量已精确到小数点后5位。

氢能源拥有诸多优点，但难以储存和运输，成本高昂。氢是元素周期表上最轻的元素，很容易泄漏，对储存容器要求高，并且氢气非常活泼，与空气混合后很容易发生燃烧和爆炸。如果远距离运输氢，需要将其液化，在常压状态下，需要将其温度降低到-235摄氏度以下，能耗较高。如果以管道运输，则需要克服纯氢以及掺氢的气体给管道带来的安全隐患，攻克氢气管道的材料难题。在氢能源高昂的成本下，氨气走入人们视野，氨由一个氮原子和三个氢原子组成，是天然的储氢介质。常压状态下，温度降低到-33摄氏度，就能够液化，便于安全运输。目前全球八成以上的氨用于生产化肥，并且氨有完备的贸易和运输体系。理论上，可以用可再生能源生产氢，再将氢转换为氨，运输到目的地。全球年产2亿吨合成氨，我国合成氨年产5000-6000万吨，占全球产量的25-30%。利用液氨制氢，生产消耗能源仅是电解水制氢的三分之一，氨的燃爆范围相对较窄（16%~25%），远小于氢的爆炸范围（4% ~75%），且氨非常适合用于H2载体，易液化（-33℃）、高储氢密度（17.6%，质量分数）、运输便利、无碳等优点，无论是在制氢、储氢及终端应用方面都具备可行性。液氨制氢、储氢将是氢能发展重要方向，为此高麦提供超纯氨解决方案，为氢氨联合保驾护航。高麦超纯氨解决方案图 1：GOW-MAC 5900专用气相色谱仪图 2：氨标气谱图高麦 成立于1935年,在中国、美国、日本、韩国等多个国家设有技术、研发中心，生产、组装工厂、客户运营中心，逐步形成以北京为总部，在武汉、杭州，日照，台湾等地分别设立技术研发和客户运营中心的生态网络，全方位的为中国乃至全球客户 打造专属的气体行业解决方案。The Cornerstone of Technology,Since 1935. 关注高麦，洞见真知。收录于合集 #解决方案 16个上一篇专注效益、守护安全 | 高麦赋能空分

|作者：彭金波1,2,† 江颖3,4,††(1 上海交通大学 李政道研究所 )(2 上海交通大学物理与天文学院 )(3 北京大学物理学院 量子材料科学中心 )(4 北京大学轻元素先进材料研究中心 )本文选自《物理》2023年第3期摘要：扫描探针显微镜主要包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜，其利用尖锐的针尖逐点扫描样品，可在原子和分子尺度上获取表面的形貌和丰富的物性，改变了人们对物质的研究范式和基础认知。近年来，qPlus型高品质因子力传感器的出现将扫描探针显微镜的分辨率和灵敏度推向了一个新的水平，为化学结构、电荷态、电子态、自旋态等多自由度的精密探测和操控提供了前所未有的机会。文章首先简要介绍原子力显微镜的发展历史和基本工作原理，然后重点描述qPlus型原子力显微镜技术的优势及其在单原子、单分子和低维材料体系中的应用，最后展望该技术的未来发展趋势和潜在应用。关键词：扫描探针显微镜，原子力显微镜，qPlus力传感器，高分辨成像，原子分辨01原子力显微镜的诞生显微镜是人类认识微观世界的最重要工具之一。光学显微镜的诞生让人们第一次看到了细菌、细胞等用肉眼无法看到的微小物体，从而打开了崭新的世界。然而，由于光学衍射极限的限制，光学显微镜的空间分辨率一般局限于可见光波长的一半左右(约300 nm)，很难用于分辨纳米尺度下更细微的结构，更无法用于观察物质最基本的原子结构排布。要想进一步提高探测的空间分辨率，一种途径是减小探测波的波长，比如扫描电子显微镜就是利用波长更短的电子波来进行成像。另一种途径是采取近场的局域探测，比如近场光学显微镜及其他基于局域相互作用探测的扫描探针显微镜。可以想象，要想获得更高的空间分辨率，就需要对样品的探测更加局域，即“探针”尖端足够尖，最好只有探针和样品最接近的几个原子能够发生相互作用，“感受”到彼此。这种相互作用可以是电子波函数的交叠或者原子作用力等。1981年，Binnig和Rohrer发明了扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，STM)，STM是基于探测针尖和样品之间的隧道电流来进行空间成像的工具。由于隧道电流正比于针尖尖端几个原子与衬底原子的电子波函数的交叠，对针尖与样品之间的距离非常敏感，因此可以获得原子级的空间分辨率。STM的发明，使得人们可以在实空间直接观察固体表面的原子结构，因此荣获1986年的诺贝尔物理学奖[1]。然而，STM依赖于隧道电流的探测，无法用于扫描绝缘样品，因此使用范围受到了极大的限制。有趣的是，在早期的STM实验中，研究人员发现当针尖和样品比较近而出现隧道电流时，会同时产生较强的相互作用力。Binnig意识到通过测量针尖与样品原子之间的相互作用力也可用来对样品表面成像。1986年，他提出了基于探测针尖和样品之间原子作用力的新型显微镜——原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)[2]，并随后与Quate和Gerber搭建出了第一套可以工作的AFM[3]。三人于2016年获得了Kavli纳米科学奖。AFM是基于针尖与样品之间原子作用力的探测，不需要样品具有导电性，因而可以用于研究包括金属、半导体、绝缘体等多种材料体系，大大弥补了STM的研究局限。此外，AFM还可以在大气和液体环境中工作，具有很好的工况条件和生物体系兼容性。这些优势使得AFM成为纳米科学领域使用最广泛的成像工具之一。然而，AFM并不像STM那样在发明之初就获得了原子级分辨率，而是直到5年之后(1991年)，惰性固体表面的原子分辨成像才得以实现[4，5]。近年来，由于qPlus力传感器的引入，AFM的空间分辨能力得到了极大的提升。通过针尖修饰，人们可以更加容易地获得原子级成像，甚至实现氢原子和化学键的超高分辨成像。接下来，本文将简要介绍常见AFM的基本工作原理，然后着重介绍基于qPlus力传感器的AFM(简称qPlus-AFM)及其在各种体系中的应用，最后展望qPlus-AFM在物理和其他领域的潜在应用和面临的挑战。02常规AFM的原理和工作模式介绍2.1 AFM工作的基本原理目前使用最为广泛的是激光反射式AFM，其典型的结构示意图如图1(a)所示[6]。最核心的部分是力传感器，它一般是一个由微加工技术制备的可以振动的悬臂(常用的材料是硅或者氮化硅)，悬臂的末端有一个与悬臂梁一体的尖锐针尖，悬臂的背面镀有一层金属以达到镜面反射。当一束激光照射到悬臂上，光斑被反射到一个对光斑位置非常敏感的光电探测器上。当针尖扫描样品表面时，由于针尖与样品之间存在相互作用力，悬臂将随样品表面形貌的起伏而产生不同程度的弯曲形变，因而反射光斑的位置也会发生变化。通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。图1 AFM工作的基本原理[6] (a)典型激光反射式AFM的结构示意图；(b)超高真空下针尖与样品的相互作用力Fts及各成分力与针尖—样品距离z的关系2.2 原子力的分类在超高真空环境中，针尖与样品之间的相互作用力(Fts)与针尖—样品距离z之间典型的关系曲线如图1(b)所示。Fts大致可以分为长程力和短程力，长程力通常包括范德瓦耳斯力和静电力等，其衰减长度一般为几纳米或者几十纳米。短程力主要包括来自针尖和样品之间形成化学键的作用力和由于针尖—样品电子云交叠产生的泡利排斥力，其衰减长度一般约为0.1 nm左右。长程力对距离不敏感，很难分辨较小的表面起伏，要想获得较高的空间分辨率，需要让短程力的贡献占主导。在特殊的环境下，针尖和样品之间的相互作用力还包括机械接触力、毛细力、磁场力、卡西米尔力、水合力等。2.3 AFM的主要工作模式AFM有多种工作模式，通常分为静态模式和动态模式，后者包括非接触模式和轻敲模式两种(图2(a))。在静态模式下，针尖以拖拽的形式在样品表面扫描并记录表面的形貌起伏变化，因此也叫接触模式。悬臂的形变量为q=Fts/k (k为悬臂的劲度系数)，为了提高力探测的灵敏度，一般使用较软(k较小)的悬臂。为了避免较大的吸引力引起针尖发生“突跳”现象，静态模式主要工作在短程的排斥力区间(图2(b))，因此空间分辨率较高。但这种模式下针尖和样品之间的相互作用力较大，容易对较软的样品产生破坏。图2 AFM的工作模式[6] (a)接触模式、非接触模式和轻敲模式的示意图；(b)不同模式的大致工作范围(区分并不严格)；(c)悬臂在频率调制和振幅调制模式下的共振曲线。人们也经常把振幅调制模式称为轻敲模式，把频率调制模式称为非接触模式在动态模式下，悬臂被压电陶瓷励振器驱动以共振频率振动，当振幅A足够大使得回复力k∙Amax(Fts)时可以避免“突跳”现象的发生。动态模式有轻敲模式和非接触模式两种。轻敲模式类似于盲人使用手杖行走，其振幅比较大，一般从几纳米到一百多纳米，主要的力的贡献来源于针尖距离样品很近甚至接触的时候。这种模式对样品的损坏小，适用于不同的材料，是目前AFM使用最为广泛的模式。但是这种模式由于包含较多的长程力贡献，因此一般较难获得原子级分辨。此外，由于轻敲模式下振幅较大，测量振幅变化的信噪比较高，这种模式一般使用幅度调制(amplitude modulated，AM)，即以固定频率和振幅的激励信号来驱使悬臂振动，针尖和样品的作用力会引起悬臂振幅(及相对于激励信号的相位)的变化，将测量的振幅(或相位)的变化作为反馈信号可以获取样品表面的形貌信息(图2(c))。非接触模式的振幅一般是几纳米或埃的量级，针尖在振动过程中不会接触样品，因此可以避免对样品的扰动或者破坏。非接触式AFM除了可以使用AM模式外，还能以频率调制(frequency modulated，FM)模式工作。这其实与收音机的AM和FM模式原理类似，只是工作的频段不同。在FM模式下，悬臂保持相位和振幅不变，针尖和样品的作用力引起悬臂振动频率的变化，测量振动频率的变化可以得到样品表面形貌的信息(图2(c))。AM和FM模式下悬臂的共振频率变化的响应时间[7，8]分别约为τAM=Q/(πf0)，τFM=1/(2πf0)，其中Q是悬臂的品质因子，f0为悬臂的本征振动频率。由此可见，AM模式的响应时间会随Q因子的增加而线性变大，而FM模式的响应时间不受Q因子的影响。在超高真空低温环境中，悬臂的Q因子会比大气环境下增加几十倍，这使得AFM对力的敏感度及信噪比会有很大提升，但也会使得AM模式下AFM的响应时间大幅延长，导致扫描成像需要很长的时间。因此，AM模式(轻敲模式)主要被用于大气或者液体环境中。Q因子的增加对FM模式下AFM的响应时间没有影响，所以FM模式是超高真空环境下被广泛使用的工作模式，即保持高Q因子的同时还能保证较高的扫描速度。2.4 影响频率调制AFM噪音大小的因素在FM模式下，AFM直接探测的信号是针尖—样品相互作用力引起的悬臂频率偏移∆f，利用公式[9]可进一步转化为相互作用力Fts。频率偏移对应的相对噪音，因此可以用δkts的形式来表示FM模式下AFM测量中4种主要的噪音来源，分别为[10]热噪音：力传感器信号探测的噪音：AFM悬臂振荡的噪音：漂移噪音：其中kB为玻尔兹曼常数，T是温度，B是与扫描速度对应的带宽，nq是悬臂偏转信号探测的噪音密度，r 是频率的漂移速率，N是扫描图像的像素数。由上述式子可知，k越小，4种噪音都更小，因此在满足k∙Amax(Fts)的前提下，选择的k越小越好；Q越大，会使得第一和第三种噪音更小，但过大的Q会使得悬臂在FM模式下的稳定起振难以维持；振幅A越大，前三种噪音都更小，但A太大会引起短程力贡献大幅减小的问题(见下节)。03基于qPlus力传感器的非接触式AFM3.1 振幅对非接触式AFM分辨率的影响在FM模式下，AFM探测的频率偏移∆f，可以转化为权重函数w(z,A)和针尖—样品相互作用力的梯度的卷积[11]。如图3所示，w(z,A)是与振幅A和距离z相关的半椭圆，kts是力Fts与z曲线的梯度，也呈现为勺子形，只是最低点对应的距离z有所不同。可见，当振幅较大时，长程力对频率偏移的贡献占主导；随着振幅减小，短程力的贡献变大。当振幅与短程力的衰减长度(亚埃级)接近时，更容易得到原子级分辨率[10]。图3 长程力和短程力的贡献与AFM悬臂振幅A的关系[11]3.2 qPlus力传感器的发明传统AFM力传感器一般采用微加工制备的硅或者氮化硅悬臂，其劲度系数较小(约1 N/m)，力的探测灵敏度高。为了能探测短程力从而实现高空间分辨，往往需要让针尖靠近表面，从而导致“突跳”的发生。为了避免“突跳”引起的针尖损坏，需要悬臂在较大的振幅下工作。然而，大的振幅会使长程力的贡献增加，引起AFM的空间分辨率大大降低。图4 石英音叉和qPlus力传感器实物图 (a)，(b)手表中拆出来的石英音叉[12]；(c)第一代qPlus力传感器的实物图(图片来自德国雷根斯堡大学Giessibl课题组)[13]；(d)第四代qPlus力传感器的实物图(图片来自北京大学江颖课题组)[6]要想克服上述矛盾，实现在小振幅下工作的同时而不引起“突跳”的发生，则需要使用劲度系数k较大的悬臂。石英音叉是被广泛用于手表中的计时元件(图4(a)，(b))[12]，劲度系数高，可产生极高精度的振荡频率(一般为32—200 kHz)，且具有很高的Q因子。此外，其悬臂的形变可以利用石英的压电效应以电学的方式来直接探测，不需要激光系统，更容易兼容低温环境。早期，人们一般是在石英音叉的一个悬臂上粘上针尖来作为力传感器使用。然而，两个悬臂(相当于两个耦合的谐振子)由于质量和受力的不对称性导致Q因子大幅度降低，严重降低了AFM的信噪比。1996年，Giessibl将音叉的一个悬臂固定在质量很大的基底上，而在另一个自由的悬臂上粘上针尖以作为AFM力传感器，这样把两个耦合的谐振子变成单个独立的谐振子，可以保持较高的Q因子，且Q因子几乎不受针尖—样品相互作用力的影响。因此，这种力传感器被称为qPlus力传感器[13](图4(c))。目前，qPlus力传感器已经经过了四代的升级和改进，最新的版本是直接设计单个石英悬臂作为力传感器(图4(d))。表1 微加工硅悬臂力传感器与qPlus力传感器典型参数的对比[6]典型的qPlus力传感器与广泛使用的微加工硅悬臂力传感器的主要参数对比见表1。可以看到，qPlus力传感器悬臂的劲度系数高得多(一般约1800 N/m)，因此其力灵敏度一般情况下低于硅悬臂。然而，qPlus力传感器可以在非接触模式下，以极小的振幅(约100 pm)近距离扫描样品，而不会出现“突跳”现象。由于qPlus-AFM的振幅可以与短程力的衰减长度接近，因此短程力的贡献非常大，更加容易获得超高的空间分辨率。最近，田野等通过优化设计qPlus力传感器，将Q因子提升到140000以上，最小振幅小于10 pm，最小探测力小于2 pN，从而将qPlus力传感器的性能推向了一个新的水平[14]。此外，使用导电针尖，并通过单独的导线把经过针尖的电流提取出来，可以很容易地将qPlus-AFM与STM集成在一起，以同时发挥STM和AFM的功能。关于qPlus-AFM更为系统的介绍见综述[10，11]。3.3 获得超高空间分辨率的关键如前所述，针尖与样品间的相互作用越局域，空间分辨率越高。换言之，要想获得超高的空间分辨率，需要减小长程力的贡献，凸显短程力的贡献。要实现这一点，有两点非常关键：一是使用与短程力衰减长度接近的亚埃级的小振幅工作(详见3.1节)；二是让针尖更加尖锐，减少长程的范德瓦耳斯力的贡献。对于AFM成像来说，针尖末端几纳米的部分尤其是针尖末端的几个原子扮演着最重要的角色。为了让针尖末端更尖锐，常用办法是让金属针尖轻戳金属衬底或对针尖进行原子或者分子修饰，使得短程的泡利排斥力、化学键力或者高阶静电力占主导。3.3.1 短程的泡利排斥力当针尖与样品的距离足够近时，二者的电子云会发生交叠，产生很强的短程泡利排斥力。大部分时候，泡利排斥力是对固体及分子体系成像获得原子级分辨率的关键。2009年，Gross等[15]发现对针尖修饰一氧化碳(CO)分子后，可以实现对单个并五苯分子的化学键和结构(图5(a))的超高分辨成像(图5(c))，其分辨率已经超过了STM图像(图5(b))。这种超高空间分辨率的成像主要起源于CO针尖“尖锐”的p轨道与并五苯分子之间电子云交叠所导致的短程泡利排斥力。这种针尖修饰方法简单易行，成像分辨率高，使得qPlus-AFM成像技术迅速获得了广泛的应用。除了CO分子修饰外，人们还可以对针尖修饰其他种类的原子或者分子，以提高空间分辨率或者实现其他特定功能，例如Cl离子[16]和Xe分子[17]修饰的针尖以及CuO针尖[18]等。图5 基于泡利排斥力的单分子化学键成像[15] (a)并五苯分子的结构图；用 CO 分子修饰的针尖得到的 STM 图(b)和AFM图(c)3.3.2 短程的化学键力当针尖和衬底的化学活性都较强时，在近距离扫描过程中，二者可以形成局域的化学键，基于这种短程的化学键力，也可以获得超高的空间分辨率。典型的例子是半导体表面的AFM高分辨成像。例如，Giessibl等[19]发现在用AFM扫描Si(111)-(7×7)样品时，针尖会从样品上吸起一些Si团簇而被修饰，因此在扫描时容易与样品表面带悬挂键的Si原子形成共价键，而得到原子级分辨率。然而，这种成像方式对表面结构扰动较大，不适用于弱键和分子体系。3.3.3 短程的静电力通常所说的静电力主要来源于低阶静电力，比如点电荷与点电荷或者电偶极之间的静电力，其大小分别正比于r -2和r -3(r是二者作用的距离)，是较长程的相互作用力，因此空间分辨率较低。而在某些特殊的情况下，高阶静电力的贡献会起主要作用，而且是更加短程的，因此会导致分辨率的显著提升。一个典型的例子是对离子晶体(如NaCl，MgO，Cu2N等)的原子分辨成像。离子晶体表面周期性的正负电荷排布产生指数衰减的短程静电势分布[20]，针尖与离子晶体表面的短程静电力作用可以得到原子级分辨的成像[21]。图6 基于高阶静电力的水分子高分辨成像 (a)CO针尖示意图(上)及DFT计算得到的CO针尖的电荷分布(下)，呈现出明显的电四极矩特征[16]；(b)水四聚体的原子结构图(上)和AFM图(下)[16]。白色箭头和弧线分别指示水分子中氧原子和氢原子的位置；(c)Au(111)上双层二维冰的原子构型(上)和AFM图像(下)，其中可以分辨平躺(蓝色箭头)和直立(黑色箭头)的水分子[23]；(d)Au(111)表面由Zundel类型水合氢离子(黑色箭头)自组装形成的单层结构图(上)和AFM图像(下)[14]另一个例子是利用CO针尖对强极性分子的高分辨成像。彭金波等[16]利用CO修饰的针尖(图6(a)上图)扫描水分子四聚体时，发现即使在针尖距离较远时也能获得亚分子级的分辨率(图6(b))，且图像的形貌与水分子四聚体的静电势分布极其接近，从中可识别水分子OH键的取向。通过理论计算得知，CO修饰的针尖具有电四极矩(图6(a)下图)，与水分子电偶极之间存在高阶静电力相互作用，这是一种更为短程的静电力(正比于r -6)，因此能够在未进入泡利排斥区域时获得超高空间分辨。这种基于微弱的高阶静电力的成像技术可以区分水分子中氢、氧原子的位置和氢键的取向并且扰动极小。近年来，这个技术已被成功应用于亚稳态水分子团簇[16]、盐离子水合物[22]、二维冰[23](图6(c))及单层水中的水合氢离子[14]的非侵扰高分辨成像(图6(d))，将水科学的研究推向了原子尺度。04超高分辨qPlus-AFM的应用相对于传统的AFM，qPlus-AFM可以很方便地与STM集成在一起，并兼容超高真空和低温环境，而且可获得原子级甚至单个化学键级的超高空间分辨率。这些优势使得qPlus-AFM获得了广泛的应用，大大促进了表面科学和低维材料研究领域的快速发展。下面我们简要介绍qPlus-AFM在高分辨结构成像、电荷态和电子的测量、原子力的测量和操纵等方面的应用和最新进展。4.1 高分辨结构成像qPlus-AFM在高分辨结构成像方面得到了最为广泛的应用。Gross等[15]通过对AFM针尖进行CO修饰，首次实现对有机分子的化学结构的直接测量(图5)，触发了一系列后续研究，包括：分子之间的氢键相互作用[24]、分子化学键键序[25]、铁原子团簇[26]、化学反应产物识别[27]等。近年来，人们通过控制有机分子前驱体的表面化学反应可以精确制备低维纳米材料，如石墨烯、石墨烯纳米带等。STM虽然被广泛用于表征其电子态，但是难以直接确定其原子结构、局域缺陷和边界构型等。qPlus-AFM对原子结构的敏感及超高的空间分辨率，可以很好地解决这些问题。例如，Gröning等[28]利用扫描隧道谱成像观测到了石墨烯纳米带末端的拓扑末端态(图7(a)右)，并通过AFM成像确定了拓扑非平庸的石墨烯纳米带的原子构型(图7(a)左)。图7 qPlus-AFM在低维材料高分辨成像中的典型应用 (a)表面合成的石墨烯纳米带的AFM图(左)和0.25 V偏压下的dI /dV 图(右)[28]，四角较亮部分指示拓扑边缘态；(b)利用磁性针尖得到的绝缘反铁磁NiO表面的AFM图像(左)及沿[100]方向相邻两个Ni原子不同自旋取向对应的高度轮廓线(右)[34]此外，qPlus-AFM开始被用于绝缘体表面原子结构的高分辨成像，如KBr[29]，CaF2[30erif font-size:14px "[51] Schirhagl R，Chang K，Loretz M et al. Annu. Rev. Phys. Chem.，2014，65：83

中国科学院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室研究员江凌团队、副研究员张兆军和院士张东辉团队，与台湾原子与分子科学研究所研究员郭哲来团队、香港中文大学教授刘志锋团队合作，利用自主研制的基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验装置，发现水-胺团簇中氢键的异常大幅度波动现象，揭示出多种分子振动耦合产生剧烈费米共振的氢键作用的本质。氢键是雾霾颗粒物、分子自组装、生物体系等主要分子间作用力。氢原子质量轻，本质上是波动的，这对确定结构、性能和反应机理等方面起着关键作用。由于三甲胺分子的氮原子孤对电子可以与水和甲醇等溶剂分子形成较强的氢键，三甲胺团簇的研究备受关注。1962年，D. J. Millen等人使用傅里叶红外光谱仪测得了三甲胺-甲醇的红外光谱，发现了一个较宽的OH伸缩振动峰，但由于该红外吸收光谱的分辨率低，溶剂分子在氢键波动中起着什么样的作用、什么样的分子运动引发了如此之大的氢键波动等关键科学问题仍没有答案。研究人员利用自主研制的基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验装置，测得了中性三甲胺-甲醇团簇和三甲胺-水团簇的高分辨红外光谱，在三甲胺-甲醇红外光谱中，原红外吸收光谱中较宽的OH伸缩振动峰劈裂为2个峰。在三甲胺-水团簇红外光谱中发现至少6组氢键结合的OH伸缩振动峰。这些对比表明，三甲胺-水团簇的氢键波动比三甲胺-甲醇更剧烈。研究团队利用自行发展的全维势能面动力学理论方法计算了三甲胺-水团簇的红外光谱，利用非谐性量子化学理论方法计算了三甲胺-甲醇团簇的红外光谱，利用从头算分子动力学理论方法分析了这两种团簇的动力学特征。研究表明，在三甲胺-水团簇中，氢键结合的OH伸缩振动与水分子的多种运动模式（平动、摇摆和弯曲）发生了强烈的费米共振，从而产生了异常复杂的多组OH伸缩振动谱峰。当水分子的氢原子被甲基取代后，由于甲基的空间位阻比氢原子大，导致甲醇绕着氢键的旋转速度比水分子慢，大幅度降低了OH伸缩振动与甲醇分子的费米共振程度，从而简化了OH伸缩振动谱峰。该工作对理解氢键化合物的红外光谱和化学反应机理具有重要意义。相关研究成果发表在The Journal of Physical Chemistry Letters上。研究工作得到国家自然科学基金委员会“动态化学前沿研究”科学中心项目、“团簇构造、功能及多级演化”重大研究计划重点支持项目，中科院战略性先导科技专项“能源化学转化的本质与调控”（B类），大连化物所大连相干光源专项基金等的资助。

氢能因其可再生、易获得、热值高、无污染等诸多优良特性，被视为未来清洁能源的重要来源。目前，储运是氢能发展的关键技术难点，低温液化和高压存储因安全、经济等因素无法大面积推广。01 储氢材料 固态储氢是利用固体材料对氢气的物理吸附和化学反应作用，将氢能储存在固体中，是一个兼具安全，高效和高密度的储运方案，得到众多材料研究者的青睐，国仪精测作为储氢材料性能评价设备的供应商，深切感受到了行业的蓬勃发展。储氢材料储氢材料的性能表征主要包括热力学性能和动力学性能，PCT曲线是热力学性能的主要表征手段，可以体现储氢材料的吸放氢量，吸放氢压力，滞后特性等。以下列两组PCT曲线为例：图1图2图1为稀土合金LaNi5的PCT曲线，LaNi5理论上一个晶胞中最多储存8个氢原子，但一般认为实际储存数量不会大于6个；当储存数量为6个时，理论吸氢量为1.37%，与实验结果相符；图示LaNi5有明显的滞后效应，有学者认为是氢原子的半径大于La Ni原子构成的多面体间隙半径，吸氢后引起多面体畸变所造成；LaNi5是发现较早的储氢材料，且因其吸放氢速率快，压力较低，而得到了广泛的研究。图2为镁基储氢材料的一种，如图示吸放氢平台压力低且恒定，吸氢量高，无滞后效应，因此镁基储氢材料在近些年达到了快速的发展。 02 PCT吸附速率曲线 PCT曲线也可以以时间为横坐标，吸附量为纵坐标，从动力学角度评价材料的吸氢速率。图3图4图3为PCT曲线绘制时同时得到的单点平衡速率图；如果单纯评价材料饱和吸氢时间，通常的实验方法是直接充压至最高压力状态（例如：20Mp），通过等温线走势判断饱和吸氢时间，如图4所示。 03 循环实验 循环实验是表征储氢材料耐用性的重要方法。图5图6多次循环后，图谱的重复性越高，说明材料的耐用性越好；如图5所示的10次重复实验，最大吸氢量基本一致；循环实验一直是储氢材料表征的难点，在高温高压工作环境下，为了降低实验误差，操作者往往采取增大取样量的做法，但循环实验的脱附过程，是无法累计进行的，需尽量控制取样量以达到完全脱附的状态。为了平衡这一矛盾需求，需要仪器在管路腔体设计、管路气密性、温度控制均一性、压力读取精度、气体投气量控制（如图6），高温高压气体行为修正等各方面做到精准处理。04 TPD脱附实验最后我们介绍TPD脱附实验在储氢材料评价中的应用。 图7TPD曲线可以直观反映材料的脱附温度和活性点位数量；如图7显示，为了排除仪器性能因素对测试结果的影响，通常做法是在TPD脱附曲线中同时记录升温速率。因为高压状态下，温度的微小波动也会对测试结果造成显著影响，所以升温速率和温度精度都需要得到精确控制。注：以上所有图谱均由北京国仪精测技术有限公司自主研发高温高压吸附仪V-Sorb 2600 PCT测试完成。氢能发展任重道远，国仪与您携手共进！

十五日从中国科技大学获悉，该校单分子物理化学研究团队利用低温超高真空扫描隧道显微镜，成功对三聚氰胺小分子进行了“单分子手术”，在世界上首次实现从普通化工原料转变为既有二极管效应又有机械开关效应的双功能单分子器件，为单分子器件基础研究取得新进展。 　　中国科技大学杨金龙教授介绍说， 随着电子器件不断小型化，科学家期望利用单个分子构建电子元件。近年来，国内外不少研究组在实验上成功地利用已有分子的固有性质实现单分子器件功能，但在构建单分子器件中仍然面临着两个重要课题。 　　他说，一方面，寻找具有理想电子学功能的分子十分困难，通过分子手术的方法对已有分子进行改造显得十分必要。另一方面，对分子器件进行功能集成是进入分子电子学时代的一个关键，如果能够在单个分子上实现多功能集成，将大大提高器件集成度，从而构造更小、更快、能耗更少的电子设备。 　　杨金龙说，其所在的团队通过三年的实验和理论研究的紧密合作，发现三聚氰胺这个比头发丝的六万分之一还细的小分子可以通过人工单分子操控被改造为具有显著二极管效应和开关效应的双重功能分子。在室温下，三聚氰胺分子吸附到铜表面时会发生化学反应脱去两个氢原子，从而与表面铜原子形成化学键，得到与表面垂直的吸附构型，分子的输运曲线表现为正负电压下对称的特征。通过扫描隧道显微镜对其进行“单分子手术”将分子支链的一个氢原子“移植”到分子中间的环上，实现三聚氰胺分子的异构化，造成分子轨道相对于费米面的不对称性，使得输运特性显示出明显的二极管效应。通过非弹性隧穿电子的多电子激发过程进一步诱导其顶端N-H键的可逆转动，得到电导不同的双稳态结构，实现单分子机械开关效应。 　　据悉，这一成果发表在近期出版的美国《美国国家科学院院刊》上，《美国国家科学院院刊》审稿人认为，该工作“结果可靠，创新性强，代表了这个领域的发展水平”。 　　杨金龙说，目前该项成果还处于概念性的实验室层次，离真正应用还有点距离。

近日，大连化物所大连光源科学研究室分子光化学动力学研究组(2507组)袁开军研究员团队和英国布里斯托大学Mike Ashfold教授、南京大学胡茜茜教授合作，揭示了星际硫化氢分子高电子激发态光化学动力学，构建硫化氢全波段、全通道解离动力学图像。 　　硫化氢分子是太阳星云中最重要的分子之一，其光化学过程对硫单质、硫氢自由基(SH)和氢气(H2)等星际介质的起源和演化有重要意义。尽管硫化氢分子光解离研究受到越来越多的关注，但是迄今为止国内外尚未构建高分辨的、完整的动力学图像。 　　本工作中，袁开军团队利用大连相干光源结合里德堡氢原子飞行时间谱和时间切片离子成像技术，测量了硫化氢在极紫外波段所有产物通道的光化学。实验结果表明，硫化氢光解离产物的动力学和量子产率具有明显的波长依赖特性。理论计算通过构建高电子激发态势能面，阐明了硫化氢光解过程中复杂的非绝热解离特性。该工作不仅为星际硫化学模型的构建提供了科学依据，同时为量子动力学理论的发展提供了研究范例。 　　袁开军团队近年来依托大连相干光源系统研究了星际硫化氢分子极紫外光化学，测量了硫化氢光化学生成SH自由基的量子产率(Nature Communications，2020)，揭示了硫化氢转动激发依赖的光化学反应机理(Nature Communications，2021)，提出了硫化氢光化学过程是星际空间高振动激发H2的重要来源(The Journal of Physical Chemistry Letters，2022)。 　　相关成果以“The vibronic state dependent predissociation of H2S: determination of all fragmentation processes”为题，发表在《化学科学》(Chemical Science)上，并被选为封面文章。该工作第一作者是我所2507组联合培养博士研究生赵亚锐。该工作得到了国家自然科学基金、中科院关键技术团队、辽宁省兴辽英才计划等项目的资助。

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轻反原子核由反质子和反中子组成。根据《自然物理》杂志发表的一篇论文，大型强子对撞机（LHC）团队研究认为，轻反原子核或能在银河系中穿越很长的距离。这项研究结果表明，这些反原子核或能用于寻找暗物质。反原子以及反原子构成的反分子等，统称为反物质，反物质与我们周围世界中的常规“正”物质相遇，则发生湮灭，释放大量能量。也正因如此，地球上没有反原子核的天然来源，但它们会在银河系的其他地方产生。有观点提出，反原子核可能是源于太阳系外的高能宇宙辐射与星际介质（星系中恒星之间空间）中的原子相互作用的结果。另一种观点认为，反原子核是尚未发现的暗物质粒子湮灭所形成的。为探索反原子核与物质的相互作用，欧洲核子研究中心的LHC所属ALICE合作组，日前分析了氦-3（氦的一种稳定同位素）原子核的反粒子。研究人员利用LHC的粒子对撞产生反氦-3原子核，再让这些反原子核与ALICE探测器中的物质相互作用，让它们消失。通过研究，团队科学家们确定了反氦-3原子核的消失概率，以及这种概率在这些反原子核穿越银河系过程中所产生的影响。

加州大学欧文分校(University of California Irvine)的物理学家近日在扫描隧道显微镜(Scanning Tunnel Microscope)中将氢分子与太赫兹激光(Terahertz Laser)配合使用制作量子传感器，这项技术在测量材料化学特性时呈现出前所未有的时间和空间分辨率。图片来源：加州大学欧文分校Wilson Ho实验室。在扫描隧道显微镜的超高真空中，一个氢分子被固定在银尖和样品之间。太赫兹激光的飞秒脉冲激发分子，使其成为量子传感器。　　这种新方法也可用于分析二维材料，在先进的能源系统、电子学和量子计算机中十分有用。　　加州大学欧文分校物理、天文和化学系的研究人员描述了科学家如何将两个键合氢原子定位在STM的银尖和一个由平整的铜表面组成的样品之间，该表面上排列着氮化铜的“岛”。这项研究发表在《科学》杂志上。　　科学家们能够利用持续数万亿分之一秒的激光脉冲，在低温和极高真空环境下刺激氢分子，并识别其量子态的变化，从而获得样品的原子尺度和延时图像。　　这个项目代表了测量技术的进步，并拓展了我们探索科学问题的方法。现有仪器不基于这一量子物理原理，因此依靠探测两能级系统中态相干叠加的量子显微镜要更加灵敏。——Wilson Ho（研究人员之一）和加州大学欧文分校物理学、天文学和化学系教授Donald Bren　　　根据何的说法，由于氢分子的取向在上下两个位置之间波动，并且在一定程度上水平倾斜，氢分子是两能级系统的一个例子。科学家们可以利用激光脉冲激励系统从基态循环到激发态，从而实现两种状态的叠加。　　循环振荡非常短，仅持续几十皮秒，但科学家们通过测量“退相干时间”和循环周期，能够探测到氢分子与其周围环境的相互作用。　　氢分子成为量子显微镜的一部分，因为无论显微镜扫描到哪里，氢都在尖端和样品之间。它是一种非常灵敏的探针，可以让我们看到低至0.1埃的变化。在这个分辨率下，我们可以看到样品上电荷分布的变化。　　——Wilson Ho（研究人员之一）和加州大学欧文分校物理学、天文学和化学系教授Donald Bren　　STM针尖与样品之间的距离约为6埃或0.6纳米，这几乎是不可能实现的微小距离。　　Ho和他们的研究同事建立了一个STM，可以检测该区域的微小电流，并提供光谱数据，证明氢分子和样品成分的存在。根据何教授的说法，这是第一次利用太赫兹诱导的单分子整流电流进行化学精确光谱分析。　　根据何教授的说法，利用氢的量子相干性在这种细节层次上分析材料的能力在催化剂的研究和工程中非常有用，因为它们的功能通常取决于单个原子大小的表面缺陷。　　只要氢能吸附到材料上，原则上，你就可以用氢作为传感器，通过观察材料的静电场分布来表征材料本身。　　——加州大学欧文分校物理学和天文学研究生王立坤（研究第一作者）　　加州大学欧文分校物理学和天文学专业的研究生夏云鹏与何和王一起进行了这项实验，该实验由美国能源部基础能源科学办公室资助。　　期刊原文：Wang, L., et al. (2022) Atomic-scale quantum sensing based on the ultrafast coherence of an H2 molecule in an STM cavity. Science. doi.org/10.1126/science.abn9220.

p style=" text-indent: 2em " 日本筑波大学的研究人员研制出一种石墨烯电极，能在酸性条件下产生氢气。在绿色经济中，电解水产生氢气对于储能至关重要。然而，主要的障碍之一是贵金属电极的成本太高。廉价的金属电极在驱动析氢反应（HER）中起着很好的作用，但主要是在碱性条件下，反应是弱电性的。更有效的酸相反应需要贵金属例如铂。但问题是，酸性电解液具有腐蚀性，会侵蚀核心金属。 /p p style=" text-indent: 2em " 研究人员发现多孔石墨烯可以解决这个问题。他们使用氮掺杂石墨烯片来封装镍-钼（NiMo）电极合金，石墨烯含有大量纳米级的孔。研究人员表明，在酸性条件下的HER中多孔石墨烯明显优于无孔石墨烯。石墨烯在HER电极中的使用并不新鲜，这种柔性导电碳片是包裹核心金属的理想材料，不过石墨烯虽然能保护金属免受腐蚀，同时也抑制了它的化学活性。在筑波大学的研究中石墨烯的孔以两种方式促进反应，与此同时完整的石墨烯可以保护金属。 /p p style=" text-indent: 2em " “我们通过用纳米二氧化硅修饰NiMo表面的方法创造了孔，”研究者之一的筑波大学胡凯龙博士解释说。“当我们沉积石墨烯层时，在纳米颗粒的位置留下了空白，就像浮雕艺术品。事实上，这些孔不仅仅是缝隙，而是“条纹”（fringes）。从技术上讲，这些条纹是结构缺陷，但它们可以促进电极的化学反应。 /p p style=" text-indent: 2em " 研究小组解释说，与普通的石墨烯相比，条纹更亲水。可以吸引在酸溶液中的水合氢（H3O+），H3O+在两种HER机制之一中起着至关重要的作用。这些条纹在吸附单个氢原子方面也很好，也为其他重要的HER过程提供了表面积。结果表明与这种电极与常规电极产生H2的效果一样。同时石墨烯的非多孔部分延缓了金属催化剂在酸中的溶解。“这是氢析出电极的一个多用途的新概念，”筑波大学的副教授Yoshikazu Ito说，他是这项研究的主要作者。“我们的目标是最小化反应所需的过电位，因此不限于一种特定的催化剂。我们通过优化孔的大小和数量来调整我们的多孔石墨烯层，特别是对NiMo。令人惊讶的是，尽管有很多孔，催化剂在酸性条件下仍然能保持稳定。在未来，很多金属都可以定制多孔石墨烯，推动氢生产的全面应用。 /p

钒是人体必需的微量元素，虽然含量极低，总量大约仅有25mg，但研究显示，钒进入人体细胞后能产生广泛的生物学效应，可以起到防止胆固醇蓄积、降低过高血糖、帮助骨骼发育钙化等效用。　　《HJ 673-2013水质 钒的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》中规定了可以用原子吸收石墨炉法测定水中的钒，适用于地表水、地下水、生活污水和工业废水中钒的测定。　　我们使用日立ZA3000原子吸收分光光度计，测定了矿泉水中的钒。图. 矿泉水中钒的测定结果此应用特点：矿泉水中含有丰富的矿质元素，例如钙、钠等，会产生背景吸收，影响基线稳定性。日立ZA3000采用偏振塞曼校正法，可以实现全波长实时背景校正，避免背景干扰。日立ZA3000原子吸收分光光度计特点：(1) 火焰石墨炉均采用偏振塞曼校正法：基线稳定，开机就能测量(2) 石墨管双进样技术：有效提高灵敏度(3) 暴沸自动检测功能：提高数据的重现性(4) 石墨管残留清除功能：减小记忆效应(5) 自动进样器连续注入：减少样品污染，缩短分析时间，减少改进剂用量关于该应用的详细信息，请点击： http://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/down_554090.htm关于日立ZA3000原子吸收分光光度计，请点击：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/C170248.htm关于日立高新技术公司：日立高新技术公司，于2013年1月，融合了X射线和热分析等核心技术，成立了日立高新技术科学。以“光”“电子线”“X射线”“热”分析为核心技术，精工电子将本公司的全部股份转让给了株式会社日立高新，因此公司变为日立高新的子公司，同时公司名称变更为株式会社日立高新技术科学，扩大了科学计测仪器领域的解决方案。日立高新技术集团产品涵盖半导体制造、生命科学、电子零配件、液晶制造及工业电子材料，产品线更丰富的日立高新技术集团，将继续引领科学领域的核心技术。更多信息敬请关注：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/

2011年，全球科研领域捷报频传，外空新发现、医卫新研发、基础研究新突破……一项项成果记录着人类在探索和发展道路上的不懈追求与努力。 　　1、植物纤维中取“汽油”　生物燃料研发获突破 　　3月，美国研究人员利用生物技术直接从植物纤维素中提取出新型燃料异丁醇，该生物燃料在性质上更接近普通汽油，其能量密度、辛烷值和蒸汽压均与汽油相似，可与汽油以任何比例调配，普通汽车引擎也可直接使用。无论从燃烧效率还是生产和使用成本来看，生物制异丁醇都可谓最佳汽油替代品。 　　这一成果可谓下一代生物燃料研究的巨大进展，而生物燃料不仅可以催生新兴产业，更有助于人类尽早摆脱对化石能源的依赖。 　　2、长时间“捕获”反氢原子　反物质研究迎契机 　　6月，欧洲核子研究中心成功用磁场陷阱“捕获”112个反氢原子，“捕获”时间最长达1000秒。此前反氢原子的束缚时间仅为172毫秒，科学家在反物质原子束缚时间上取得巨大突破，有利于对反物质性质进行精确研究。 　　科学界对此欢欣鼓舞，认为这是物理学领域的一次突破，距离反物质的“真相”又“近了一步”。英国《自然》杂志称，成功“捕捉”反氢原子后，通过比较反物质和正物质，科学家们就可以测试粒子物理学“标准模型”中最核心的基本对称理论。 　　3、测序马铃薯基因组　为粮食安全作贡献 　　中国科学家主导的国际研究团队于7月成功完成马铃薯基因组测序工作，《自然》杂志当月发表了马铃薯全基因组序列图和相关论文。 　　作为世界上第三大粮食作物，马铃薯对全球粮食安全的作用日显重要。通过全基因组设计育种，马铃薯育种家们能加速培育高产、高营养和抗病虫害的新品种。中方团队主导的这项研究，也奠定了中国在这一研究领域的国际领先地位。 　　4、分离甲流超级抗体　加速“全能”疫苗研发 　　英国和瑞士科学家7月在《科学》杂志上报告说，他们利用X射线晶体学的新方法，在一名甲型流感病毒感染者体内分离出甲流病毒超级抗体，动物实验显示该抗体可中和所有甲流病毒。 　　由于流感病毒的血凝素演变非常快，科学家不得不每年重新制备新疫苗以应对其变化。研究人员一直希望研制出“全能型”通用流感疫苗，从而“一劳永逸”。而这项发现为通用流感疫苗的研制带来希望，可能成为该领域研究具有历史意义的转折点。 　　5、外星液态水证据有望探寻地外生命 　　美国航天局8月和11月分别宣布，根据火星勘测轨道飞行器和“伽利略”号探测器发回的观测数据，研究人员在火星和木星的卫星——木卫二上发现液态水存在的证据。其中火星表面存在液态水的证据是迄今为止获得的“最好证据”，而木卫二的冰封表面下可能存在大量液态水。这一发现为人类寻找地外生命带来了更大希望。 　　6、中微子“超光速” 现代物理学基础或改写 　　9月，意大利格兰萨索实验室实验装置接受了730公里外欧洲核子研究中心的中微子，研究人员发现，中微子跑过这段距离的时间比光速快了60纳秒。欧核中心10月开启的复核实验，再次证实相关结果。 　　中微子“超光速”现象引发物理学界巨大争议，因为其意义事关现代物理学基础。如最终被证实，以“光速不可超越”为基石的爱因斯坦相对论将被改写，人类的时空观或将重建。 　　7、抗艾疫苗新成果 艾滋病患盼福音 　　西班牙马德里的格雷戈里奥马拉尼翁医院10月宣布，该院研制的名为“MVA-B”的艾滋病疫苗已进入人类临床测试的第二阶段。初步测试证明，该疫苗能弱化艾滋病病毒，使其只能引发“轻微慢性感染”，对30名试验对象的测试结果显示，免疫率高达90%。 　　8、发现宜居行星　地球找到“孪生兄弟” 　　美国航天局12月宣布，科学家利用“开普勒”太空望远镜，在距地球约600光年外的恒星系统中发现了一颗宜居星球。这个代号为“开普勒-22b”的行星，其所处行星系统与太阳系类似，半径约为地球半径的2.4倍，绕恒星运行的周期约为290个地球日。 　　作为人类迄今发现的最小且最适于表面存在液态水的行星，这颗行星的发现证明，地球的“孪生兄弟”也许真的存在。类地行星一直是人类太空研究的热点之一，如果未来真能发现如地球般适合人类居住的星球，其意义不言而喻。 　　相关新闻：2011年度“中国高校十大科技进展”评选揭晓

HDX-MS是一种基于蛋白质主链酰胺氢原子与氘水中氘原子交换而获取有关蛋白质高阶结构和动态信息的方法。该技术可以帮助研究蛋白质折叠机制、发现配体结合位点、突出变构效应，在生物医药行业中发挥重要作用。尽管HDX-MS在蛋白质分析中频繁使用，但它通常无法进行高通量分析，且受限于大于150 kDa蛋白的分析。此外，HDX-MS生成复杂的同位素峰型常伴有谱图重叠现象，导致氘代值被错误计算。随着样品复杂性的增加，这一问题会更加加剧。目前，数据处理的方法涉及到手动检查原始数据以筛选谱图，并丢弃有任何信号问题的肽段图谱。然而这种方法随着样品分子量和复杂程度的增加变得难以执行，且容易受到人为错误的干扰（图1）。因此迫切需要一种可以消除手动筛选数据的负担，同时能够兼容更复杂的谱图（来自复杂混合物或整个细胞裂解液样品的谱图）。本文作者使用了一种自动化HDX数据分析的方法，利用data independent acquisition（DIA）采集方法同时从MS1和MS2领域获取氘代数据，并开发了AutoHX软件来挖掘和分析HDX数据。图1.传统HDX-MS数据采集与分析流程和本文使用的数据采集和分析流程比较。针对使用HDX-MS时，碰撞诱导解离（CID）碎裂模式产生的肽段碎片会伴随着气相中的氘重组现象（即scrambling现象），会影响残基水平氘代值的准确测量这一问题，作者定量研究了HDX-MS2数据的特性。作者发现，scrambling与离子传输和碎裂能量有关，且在高传输效率的条件下scrambling较严重，因此首先使用较为温和的离子传输参数和碎裂能量能够降低scrambling程度。随后作者建立了可描述碎片氘代值与该肽段可碎裂位点数量之间的线性关系（图2）。随着碎片离子长度的增加，相应的碎片离子氘代值会线性增加，因此通过回归计算可以计算出整个肽段的氘代率。这种方法不仅利用了CID产生的碎片信息，同时更为准确的计算出肽段的氘代值，排除了肽段谱图重叠对计算氘代值的干扰。图2.在一条给定肽段中，HD scrambling中，氘代值与碎片长度的关系。接着作者提出使用DIA方法来获取HX-MS2实验中MS1和MS2域的氘化数据，以实现在不同质谱平台采集数据、采集复杂样品的信息、分析自动化数据，且使得通过CID产生的MS2中提取肽段氘代值成为可能。首先作者设置了尽可能小的DIA窗口，并使用了较大的窗口重叠区域，以最小化MS2谱图的复杂性并确保每条氘代肽段至少有一个窗口（图3）。同时，作者开发了一个名为AutoHX的软件（作为Mass Spec Studio中的插件），该软件自动选择理想的DIA窗口，并从MS1数据计算前体肽段的氘代值，以及从MS2数据计算所有碎片的氘代值。同时改进了HX-PIPE（为HDX-MS量身定制的搜索引擎），使其搜库结果直接应用于AutoHX的分析。随后AutoHX使用了一系列过滤器来从数据集中解析低质量信号，然后使用基于RANSAC的谱图分析器，为所有肽段及其碎片匹配最佳同位素集合，并绘制动力学曲线图。该方法显著提高了肽段序列覆盖的冗余度（图4），从而提高了测量质量。图3. DIA窗口设计示意。图4. 基于DIA采集模式得到的序列覆盖（糖原磷酸化酶B，phosphorylase B）与基于传统HDX-MS中MS1采集模式的结果比对。接着，软件会通过MS1和MS2数据收集到的肽段前体离子和肽段碎片离子的信息，计算出相应的氘代值，同时将所有重复组计算出的氘化值集合成一个分布（通常为正态分布）,并从该正态分布中，选择最接近平均值的组合，即为精确的氘代值，利用每个时间点的氘代值生成HDX动力学曲线（图5）。作者将手动筛选检查的数据与自动分析法获得的氘代数据进行了比对，结果具有一致性，验证了自动化方法的准确性和可靠性（图6）。同时在做同一样本不同状态HDX比较实验时，AutoHX可以生成氘代差异的显著性差异分析图（Woods plot）（图7），用于比较不同状态下的蛋白结构和构象差异。图5. 氘代曲线的组合方式。图6.手动MS1数据分析和AutoHX自动计算的氘代率对比。图7.氘代差异分析流程示意图。最后作者用两个蛋白体系验证了该方法的实用性和可靠性。第一个体系为DNA聚合酶ϴ （Pol ϴ ）与其抗生素药物novobiocin结合的结构变化。通过比较手动处理与自动化处理的数据，作者发现生成的氘代差异图结果相似，提示该方法具有较好的准确性，并能够定位结合带来的氘代上升和下降区域（图8）。第二个体系是DNA依赖性蛋白激酶（DNA-PKcs）与选择性抑制剂AZD7648的结合。使用AutoHX软件处理了六个HDX-MS实验的数据，快速生成了Woods图，发现大部分可检测到的稳定性增加集中在FAT和激酶结构域（图9b），还包括药物结合位点的铰链环区域（图9c），揭示了药物结合位点及其引起的动态性变化。这部分研究结果展示了自动化数据分析在药物结合研究中的有效性，特别是在分析大型蛋白质复合物和难以纯化的蛋白质时，为药物开发和疾病治疗提供了有价值的信息。图8.手动处理与自动处理的Pol ϴ 与novobiocin-bound Pol ϴ 的HDX数据作差对比。图9. DNA-PKcs+AZD7648的自动化HDX分析流程结果。总的来说，该研究开发了AutoHX软件，通过自动化数据分析和基于DIA的HX-MS2工作流程，显著提高了氢/氘交换质谱技术在蛋白质结构和药物结合分析中的效率与应用范围，使得这一领域技术更加易于使用并可供更广泛的科研社区应用。该工作的亮点，从实验设计上：考虑到了目前HDX-MS流程——数据采集、数据分析——中存在的瓶颈与局限。从方法学考察层面：方法验证科学严谨、周到。从技术上：大大降低了人工处理HDX-MS数据的成本，提高了检测能力，有提高检测通量的潜力。从科学思维上：利用了scrambling的规律，将普遍的问题转化成了机遇。HX-DIA提供了一个概念上的转变，降低了该技术的使用门槛，使该技术“平民化”。本文发表在Nat. Commun.上，题目为“Automating data analysis for hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry using data-independent acquisition methodology”，作者是加拿大卡尔加里大学的David C. Schriemer。

本文由知社学术圈（zhishexueshuquan）授权转载 【摘 要】近日，中国人民大学于伟强教授研究组和清华大学于浦教授（Quantum Design产品用户）研究组与国内同行合作，利用离子液体栅技术实现了铁基超导材料的氢化，并成功获得非易失性电子掺杂下的超导电性。该工作次将FeS材料的超导转变温度由5K提高到18K，突破了铁基超导核磁共振实验长久以来的困境，开辟了超导电性探索的新途径。 相关成果以题为“Protonation induced high-Tc phases in iron-based superconductors evidenced by NMR and magnetization measurements”发表在了2018年1月1日出版的Science Bulletin上 (Science Bulletin 63, 11-16(2018))[1]。为什么氢化能够实现超导？该研究方法的出现意味着什么？ 罗会仟 | 中国科学院物理研究所 副研究员 科普作家【1、氢与超导结亲情】氢，是自然界轻的元素，仅含有一个质子和一个电子。氢是自然界重要的元素之一，因为氢和氧构成了水，才孕育了万物生灵。氢也是科学研究重要的起点，量子力学的成功，正是从氢原子起步的。超导，是一种神奇的宏观量子凝聚现象，在一定温度以下，某些材料电阻会降为零，同时出现完全抗磁性。超导的本质来源于材料中电子的两两配对，正所谓“男女搭配、干活不累”，配对的电子能够实现无阻碍的导电。只是，对于大部分超导材料，都要降到足够低的温度之下才能超导，称之为超导临界温度。如何提高超导临界温度，以及如何理解超导微观机理，成为超导研究的核心目标[2]。长久以来，科学家执着地认为氢单质就有希望实现室温下的超导电性，但条件是其苛刻的——需要在超高压力下将其金属化，这个压力约等于地球内部压力，在百万个大气压之上！实现如此高的静止压力只有一个办法，就是冒着爆炸的危险，用两块金刚石对可劲儿压。虽然有科学家宣称找到了金属氢，然而却在测定其超导电性过程中不慎失手打碎了金刚石[3]。德国科学家也在氢的硫化物中找到了203K的超导电性，但需要在200万个大气压下[4]！如此大得不得了的压力，谈应用前景是几乎不可能的了。氢与超导之间千丝万缕的联系，始终萦绕在科学家的脑海。 图1. 超高压下的金属氢[3] 【2、中式炒菜下的高温超导】超导材料的探索，被科学家戏称为“中式炒菜”——把几类元素单质或化合物经过一定的配比混合，经过高温烧结等工序，就能得到超导体。正如鲁、川、粤、苏、浙、闽、湘、徽等八大菜系一样，超导材料也因为炒菜原料和方式不同，有着不同的体系，包括金属单质、合金、氧化物、硫化物、有机物等多种形式的材料。这些“菜品”口味不一，物理性质千差万别，超导临界温度也各有千秋。上世纪80年代，一类新的铜氧化物超导体被发现，因为它们突破了当时理论预言的40K限，被称之为“高温超导体”[2][5]。历经30余年，许多铜氧化物高温超导体被发现，大地推进了超导研究的历史进程。到了2008年，新一类高温超导体再次被发现，它们是“铁基超导体”家族，以铁砷化物、铁硒化物和铁硫化物为主，块体临界温度可达55K，单原子层薄膜临界温度突破了65K，并且有可能走向更高[6]。高温超导貌似一个普遍物理现象，可人们却仍不知甚解。两类高温超导体都有一个共同特征，那就是需要高超的炒菜手艺。不仅仅是简单的原料混合，也需要把握火候(温度)和工艺。难之处在于，需要加一定的诸如糖、盐、醋、酱油、味精、花椒等调料，把口味调对了，才能出现的超导。这个调料，就是化学掺杂，通过元素替换或者原子缺陷，人为给增加电流的载体——电子或空穴，低温下的大量配对才会出现超导。铜氧化物高温超导体的母体本身是一个带有反铁磁性的缘体，然而掺杂可以将其调到金属导体状态，再降温后就成为超导体。如果炒得一手好菜，超导临界温度在常压下高能达到135K左右，离室温300K还有一定距离，然已经比单质金属要“有滋有味”多了(如金属铝为1.4K、金属汞为4.2K、金属铌为9K)[7]。调料加多了，也有烦恼。吃起来很香很美很有味儿，却难以搞明白是哪个调料起到了关键作用，或者调料复合下究竟是一个什么机制。因为载流子掺杂效应其复杂，比如改变材料的晶体结构、磁性、电性、热力学性质等等，许多现象已经超越了我们已有的理论框架体系。高温超导的微观机理问题，多年来也一直是个科学之谜，成为了凝聚态物理皇冠上的耀眼明珠。 图2. 铜基和铁基高温超导体的掺杂相图[2] 【3、喝水与酗酒的超导体】在其他科学家满头大汗忙着炒菜寻找超导体的时候，某些人也剑走偏锋，玩起了蒸包子超导体和酗酒超导体。例如一类钴氧化物本身难以超导，但是经过蒸笼里历练历练，把水分掺进去之后，它就超导了[8]！又如，一类铁硫化物材料超导性能往往很差，把它泡在各种酒里面喝高了之后，它就超导了！而且这家伙还酒品高雅，喜欢法国某酒庄某年份的某品牌红葡萄酒，光喝酒精反而不行[9]！无论是水还是酒，里面隐藏的奥秘，或许是传说中的氢？图3. 喝水的超导体NaxCoO2和喝酒的超导体FeTe0.8S0.2[8][9] 【4、洗澡蟹里出超导】 话说喝水和喝酒都能超导，给某些材料洗洗澡，是否也可以超导了呢？就像某湖水里的大闸蟹，洗洗涮涮再贴个标签，立马身价倍增，已是众所周知的秘密。给铁基超导材料洗洗澡，结果会怎么样？中国科学家还真就这么干了！确切地说，是给铁硫化物泡了个温泉。该泉水可不一般，是一堆“离子液体”，里面充满了多种带电离子。用铂丝做阳，要泡澡的材料做阴，加上栅电压。于是，离子液体里的氢离子，就在电作用下，呼啦啦涌到材料表层，甚至渗入内部。氢离子(质子)带正电，注入到材料中后为保持电中性，大量电子也就涌入到材料内部，从而使得材料实际上掺杂了更多的电子。电子掺杂让原本只有5K超导的FeS变成了18K超导，而FeSe0.97S0.03则出现了42.5K的超导，甚至完全不超导的BaFe2As2母体材料，也出现了20K的超导！原本需要进行元素替换的化学掺杂，这里通过“洗澡”方式注入氢离子，也同样实现掺杂后的超导，而且材料的晶体结构并未发生改变。真是“氢我一下就超导”！ 【5、氢云之上有玄妙】 利用栅电压来改变材料中的载流子数量/浓度，并不是什么新的发明。实际上，半导体材料玩的就是这一套。在半导体PN结里，通过偏压控制电流通过或者不通过可以做逻辑电路元件，通过控制电子-空穴对湮灭可以实现LED光学元件[10]。必须注意的是，超导体中的载流子浓度，与半导体相比，可是天壤之别，前者要大7-8个数量。毫无疑问，载流子浓度越高，参与导电的粒子就越多，导电性才会越好。指挥一支敢死队的方法，不一定适用于千军万马对阵。利用离子液体或离子固体门电压调控，也是可以调节超导体表面的电子浓度的。中国科学家前几年就发现，FeSe薄层材料原本临界温度只有9K，在离子门调节载流子后，迅速提升到了46K[11]。这种技术靠的是在材料表面覆盖一层离子，通过偏置电压让离子聚集在表面，体内电荷就会重新分布，造成掺杂效应。产生的效应尺度有限，撤掉偏压会失去效应，调控掺杂浓度有限，是该方法的缺点。如果直接把离子打入材料内部呢？清华大学的于浦教授想到了电化学方法。干脆把材料当做电本身，在离子液体里加上电压，离子就会注入或离开材料，从而实现电子或空穴掺杂。经过摸索，他们先在氧化物材料实现了电化学离子注入。只要控制好温度和电压，就能无损害材料本身而调节其物性，并且过程是可逆的！中国人民大学的于伟强教授主要做核磁共振研究，多年以来的梦想就是实现高温超导体的注氢。因为核磁共振对同位素有大的选择性，高温超导体里面含有的元素要么不合适做实验，要么需要的同位素贵无比，注入核磁共振信号强的氢离子是合适不过了。于浦教授的方法和于伟强教授想法一拍即合，于是“二于配合”顺利把氢离子搞定进入超导体。图4. 注氢铁基超导实验原理、结果及主要研究人员：崔祎、于浦、于伟强等（于伟强提供）神奇的一幕就此揭开了，铁基超导的性能获得了大幅度的提升！同样“注氢超导”也是可逆的，且几乎不改变材料结构，同时可以撤离“洗澡水”依然保留超导。这意味着，该新型超导调控手段可以避免之前化学掺杂带来的麻烦，不仅为核磁共振，也为其他超导探测手段提供了连续可控的干净样品。无论是超导材料还是超导机理的研究，都将为此受益！目前，他们正在和国内的合作者一起，试图在更多的材料里面实现注氢超导，终将在攀登超导研究之峰上，开辟出一条崭新的道路！ 【致谢】 感谢中国人民大学于伟强教授、清华大学于浦教授、Science Bulletin编辑邹文娟等人对此文的修改和帮助。 【参考文献】 [1]. Y. Cuiet al.,Science Bulletin 63, 11-16(2018) [2]. 罗会仟, 周兴江, 神奇的超导, 现代物理知识, 24(02), 30-39 (2012).[3]. R. P. Dias, I. F. Silvera, Science 355(6326), 715-718(2017).[4]. A. P. Drozdov et al., Nature 525, 73-76 (2015).[5]. J. G. Bednorz and K. A. Müller, Z. Phys. B. 64, 189 (1986).[6]. 罗会仟, 铁基超导的前世今生, 物理, 43(07), 430-438(2014).[7]. A. Schilling et al., Nature 363, 56-58(1993).[8]. K.Takada et al., Nature 422, 53-55(2003).[9] K.Deguchi et al.,Supercond. Sci. Technol. 24, 055008(2011).[10]. 黄昆, 谢希德, 《半导体物理学》, 科学出版社, 2012.[11]. B. Lei et al., Phys. Rev. Lett. 116, 077002 (2016).[12]. N. Lu et al.,Nature 546, 124–128 (2017). 【相关产品及链接】mpms3-新一代磁学测量系统：http://www.instrument.com.cn/netshow/sh100980/c17089.htmppms 综合物性测量系统：http://www.instrument.com.cn/netshow/sh100980/c17086.htm完全无液氦综合物性测量系统 dynacool：http://www.instrument.com.cn/netshow/sh100980/c18553.htm多功能振动样品磁强计 versalab 系统：http://www.instrument.com.cn/netshow/sh100980/c19330.htm超精细多功能无液氦低温光学恒温器：http://www.instrument.com.cn/netshow/sh100980/c122418.htm低温热去磁恒温器：http://www.instrument.com.cn/netshow/sh100980/c201745.htmmicrosense 振动样品磁强计：http://www.instrument.com.cn/netshow/sh100980/c194437.htm智能型氦液化器 (ATL)：http://www.instrument.com.cn/netshow/sh100980/c180307.htm

由中国科学院院士工作局、中国工程院学部工作局和科学时报社共同主办，557名中国科学院院士和中国工程院院士，投票评选瀚霖杯2010年中国十大科技进展新闻和世界十大科技进展新闻，2011年1月19日在京揭晓。 　　2010年世界十大科技进展新闻 　　1、人造生命迈出关键一步 　　美国J• 克雷格• 文特尔研究所的研究人员在《科学》杂志上报告说，他们人工合成了一种名为蕈状支原体的细菌的脱氧核糖核酸(DNA)，并将其植入另一个内部被掏空的、名为山羊支原体的细菌体内。最终他们使植入人造DNA的细菌重新获得生命，并开始在实验室的培养皿中繁殖。研究人员表示，这是第一个人造细胞，它向人造生命形式迈出了关键一步。专家评论认为，这是人类历史上最重要的科技成果。 　　2、首次探测到暗物质粒子 　　神秘的暗物质一直令科学家感到迷惑不解，这种看不见的物质占宇宙质量的大约四分之三。美国佛罗里达大学科学家首次探测到暗物质粒子。在美国明尼苏达州北部的索丹铁矿地下2000英尺(约合610米)，动用了30台高灵敏度探测仪，并将温度降低至零下273.1摄氏度。在这种实验环境下，当一种被称为“弱相互作用大质量粒子”(Wimp)撞击一个普通的原子时，这些探测仪将能够捕捉到撞击事件，从而确定Wimp粒子的存在。 　　3、发现“超级细菌” 　　8月11日，来自英国、瑞典、印度和巴基斯坦的四国科学家在权威医学杂志《柳叶刀-传染病》上联合发表文章称，他们发现了几种“超级细菌”，对几乎所有抗生素都有极高的耐药性，而这些细菌可能对全球的公共健康造成极大影响。这些菌株有一个共同点：都携带着一种相同的基因突变，能编码金属-β-内酰胺酶， 简称NDM-1。有了NDM-1，细菌就等于有了非常坚固的护盾，因为这种酶能够水解大多数抗生素，使之失效。上述文章发表后不久，“超级细菌”就在多个国家小规模爆发，引起了不小的恐慌。 　　4、首次成功制造并捕获反物质原子 　　欧洲核子研究中心的科学家成功制造出多个反氢原子，并利用磁场使其存在了“较长时间”。这是科学家首次成功捕获反物质原子。氢原子是只有一个质子和一个电子的最简单的原子。实际上，欧洲核子研究中心早在1995年就第一次制造出了反氢原子，但只能存在几个微秒的时间，就与周围环境中的正氢原子相碰并湮灭。此次的突破之处在于，制造出数个反氢原子后，借助特殊的磁场首次成功地使其存在了“较长时间”——约0.17秒。这一成果被看作是物理学领域的一大突破，将大大推动有关反物质的研究。 　　5、IBM发布硅纳米光子芯片技术 　　IBM公司12月2日发布了其在芯片技术领域的最新突破——历时10年研发的CMOS集成硅纳米光子学技术，该芯片技术可将电子和光子纳米器件集成在一块硅芯片上，使计算机芯片之间通过光脉冲(而不是电子信号)进行通讯。这一新技术的另一个优势在于它可在一个标准的芯片制造生产线上生产，不需要新的或者特殊的工具。科学家有望据此研制出比传统芯片更小、更快、能耗更低的芯片，为亿亿次超级计算机的研发开辟道路。 　　6、“普朗克”卫星绘出首幅宇宙全景 　　欧洲航天局7月5日宣布，该机构的宇宙探测卫星“普朗克”根据此前收集的数据，绘出了首幅宇宙全景。这幅图的珍贵之处在于捕捉到宇宙微波背景辐射，它形成于宇宙大爆炸时期，经过137亿年的漫长旅行才到达地球，对研究人员而言，它就是研究星系起源的 “活化石”。图像正中是地球所在的银河系，其周围布满了冷尘埃形成的纤维状物质，研究人员分析说，这片区域正是恒星形成的地方，而“普朗克”卫星拍下正在诞生的星体以及尚处在萌芽状的恒星。天文学家根据它提供的数据，可以更好地了解宇宙的起源及其现在的运行方式。 　　7、大型强子对撞机质子束流对撞首获成功 　　欧洲核子研究中心3月30日宣布，大型强子对撞机总能量为7万亿电子伏特的两个束流对撞获得成功。这是世界上目前能量最高的对撞。科学家认为，对撞成功对探索宇宙起源和粒子研究具有里程碑式的意义。欧洲核子研究中心11月4日宣布，2010年大型强子对撞机质子对撞运行当天圆满结束，已完成今年的实验目标，获得的主要成果包括对撞机的“性能参数亮度”达到设计目标，确认粒子标准模型的部分内容，在质子对撞中首次探测到“顶夸克”，确定“受激夸克”等新粒子产生的能级范围。 　　8、“千人基因组计划”获重大成果 　　由中、美、英国科研机构发起的大型国际科研合作项目“千人基因组计划”，10月28日在英国《自然》杂志上以封面文章形式发布了迄今最详尽的人类基因多态性图谱，同时也在美国《科学》杂志上报告了在基因研究技术手段上的收获，相关成果标志着人类基因研究进入了一个划时代的新阶段。这一计划取得了两个重要成果，第一是获得了迄今最详尽的人类基因多态性图谱，第二是探索出了研究基因多态性的新技术手段。 　　9、发布首份全球海洋生物普查报告　 　　历时10年的全球“海洋生物普查”项目10月4日在伦敦发布最终报告，根据普查得出的统计数据，海洋生物物种总计可能有约100万种，其中25万种是人类已知的海洋物种，其他75万种海洋物种人类知之甚少，这些人类不甚了解的物种大多生活在北冰洋、南极和东太平洋未被深入考察的海域。来自80多个国家和地区的2700多名科学家共发现6000多种新物种，它们以甲壳类动物和软体动物居多，其中有1200种已认知或已命名，新发现待命名的物种约5000种。这是历史上首次进行全球海洋生物普查。 　　10、量子纠缠首次在电晶体线路中完美实现 　　一个由法国、德国和西班牙物理学家组成的研究团队首次确凿地证明：从电晶体装置中分离出来的粒子，仍可实现量子纠缠。这是量子力学的一次突破性进展。量子纠缠在全固体材料中的完美实现，意味着量子力学真正走进了电子元件中，量子纠缠和全固体材料结合的目的就是实现量子计算以及更加固若金汤的通信。该成果让科学家迈入了量子研究的新境界。在以原子为基石的微观世界里，光与电的行为将不再服从古典规则，而是量子物理规律。(郭祎)

近日，国家天文台韩金林研究员科研团队利用中国天眼FAST探测了银河系内气体介质，获得高清图像。系列成果于2022年12月10日发表在专业学术期刊《中国科学》上。中科院国家天文台科研团队利用中国天眼FAST对银河系逐点巡测、搜寻脉冲星的同时，同步记录了星际气体的谱线数据，并于近期完成了对银河系一个部分的观测，处理了约4.4万条无线电谱线数据，获得了国际上最高灵敏度和清晰度的银河系内氢原子气体的分布结构和电离气体的弥漫特征。该科研团队利用脉冲星探测了银河系内迄今为止最大范围的磁场特征，并利用中国天眼FAST扫描了银河系的一块区域，新证认出两例超新星爆炸的遗迹。这些研究从多个角度揭示了在星际空间中隐藏的恒星从诞生到消亡的奥秘，对理解银河系中的天体诞生和星际空间的物质循环具有重要意义。中科院国家天文台研究员韩金林介绍，在广袤星际空间弥漫的氢原子气体，汇聚冷却后能够形成氢分子云团，并在高密度核心孕育出新一代恒星。新生的恒星会电离周围气体，恒星由生到死、不断演化，最终消亡后爆炸，并将合成的气体和元素挥洒到星际空间，其中一些恒星消亡后会产生超新星遗迹和脉冲星。利用新观测的数据，科研人员将在银河系结构方面做出新的探索，发现银河系远距离的电离气体和原子气体的结构，并对这些气体形成恒星和周围的电离的物理特征进行深入研究。FAST揭示的银河星际氢原子气体分布图（速度区间-150 km/s到+150 km/s的累积）FAST揭示的银河系星际空间电离气体分布图（速度区间-40 km/s到+120 km/s的累积）

贾伟、陈熙 沃特世科技（上海）有限公司实验中心 氢氘交换质谱法是一种研究蛋白质空间构象的质谱技术。它在蛋白质结构及动态变化研究、蛋白质相互作用位点发现、蛋白表位及活性位点鉴定方面有着广泛的应用。随着氢氘交换质谱技术的不断发展，它正在成为结构生物学家及生物药物研发的重要手段。 氢氘交换质谱（HDX MS，hydrogen deuterium exchange mass spectrometry）是一种研究蛋白质空间构象的质谱技术。其原理是将蛋白浸入重水溶液中，蛋白的氢原子将于重水的氘原子发生交换，而且蛋白质表面与重水密切接触的氢比位于蛋白质内部的或参与氢键形成的氢的交换速率快，进而通过质谱检测确定蛋白质不同序列片段的氢氘交换速率，从而得出蛋白质空间结构信息[1]。这个过程就像将握着的拳头浸入水中，然后提出水面并张开手掌。这时，湿润的手背表明它在&ldquo 拳头&rdquo 的结构中处于外表面，而较为干燥的手心表明它是&ldquo 拳头&rdquo 的内部。除样品制备外，氢氘交换质谱法的主要过程包括：交换反应、终止反应、将蛋白快速酶切为多肽、液相分离、质谱检测、数据解析。其中交换步骤需要在多个反应时长下进行，如0s、10s、1min、10min、60min等，以绘制交换率曲线，得到准确全面的信息。氢氘交换质谱技术在蛋白质结构及其动态变化研究[1]、蛋白质相互作用位点发现[2]、蛋白表位及活性位点鉴定方面有着广泛的应用[3]。 与经典的蛋白质结构研究方法相比，如X射线晶体衍射（X-Ray Crystallography）和核磁共振（NMR. Nuclear Magnetic Resonance）等方法，氢氘交换质谱不能够提供精确的蛋白空间结构，它直接提供的主要信息包括哪些氨基酸序列位于蛋白质空间结构的表面位置（包括动态变化中的）、可能的活性位点和蛋白-蛋白相互作用位点等。但是氢氘交换质谱技术有着其他经典方法不具备的优点：首先，可以进行蛋白质结构动态变化的研究是氢氘交换质谱的一个突出优点，包括变化中的活性位点及表位；其次，氢氘交换质谱在蛋白复合体构象的研究中也具有独到的优势；此外，氢氘交换质谱还具有对样品需求量小、纯度要求相对较低、研究对象为溶液环境下的蛋白质的天然构象而非晶体中构象等优势[1,4,5]。自1991年第一篇研究论文发表起，氢氘交换质谱技术不断发展，已经成为结构生物学及质谱技术中一个非常重要的应用领域[6]。但是氢氘交换质谱实验的复杂的实现过程在一定程度上影响了其应用的广泛度。主要的难点有：1、如何避免交换后氘代肽段的回交现象；2、实验控制的高精确性和重现性要求；3、交换后造成的叠加的质谱峰如何准确分辨；4、简易高效的分析软件需求；5、以氨基酸为单位的交换位点辨析。沃特世公司自2005年起，针对以上难点不断进行攻关，推出了目前唯一商业化的全自动氢氘交换质谱系统解决方案&mdash &mdash nanoACQUITY UPLC® HD-Exchange System(图1)。在全世界范围内，这套系统已经帮助科学家在包括Cell、Nature等顶级研究期刊中发表研究论文[7,8]。除科研需求外，沃特世氢氘交换质谱系统也受到众多国际领先制药公司的认可，并用于新药开发中蛋白药物活性位点及表位的研究工作中。 氢氘交换实验中的回交现象将严重影响实验数据的可信度，甚至导致错误结果的产生。要避免回交需要做到两点：尽量缩短液质分析时间和保证液质分析中的温度和pH为最低回交反应系数所要求的环境。沃特世UPLC® 系统采用亚二纳米色谱颗粒填料，较HPLC使用的大颗粒填料，UPLC具有无与伦比的分离度。因此UPLC可以做到在不损失色谱分离效果的要求下，极大缩短液相分析时间的要求[9]。对于对温度和pH控制问题，在多年的工程学改进中，nanoACQUITY UPLC HD-Exchange System已经实现了对酶切、液相分离等步骤的全程控制[10]。 对氢氘交换质谱实验精确性和重现性的要求是其应用的第二个主要难点。在实验中一般需要采集0s、10s、1min、10min、60min、240min等多个时间点的数据。如果进行人工手动实验，很难做到对10S-10min等几个时间点的精确操作。再考虑到重复实验的需求，人工手动操作会对最终数据可信度产生影响。而且实验过程重复繁琐，将给实验人员带来非常大的工作压力。nanoACQUITY UPLC HD-Exchange System完全通过智能机械臂，精确完成交换、终止交换、进样、酶切等一系列实验过程，而且始终保证各个步骤所需不同的温度环境。这些自动化过程不但保证了实验数据的可靠性，提高了实验效率，也将科学家从繁琐的重复实验中解放出来。 氢氘交换实验的质谱数据中，随着交换时间的延长，发生了交换反应的多肽，由于质量变大，其质谱信号将逐渐向高质荷比方向移动。因此，这些质谱峰可能与哪些未发生交换反应的多肽质谱峰逐渐叠加、相互覆盖。相互叠加的质谱信号，不但影响对峰归属的判断，更会增加交换率数据的误差。因为交换率判断需要通过对发生交换的多肽进行定量，毫无疑问因叠加的而混乱的质谱数据将极大的影响对质谱峰的准确定量。这点对于单纯通过质荷比进行分析的质谱仪来说完全无能为力。但是，这个看似不可能完成的任务却被沃特世 nanoACQUITY UPLC HD-Exchange System攻克了。这是因为，不同于其它常见质谱，沃特世的SYNAPT® 质谱平台还具备根据离子大小及形态进行分离的功能（行波离子淌度分离）。在数据处理时，除多肽离子的质荷比信息外，还可以通过离子迁移时间（离子淌度维度参数）将不同离子区分。因此这种SYNPAT独有的被命名为HDMSE的质谱分析技术可以将因质荷比相同而重叠的多肽分离开，轻而易举地解决了质谱信号叠加的问题，得到准确的交换率数据[11,12]（图2）。SYNPAT质谱平台一经推出就夺得了2007年PITTCON金奖，目前已经推出了新一代的SYNAPT G2HDMS、SYNAPT G2-S HDMS等型号，并具备ESI、MALDI等多种离子源。除氢氘交换技术外，SYNAPT质谱系统在蛋白质复合体结构研究中也是独具特色，已有多篇高质量应用文献发表[13,14,15]。 实现氢氘交换质谱技术的第四个关键点，是如何高效分析实验产生的多时间点及多次重复带来的大量数据。人工完成如此巨大的信息处理工作，将消耗科学家大量的时间。沃特世氢氘交换质谱解决方案所提供的DynamX软件可以为科学家提供简便直观的分析结果，并包含多种呈现方式。 在某些特殊研究中，要求对蛋白氢氘交换位点做到精确到氨基酸的测量，这是氢氘交换质谱研究的又一个难点。在常规的研究中采用CID（碰撞诱导解离）碎裂模式，可能导致氘原子在多肽内重排，而致使不能对发生交换的具体氨基酸进行精确定位。SYNPAT质谱提供的ETD（电子转移解离）碎裂模式可以避免氘原子重排造成的信息混乱，并具有良好的碎裂信号[16]。 沃特世的nanoACQUITY UPLC HD-Exchange System为氢氘交换质谱实验提供了前所未有的简易的解决方案，强有力地推动了氢氘交换技术在蛋白质结构及动态变化研究、蛋白质相互作用位点发现、蛋白表位以及活性位点鉴定方面的应用，正在成为众多结构生物学科学家和生物制药企业必不可少的工作平台。 参考文献 (1) John R. Engen, Analysis of Protein Conformation and Dynamics by Hydrogen/Deuterium Exchange MS. Anal. Chem. 2009,81, 7870&ndash 7875 (2) Engen et al. probing protein interactions using HD exchange ms in ms of protein interactions. Edited by Downard, John Wiley & Sons, Inc. 2007, 45-61 (3) Tiyanont K, Wales TE, Aste-Amezaga M, et al. Evidence for increased exposure of the Notch1 metalloproteasecleavage site upon conversion to an activated conformation. Structure. 2011, 19, 546-554 (4) Heck AJ. Native mass spectrometry: a bridge between interactomics and structural biology. Nat Methods. 2008, 5, 927-933. (5) Esther van Duijn, Albert J.R. Heck. Mass spectrometric analysis of intact macromolecular chaperone complexes. Drug Discovery Today. Drug Discovery Today: Technologies Volume 3, 2006, 21-27 (6) Viswanat ham Katta, Brian T. C hait, Steven Ca r r. Conformational changes in proteins probed by hydrogen-exchange electrospray-ionization mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom. 1991, 5, 214&ndash 217 (7) Chakraborty K, Chatila M, Sinha J, et al. Chaperonin-catalyzed rescue of kinetically trapped states in protein folding. Cell. 2010 Jul 9 142(1):112-22. (8) Zhang J, Adriá n FJ, Jahnke W, et al. Targeting Bcr-Abl by combining allosteric with AT P-binding-site inhibitors. Nature. 2010,463, 501-506 (9) Wu Y, Engen JR, Hobbins WB. Ultra performance liquid chromatography (UPLC) further improves hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry. J Am Soc Mass Spectrom. 2006 , 17, 163-167 (10) Wales T E, Fadgen KE, Gerhardt GC, Engen JR. High-speed and high-resolution UPLC separation at zero degrees Celsius. Anal Chem. 2008, 80, 6815-6820 (11) Giles K, Pringle SD, Worthington KR, et al. Applications of a travelling wave-based radio-frequency-only stacked ring ion guide. Rapid Commun Mass Spectrom. 2004, 18, 2401-2414 (12) Olivova P, C hen W, C ha kra borty AB, Gebler JC. Determination of N-glycosylation sites and site heterogeneity in a monoclonal antibody by electrospray quadrupole ion-mobility time-offlight mass spectrometry. Rapid Commun Mass Spectrom. 2008, 22,29-40 (13) Ruotolo BT, Benesch JL, Sandercock AM, et al. Ion mobilitymass spectrometry analysis of large protein complexes. Nat Protoc.2008, 3, 1139-52. (14) Uetrecht C, Barbu IM, Shoemaker GK, et al. Interrogatingviral capsid assembly with ion mobility-mass spectrometry. Nat Chem.2011, 3,126-132 (15) Bleiholder C, Dupuis NF, Wyttenbac h T, Bowers MT. Ion mobility-mass spectrometry reveals a conformational conversion from random assembly to &beta -sheet in amyloid fibril formation. Nat Chem. 2011, 3, 172-177 (16) Kasper D. Rand, Steven D. Pringle, Michael Morris, John R., et al. ETD in a Traveling Wave Ion Guide at Tuned Z-Spray Ion Source Conditions Allows for Site-Specific Hydrogen/Deuterium Exchange Measurements. J Am Soc Mass Spectrom. 2011, in press

p style=" text-indent: 2em " 本文主要介绍了qPlus型非接触原子力显微镜(NC-AFM)的基本工作原理，qPlus NC-AFM的两种工作模式的应用：高分辨成像获得分子内和分子间原子结构和力谱测量获得表面元素及成键力信息，以及NC-AFM在表面在位化学反应、低维材料、三维成像探测、开尔文探针力显微镜(KPFM)等方面的应用。 /p section style=" box-sizing: border-box text-align: justify " section style=" position: static box-sizing: border-box " powered-by=" xiumi.us" section style=" display: flex flex-flow: row nowrap margin: 10px 0% position: static box-sizing: border-box " section style=" display: inline-block vertical-align: top width: auto min-width: 10% max-width: 100% flex: 0 0 auto height: auto align-self: flex-start border-width: 0px margin: 0px 2px 0px 0px box-sizing: border-box " section style=" text-align: right margin: 0px 0% justify-content: flex-end position: static box-sizing: border-box " powered-by=" xiumi.us" section style=" display: inline-block min-width: 10% max-width: 100% vertical-align: top transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -webkit-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -moz-transform: matrix(1, 0, 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107, 192) padding: 0px 10px box-sizing: border-box " section style=" margin: 3px 0% 0px position: static box-sizing: border-box " powered-by=" xiumi.us" section style=" font-size: 17px color: rgb(92, 107, 192) box-sizing: border-box " p style=" white-space: normal margin-top: 0px margin-bottom: 0px padding: 0px box-sizing: border-box " strong span style=" box-sizing: border-box " NC-AFM工作原理 /span /strong /p /section /section /section /section /section /section p style=" text-align: justify text-indent: 2em " NC-AFM分为振幅调制和频率调制两种工作模式，超高真空体系中基于qPlus传感器的NC-AFM一般使用频率调制模式。频率调制AFM的基本工作原理是针尖悬臂在外力的驱动下以自由共振频率f sub 0 /sub 简谐振动，振幅(A)保持恒定，当针尖逼近样品时，针尖-样品之间的相互作用力梯度发生变化，引起悬臂共振频率的偏移(Δf)，利用Δf和针尖高度的关联进行成像。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " NC-AFM的信号检测电路(图1A)主要由振幅控制模块和频率测量模块两部分组成。针尖悬臂振动信号经过带通滤波器后分成三路：一路信号进入交流直流转换器，将悬臂振幅转化为直流信号，并与振幅设定值比较(两者的差为能量耗散)，通过比例-积分-微分控制器(PID)控制，调整激励信号，使得AFM悬臂保持恒定振幅振动；一路信号输入到相位调节器，经过π/2的相位移后返回激励陶瓷，与交流直流转换器共同组成振幅控制模块(灰色虚线框标记部分)；另一路信号经过基于锁相环(PLL)的频率调制解调器后得到频率偏移信号，与控制针尖高度的模块相结合进行不同模式的成像。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/a2bacf3f-6fd9-4827-86ff-9a0eda9e5d52.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图1 非接触原子力显微镜的工作原理 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 类比于STM工作模式有恒电流和恒高度两种模式，NC-AFM也具有恒频率偏移和恒高度两种主要成像模式。在恒频率偏移成像模式下，通过振幅反馈回路使音叉悬臂保持恒定振幅，通过频率反馈回路调整针尖和样品间的距离保持频率偏移恒定(Δf)，所获得图像为恒定力梯度下的样品表面形貌高度图。在恒高度成像模式下，断开频率偏移控制的反馈回路保持针尖高度恒定，探测扫描过程中的频率偏移变化，所获图像为恒定高度下的样品表面力梯度图。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " NC-AFM之所以能够达到亚分子级分辨，甚至亚原子级分辨率，主要原因是qPlus传感器(如图1所示)的引入。qPlus传感器使用高弹性常数(~1800& nbsp N· m sup -1 /sup )的石英音叉作为悬臂代替传统AFM使用的硅悬臂，石英音叉在针尖-样品的作用力可以以非常小的振幅(& lt 100 pm)稳定成像。此外，qPlus传感器还具有以下优势：qPlus传感器使用导电的金属针尖，可以同时获得STM和AFM信号，可以给出更丰富的样品信息；qPlus音叉使用的石英晶体是压电晶体，振动时会产生和振幅成比例的压电信号，属于自检测传感器，不需要激光检测，适用于极低温工作环境；相比于传统硅悬臂，qPlus传感器体积较大，属于宏观物体，易于集成功能化的针尖。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 针尖-样品之间的总作用力是吸引力和排斥力加和，如图1C所示。从作用范围的不同可以分为长程力和短程力：其中长程力包括范德华力、静电力、磁力；短程力包括化学成键力和泡利排斥力。范德华力产生的原因是原子与原子之间的局域瞬时偶极作用；针尖和样品间的电势差，或功函数差可以产生长程的静电力；在微观上长程的静电力的加和可以产生短程的静电力，其大小随距离指数衰减。短程化学力可分为短程化学成键力和短程泡利排斥力：短程化学成键力衰减长度在化学键长度的量级，由于化学键力很大又相对局域，所以在理想的体系中可以获得很高的分辨；短程泡利排斥力来源于量子力学中电子的量子数不能全同导致的短程排斥力，具有最高的空间局域性。相比于长程力，短程力有更大的力梯度，对Δf的贡献也更大，所以降低针尖的振幅可以一方面大大提高短程力的敏感性，另一方面降低振幅还可以大大降低长程力的贡献，消除长程力的背景。目前认为，在单分子内的原子分辨上 起主要贡献的是泡利排斥力。 /p section style=" box-sizing: border-box text-align: justify " section style=" position: static box-sizing: border-box " powered-by=" xiumi.us" section style=" display: flex flex-flow: row nowrap margin: 10px 0% position: static box-sizing: border-box " section style=" display: inline-block vertical-align: top width: auto min-width: 10% max-width: 100% flex: 0 0 auto height: auto align-self: flex-start border-width: 0px margin: 0px 2px 0px 0px box-sizing: border-box " section style=" text-align: right margin: 0px 0% justify-content: flex-end position: static box-sizing: border-box " powered-by=" xiumi.us" section style=" display: inline-block min-width: 10% max-width: 100% vertical-align: top transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -webkit-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -moz-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -o-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) border-style: none solid border-width: 1px 1px 1px 0px border-radius: 0px border-color: rgba(255, 255, 255, 0) rgb(92, 107, 192) rgb(92, 107, 192) rgb(223, 46, 0) padding: 5px 10px background-color: rgba(255, 255, 255, 0) box-shadow: rgba(255, 255, 255, 0) 0px 0px 0px line-height: 1 letter-spacing: 0px width: auto height: auto box-sizing: border-box " section style=" text-align: justify font-size: 19px color: rgb(92, 107, 192) font-family: Optima-Regular, PingFangTC-light box-sizing: border-box " powered-by=" xiumi.us" p style=" white-space: normal margin-top: 0px margin-bottom: 0px padding: 0px box-sizing: border-box " strong style=" box-sizing: border-box " 2 /strong /p /section /section /section /section section style=" display: inline-block vertical-align: top width: auto border-width: 1px 0px 0px flex: 100 100 0% align-self: flex-start height: auto border-top-style: solid border-top-left-radius: 0px border-top-color: rgb(92, 107, 192) padding: 0px 10px box-sizing: border-box " section style=" margin: 3px 0% 0px position: static box-sizing: border-box " powered-by=" xiumi.us" section style=" font-size: 17px color: rgb(92, 107, 192) box-sizing: border-box " p style=" white-space: normal margin-top: 0px margin-bottom: 0px padding: 0px box-sizing: border-box " strong span style=" box-sizing: border-box " qPlus NC-AFM的工作模式 /span /strong /p /section /section /section /section /section /section p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 2.1 高分辨成像 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 实现分子内部单原子的识别是表面显微技术的重要目标。STM可获得原子级的图像，但由于隧穿电流主要探测的是费米面附近的局域电子态密度，因此对于分辨吸附分子内部的原子结构有一定的难度。NC-AFM探测的是针尖与样品原子间的相互作用力，在成像区域起主要贡献的是短程泡利排斥力，其探测的实质为分子内部总电子密度的分布，这使得AFM在理论上具有比STM更高的空间分辨能力。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 为了达到NC-AFM的超高分辨率，针尖需要满足两个条件：一是化学惰性，保证针尖与样品分子之间的弱相互作用力，避免分子被针尖操纵；二是针尖尖端必须尖锐，针尖半径足够小(亚纳米尺度)从而确保可以获得原子级别的分辨，这两个条件保证了针尖可以逼近表面吸附的分子从而达到成像所需的泡利排斥力区域。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 除了能够分辨分子内部的原子结构，NC-AFM技术还被用于化学键键级研究。利用NC-AFM技术识别键级的机制有两种：一是电子密度随键级的增大而增大，在相同高度下高键级区域与针尖之间具有更大的泡利排斥力，因此在AFM图像中呈现更亮的衬度；二是由于化学键长随着键级的增大而减小，结合针尖上修饰的CO分子的偏转作用可以判断其键级大小。由于CO针尖的偏转作用，AFM图像中所有化学键长都被放大，无法利用测量值与理论键长直接进行比较，但可以利用不同位置化学键的测量值进行对比获得其键级信息。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 为了保证针尖及样品的稳定性，大多NC-AFM图像的采集需要在液氦温度，极少数结果在液氮温度下获得。随着技术的进一步发展，德国雷根斯堡大学Giessibl团队于2015年首次在室温下利用qPlus传感器及W针尖获得了苝四甲酸二酐分子的AFM图像。这一成果对于将qPlus NC-AFM技术应用于常温化学反应及分子结构识别等领域具有突破性的意义。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 除了分子内部原子结构和化学键的识别，qPlus NC-AFM也可以识别分子间相互作用。2013年，裘晓辉团队以Cu(111)单晶表面吸附的8-羟基喹啉分子为研究体系，首次利用qPlus NC-AFM技术实现了实空间对分子间氢键的成像。卤键是一种类似氢键的分子间的相互作用，是由卤素原子的亲电位点(称为σ-hole)和另一原子的亲核位点之间形成的非共价相互作用。Cl、Br、I等卤素原子形成卤键的键能逐渐增大，F原子由于难以形成σ- hole，因此F原子之间认为没有卤键存在。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 分子间氢键和卤键被实空间观测对于研究分子间弱相互作用力具有重要意义。氢键之所以能够被NC-AFM观测到，最初的解释是由于氢键的形成增大了该处的电子密度，因此针尖可以探测到增强的泡利排斥力，故而可以获得氢键成像。之后，捷克科学院Hapala团队利用CO针尖建立模型模拟发现，单纯利用针尖尖端CO分子所受范德华力引起的偏转，也可以实现上述结果显示的分子间氢键衬度特征。由于在图像模拟中未考虑分子间电子密度的作用，因此他们认为NC-AFM图像中针尖偏转对分子间作用力成像起了主要作用。随后，芬兰阿尔托大学Liljeroth和荷兰乌特勒支大学Swart等利用二对吡啶基乙炔(BPPA)分子自组装体系对该问题进行了进一步的研究。BPPA分子利用分子间氢键形成四聚体结构(如图3 (G, H)所示)，示意图显示上下两个BPPA分子之间未直接形成化学键，但相对的两个N原子之间在NC-AFM图像中出现亮线。利用CO软性针尖进行Lennard-Jones势模拟图像与实验结果相似。因此他们认为针尖偏转在AFM成像上具有重要的影响：一方面使化学键的AFM衬度锐化，易于得到分子内部原子结构，另一方面在相邻非常近但未成键的两原子之间，偏转效应会使图像中出现成键的假象。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/1885fe3a-f255-4b08-972e-86fe121a072d.jpg" title=" 3.jpg" alt=" 3.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图3 分子间化学键高分辨成像 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 虽然NC-AFM已经实现了亚原子级别的高分辨成像，但其成像机制在国际上仍具有一定的争议，针尖偏转和电子密度在分子间成像上的贡献孰多孰少，亦或是某一因素起单独作用，目前并没有定论。解决这一问题也是现在NC-AFM技术最重要的目标之一，也是该技术应用于研究分子间成键和弱键相互作用体系的基本前提。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 2.2 针尖-样品作用力谱测量 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " NC-AFM的力谱功能可以定量测量针尖-表面之间的相互作用力和能量，是研究高分辨成像和原子/分子操纵机理的关键。力谱是在特定的位置上记录针尖-样品相互作用力梯度(即Δf)与针尖-表面间距(d)的关系，即Δf(d)曲线，利用Sader和Jarvis提出的转换关系可以将Δf(d)曲线转化为F(d)曲线。当针尖与样品之间距离较远时，其作用力包括宏观尺度的范德华力、针尖尖端与样品的局域范德华力、偶极或带电样品引起的静电力，短程的泡利排斥力在此时可以忽略。针尖与样品之间距离较近进行成像扫描时，泡力排斥力对成像起主导作用，但长程的范德华力和静电力仍有作用(图4A)。因此，定量研究针尖与样品间的短程泡利排斥力时需要在总力谱的基础上扣除长程力背景(图4B)。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/e4d6a009-363d-4afe-92ca-e5ff9242a84a.jpg" title=" 4.jpg" alt=" 4.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图4 针尖-样品间作用力测量 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 2001年，瑞士巴塞尔大学Lantz团队首次在低温下利用力谱技术测量了Si针尖与 Si(111)-(7× 7)表面Si原子悬挂键间形成的共价键力的大小为2.1 nN，如图4(C,D)所示。这一结果是化学成键力测量上的突破性进展。2007年，日本大阪大学Morita团队在室温下利用不同结构的针尖测量了Si基底上沉积Sn分子后针尖与Si原子和Sn原子间的力谱，将每种针尖测得的短程力谱根据Si原子力谱的最大吸引力进行归一化后得到Sn原子和Si原子力谱的最大吸引力比值为0.77 : 1 (图4(E, F))。同样的方法可得到Pb原子和Si原子力谱的最大吸 引力比值为0.59 : 1。基于以上结果，在Si(111)基底上Si、Sn、Pb合金材料上通过区别不同原子与针尖之间吸引力最大值的差别，可以实现Si、Sn、Pb化学元素的识别(图4(G,H))。NC-AFM的成像技术和力谱测量相结合，有利地推进了扫描探针技术对尺度空间和能量空间分辨率的提高，为研究原子或分子间相互作用及化学键的形成具有重要意义。值得注意的是，以上提到的研究结果都早于qPlus传感器的发明，是利用悬臂梁针尖测量所得。 /p section style=" box-sizing: border-box text-align: justify " section style=" position: static box-sizing: border-box " powered-by=" xiumi.us" section style=" display: flex flex-flow: row nowrap margin: 10px 0% position: static box-sizing: border-box " section style=" display: inline-block vertical-align: top width: auto min-width: 10% max-width: 100% flex: 0 0 auto height: auto align-self: flex-start border-width: 0px margin: 0px 2px 0px 0px box-sizing: border-box " section style=" text-align: right margin: 0px 0% justify-content: flex-end position: static box-sizing: border-box " powered-by=" xiumi.us" section style=" display: inline-block min-width: 10% max-width: 100% vertical-align: top transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -webkit-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -moz-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -o-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) border-style: none solid border-width: 1px 1px 1px 0px border-radius: 0px border-color: rgba(255, 255, 255, 0) rgb(92, 107, 192) rgb(92, 107, 192) rgb(223, 46, 0) padding: 5px 10px background-color: rgba(255, 255, 255, 0) box-shadow: rgba(255, 255, 255, 0) 0px 0px 0px line-height: 1 letter-spacing: 0px width: auto height: auto box-sizing: border-box " section style=" text-align: justify font-size: 19px color: rgb(92, 107, 192) font-family: Optima-Regular, PingFangTC-light box-sizing: border-box " powered-by=" xiumi.us" p style=" white-space: normal margin-top: 0px margin-bottom: 0px padding: 0px box-sizing: border-box " strong style=" box-sizing: border-box " 3 /strong /p /section /section /section /section section style=" display: inline-block vertical-align: top width: auto border-width: 1px 0px 0px flex: 100 100 0% align-self: flex-start height: auto border-top-style: solid border-top-left-radius: 0px border-top-color: rgb(92, 107, 192) padding: 0px 10px box-sizing: border-box " section style=" margin: 3px 0% 0px position: static box-sizing: border-box " powered-by=" xiumi.us" section style=" font-size: 17px color: rgb(92, 107, 192) box-sizing: border-box " p style=" white-space: normal margin-top: 0px margin-bottom: 0px padding: 0px box-sizing: border-box " strong span style=" box-sizing: border-box " qPlus NC-AFM的应用 /span /strong /p /section /section /section /section /section /section p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 3.1 针尖修饰对成像的影响 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 在AFM成像研究中，针尖的原子组成和几何结构对成像结果具有重要影响。通常实验中可以通过针尖脉冲，降低扫描高度或撞针的方法进行针尖处理，但这些处理方法获得的针尖重复性不高且难以确定针尖的具体原子结构。而纵向原子/分子操控技术可以高效地将特定的分子或原子从样品表面提取，修饰到针尖尖端，提高AFM成像的分辨率。已经实现可以进行针尖修饰的原子/分子包括H原子、卤素原子(Cl，Br)、惰性气体分子(Ar，Kr，Xe)及小分子如CO、NO、CH4等。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 目前，对于表面吸附分子的结构识别和化学反应研究一般选择CO分子修饰的针尖。修饰步骤如下：首先将CO分子沉积在基底表面，将NC-AFM针尖置于CO分子上方，在针尖方向施加-2.8 V的恒定电压激发CO分子跳到针尖端，若重复扫描图像发现CO分子消失且分辨率得到极大地提高则认为CO分子已修饰到针尖尖端。尖端修饰的CO分子的偏转极大地提高了分子内部原子结构的AFM分辨率，但同时也带来了图像扭曲的问题(图5A)。惰性气体如Xe原子可以在金属基底、NaCl基底或分子自组装网格上吸附并修饰针尖，将针尖置于Xe原子上方，下压0.3 nm，继续扫描发现该处Xe原子消失，且图像分辨率显著提高， /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 证明Xe原子被修饰在针尖尖端。对同一个分子的成像结果显示Xe针尖的分辨率低于CO针尖，但分子成像的扭曲程度比CO针尖小(图5B)。与CO修饰针尖相比，Xe针尖的一个优点是在STM成像实验中避免CO中O原子p波函数态对分子轨道成像的贡献。Kr针尖的制备方法类似Xe针尖，但稳定性比Xe针尖弱。卤素原子的提取方法与Xe原子类似，Cl原子通常来源于NaCl晶体，Br原子通常来源于从有机分子上断键后的游离Br原子。卤素原子修饰的针尖分辨率比CO针尖低，但是图像扭曲程度也较低，这主要是由于卤素原子的偏转效应比CO分子弱(图5(C, D))。Br原子虽然比Cl原子半径大，但成像分辨率相近。Br针尖的优势在于易于制备，并且可以对NaCl上的DBA单分子进行“pulling”模式的横向操纵，这对于其他修饰针尖来说是比较困难的。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 除了以上提到的可与针尖尖端形成较弱成键的分子和原子外，利用O原子与Cu针尖形成CuO针尖，O原子的存在可减弱Cu针尖与样品之间的作用力，同时具有稳定的原子结构，减少针尖偏转对图像成像的影响。如图5(E, F)所示，利用O针尖获得的二蒄(DCLN)分子的AFM图显示分子外围的C原子呈现比分子内部C原子更亮的AFM衬度，这是由于分子外围C原子上具有更高的电荷密度以及与针尖具有更小的范德华吸引力导致，两种原因所占的比例约为30% : 70%。此外，CO针尖进入排斥力成像区域后具有严重的偏转效应，导致对化学键的成像有30%的放大，而O针尖所引起的成像放大效应几乎可以忽略。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/3234dc8f-eb23-4348-a559-cd7e82fa60e7.jpg" title=" 5.jpg" alt=" 5.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图5 不同针尖修饰对成像的影响 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 3.2 对低维纳米材料的研究 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 低维材料是材料学科和物理化学研究中的重要研究方向，其中以石墨烯为代表的一维/二维材料的表面原位合成研究至关重要。对于表面低维材料的结构研究多以STM为主，但是对于石墨烯以及石墨烯纳米带(GNRs)这类具有较强电子离域性质的材料来说，STM图像呈现的是材料整体的电子态信息，难以直观地确定材料的原子结构、缺陷和边界结构等。NC-AFM 技术有效地解决了这些问题。由于石墨烯具有化学惰性，且尺寸较大不易被针尖操纵，所以可以直接用金属针尖对石墨烯进行NC-AFM成像。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 图6(A,B)是分别用W针尖和CO针尖对Ir(111)基底上的石墨烯进行成像，可以识别长程的摩尔条纹(周期~2.5 nm)。活性金属针尖扫描时，石墨烯晶格呈现六方对称的点状，在该状态下降低针尖高度，图像会发生反转呈现蜂窝状晶格。而电学非活性的CO针尖扫描时，石墨烯在所有高度下只呈现蜂窝状晶格。对于GNRs、NC-AFM的成像能够提供更为精细的结构信息，图6C左下角是GNRs的STM图像，条带区域呈现均一的电子态。而相对应的利用CO针尖扫描获得的 AFM 图像中可以清晰的观测 GNRs的原子结构。该GNRs是由六排碳原子组成的具有锯齿型边界的纳米带，简称6-ZGNRs (6-zigzag graphene nanoribbons)，边界C由H原子终止。对6- ZGNRs进行边界修饰可以得到图6D所示的原子结构，在 6-ZGNRs 的两个锯齿型边界上分别修饰了周期性的荧蒽基团，边界的C原子仍由H原子终止，而不以自由基形式存在。NC-AFM图像还可以分辨GNRs中的掺杂原子，如图6E所示，GNRs span style=" text-indent: 2em " 中衬度较暗的区域是对位的两个B原子掺杂(标记为红点)，呈现与C原子差别较大的AFM衬度不仅是由于B原子的缺电子特性导致该位点的电子密度较低，更主要的原因是由于在该结构中B原子在高度上比C原子低30 pm53。此外，NC-AFM还可以研究其他类型的缺陷态，例如图6F所示的两GNRs交界处形成的非完美融合中的五七元环结构等。以上这些结构信息对研究GNRs的物理性质和边界态结构具有重要意义。除了石墨烯、石墨烯纳米带等导电材料，NC-AFM对于氧化物、氮化物等绝缘材料的结构研究也具有一定的优势。 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " span style=" text-indent: 2em " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/08f77a2e-f030-4be2-8c18-5fefb84c84d2.jpg" title=" 6.jpg" alt=" 6.jpg" / /span /p p style=" text-align: center " strong 图6 q Plus NC-AFM在低维纳米材料中的应用 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 利用qPlus NC-AFM研究绝缘材料表面原子结构的工作，大多是基于金属单晶表面的超薄层样品，只有少数研究是基于严格意义上的体相绝缘体材料。从基本原理上分析，qPlus NC-AFM用于研究体相绝缘材料是可行的，但在实际应用中存在一定的困难。首先，体相绝缘材料与针尖之间具有电势差，由于qPlus针尖弹性常数大，工作振幅极小(& lt 100 pm)，需要在较小的针尖-样品距离下才能得到成像，而在此状态下，针尖-样品间电势差引起的静电力无法估量；第二，针尖形状和尖端修饰的分子对AFM成像分辨率具有极大的影响，纯绝缘体表面很难对针尖进行原位处理或修饰。因此目前研究的体相绝缘体材料大多是平整度较高的晶体，例如NaCl等。如何克服以上难点将qPlus NC-AFM更广泛地应用于体相绝缘体材料对于一些催化体系的活性位点、燃料电池材料的工作机制的研究具有重要意义。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 3.3 表面化学反应研究 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 观测化学反应过程中分子和原子的重组对催化机理研究具有重要意义，也是表面物理化学研究中的巨大挑战。2013年，加州大学伯克利分校的Crommie和Fischer等利用NC-AFM首次观测了Ag(100)基底上oligo-(phenylene-1,2-ethynylenes)单分子的内部原子结构以及在该表面的单分子环化反应过程。反应物和产物分子的STM图无法直观解析分子结构(图7A-C)，但相对应的NC-AFM图像(图7D-F)可以提供分子内部的原子排列的结构信息。除了分子中原子位置和共价化学键之外，反应物分子中两苯环之间的C≡C键也可以清晰地分辨，这是由于三键区域具有较高的电子密度导致。而分子外围AFM衬度的增强则是由与该处具有较小的范德华吸引力背景，离域π电子体系边缘处的电子密度增强和分子平面的扭曲等因素造成的。产物分子中可以清晰地分辨分子环化反应后形成的四元、五元、六元环以及分子边缘C原子连接的氢原子。通过AFM高分辨图像确定的原子结构证实反应物和多种产物具有同样的分子式，因此该表面环化反应是反应物分子的异构化过程。随后，他们用同样的方法研究了oligo-(E)-1,1′-bi(indenylidene)分子在Au(111)表面的环化和双自由基聚合反应和 1,2- bis(2- ethynyl phenyl) ethyne分子的二聚体偶联和环化过程(图7G-I)，并通过反应中间产物确定了该反应的复杂路径，并提出该反应路径不仅决定于表面能量耗散，也取决于反应熵增加。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/1e218ed1-ae02-4059-addd-aad91a26105a.jpg" title=" 7.jpg" alt=" 7.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图7 q Plus NC-AFM在表面化学反应中的应用 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 目前，NC-AFM技术被越来越多的应用到表面化学反应领域，在原子、分子的层次研究化学反应的机制。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 3.4 三维成像技术 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 由于qPlus NC-AFM成像的主要贡献来源于针尖与样品之间的短程泡利排斥力，因此针尖与样品间工作距离非常近，通常在1 nm以内，这导致qPlus NC-AFM的应用主要局限在平面分子或二维结构表面等起伏较小的材料样品体系。近年来，人们致力于发展qPlus NC-AFM在三维成像上的应用，并拓展了多种不同的方法。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 2015年，德国雷根斯堡大学Albrecht团队利用CO针尖研究了非平面分子二菲并[9,10-b:9′,10′- d]噻吩(DPAT)的表面吸附和环化反应。DPAT分子的两个分支由于空间位阻的作用无法存在于同一平面内，当分子吸附在Cu(111)表面时，一个分支与表面平行，另一分支的两个苯环与表面分别形成10° 和23° 的夹角，如图8B左图。为了能够准确地表征与平面具有一定夹角的分子结构，将扫描平面进行一定的旋转，直至获得非平面区域清晰的原子结构图像。利用这一方法一方面可以有效地得到立体分子原子结构，另一方面可以根据旋转角度确认分子立体部分与平面部分之间的夹角。但对于夹角太大的立体分子不能单纯利用该方法确认分子内部夹角，因为针尖CO的偏转会对成像分析具有一定的影响。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/4f8a208b-efb0-4fd2-aa9c-f3c858367d6e.jpg" title=" 8.jpg" alt=" 8.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图8 q Plus NC-AFM的三维成像 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 对于表面催化或表面在位化学反应，分子在基底上的吸附位点和角度等对催化或反应活性具有重要的影响。由于高度的差异，通常AFM只能够分别分辨吸附分子或基底的原子结构，2015年，日本国家材料科学研究所Moreno团队提出了一种利用多通道AFM同时分辨分子结构和基底结构的方法。首先接通恒Δf反馈回路，对样品表面形貌进行一次AFM扫描(图8D,F)，然后断开反馈回路，将针尖沿一次扫描的形貌路径进行二次扫描，但二次扫描需要在针尖上施加高度补偿将针尖置于更靠近样品的位置以保证获得清晰的原子分辨图像(图8E,G)，他们利用这一方法同时获得基底锐钛矿(101)和其表面吸附的并五苯分子和C60分子的原子结构。这种方法有望被应用于非平面纳米结构的研究，例如纳米管、纳米颗粒、聚合物和生物分子等。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 3.5 表面电荷分布的测量 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 通过测量不同电荷状态下针尖与样品的接触势差，即KPFM中的局域功函数差，可以实现对表面分子或原子/离子电荷分布或带电性质的测量。2012年，Mohn团队采用qPlus-AFM的KP-FM成像模式，通过测量萘酞菁分子内部的局域功函数差，获得了分子内的电荷分布的亚分子分辨图像(图9A-C)。具体测量模式为将萘酞菁分子所在的区域分为64 × 64个像素点，在恒高模式下，在每个像素点处做Δf(V)谱(在保持针尖-样品间距离恒定下，频率偏移随针尖和样品间偏压变化曲线)，得到分子内不同位点的局域接触势差。这对应于分子内不同位点的带电状态或电荷分布，这种方法可以实现对由于氢原子位置改变引起的分子内电荷分布的识别。通过利用CO分子修饰针尖，可以进一步提高分辨率。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 2009年，Gross团队通过针尖施加电压脉冲，让吸附在NaCl薄层上的金属Au和Ag原子分别得到和失去一个电子，得到Au-和Ag+离子。通过比较在中性原子和带电离子上获得的Δf(V)谱，发现中性原子与带电离子的局域功函数差有约30 mV，且正离子和负离子具有相反的局域功函数差，实现了原子不同带电状态的识别和测量。通过针尖操控，可以实现Au sup - /sup 离子、Au原子和Au sup + /sup 离子的三态电荷调控(图9(D, E))。对于TTF-PYZ2这类自身带有电子给体和受体的双极性分子，利用局域功函数差的测量可以判定分子内电荷转移方向(图9(F-H))。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/685f29b1-7ffe-4236-adcf-e38f614dbfeb.jpg" title=" 9.jpg" alt=" 9.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图9 表面电荷分布测量 /strong /p section style=" box-sizing: border-box text-align: justify " section style=" position: static box-sizing: border-box " powered-by=" xiumi.us" section style=" display: flex flex-flow: row nowrap margin: 10px 0% position: static box-sizing: border-box " section style=" display: inline-block vertical-align: top width: auto min-width: 10% max-width: 100% flex: 0 0 auto height: auto align-self: flex-start border-width: 0px margin: 0px 2px 0px 0px box-sizing: border-box " section style=" text-align: right margin: 0px 0% justify-content: flex-end position: static box-sizing: border-box " powered-by=" xiumi.us" section style=" display: inline-block min-width: 10% max-width: 100% vertical-align: top transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -webkit-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -moz-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -o-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) border-style: none solid border-width: 1px 1px 1px 0px border-radius: 0px border-color: rgba(255, 255, 255, 0) rgb(92, 107, 192) rgb(92, 107, 192) rgb(223, 46, 0) padding: 5px 10px background-color: rgba(255, 255, 255, 0) box-shadow: rgba(255, 255, 255, 0) 0px 0px 0px line-height: 1 letter-spacing: 0px width: auto height: auto box-sizing: border-box " section style=" text-align: justify font-size: 19px color: rgb(92, 107, 192) font-family: Optima-Regular, PingFangTC-light box-sizing: border-box " powered-by=" xiumi.us" p style=" white-space: normal margin-top: 0px margin-bottom: 0px padding: 0px box-sizing: border-box " strong style=" box-sizing: border-box " 4 /strong /p /section /section /section /section section style=" display: inline-block vertical-align: top width: auto border-width: 1px 0px 0px flex: 100 100 0% align-self: flex-start height: auto border-top-style: solid border-top-left-radius: 0px border-top-color: rgb(92, 107, 192) padding: 0px 10px box-sizing: border-box " section style=" margin: 3px 0% 0px position: static box-sizing: border-box " powered-by=" xiumi.us" section style=" font-size: 17px color: rgb(92, 107, 192) box-sizing: border-box " p style=" white-space: normal margin-top: 0px margin-bottom: 0px padding: 0px box-sizing: border-box " strong span style=" box-sizing: border-box " 总结 /span /strong /p /section /section /section /section /section /section p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 应用qPlus传感器的NC-AFM使得扫描探针技术在空间分辨率上得到了提升，自从2009年Gross团队首次利用NC-AFM技术得到单分子内部原子结构成像后，该技术进一步应用在化学键键级、分子间氢键、卤键、表面纳米结构的研究中，通过3D NC-AFM技术还可以获得非平面分子的内部结构以及同时获得吸附分子和吸附基底的原子结构。NC-AFM技术对于研究表面原位化学反应、表面催化、低维材料等具有极大的优势。根据NC-AFM技术发展的谱学测量可以根据针尖与不同原子之间作用力的差异，实现对样品表面的原子操纵、元素识别、电荷分布测量等，对表面异质结和界面研究具有重要意义。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 尽管基于qPlus传感器的NC-AFM技术已经获得了相当的发展，但在技术以及应用体系上仍面临以下问题和局限：为了保证图片的信噪比和分辨率，扫描速度相对较慢，由此连带产生热漂移问题，热漂移等问题的存在使仪器需要在液氦温度下工作，成本较高，虽然目前在液氮和室温也得到了分子内部结构的图像，但分辨率与液氦温度下的图像相差甚远；由于STM和NC-AFM电极都集成在qPlus传感器上，工作时电流信号会对力信号产生串扰，与此同时电流的存在会在针尖和样品之间引入静电势，影响力信号的测量；对于力谱测量，针尖形状对针尖-样品间作用力影响极大，如何合理地扣除背景力，保留化学成键力成分，建立一套有效的力谱测量和分析标准也是亟待解决的重要问题。此外，对于qPlus NC-AFM的成像机制，尤其是考虑CO针尖偏转效应的前提下，仍具有一定的争议，需要更多的实验探索和发展相应的理论进行分析。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 为解决这些问题，科学家们致力于开发更高频的力传感器，优化传感器电路，发展详尽的NC-AFM力谱测量的理论和成像模拟理论，联合NC-AFM与其它技术(如STM、光谱等)，在提高空间分辨率的同时进一步提高时间分辨率。NC-AFM的快速发展为物理、化学、材料等研究领域带来了众多突破性的进展。目前，NC-AFM已能够达到亚原子级分辨率，这对在分子/原子尺度研究催化反应机理、化学成键机制等具有绝对优势，可以应用在分子筛、金属纳米颗粒、金属氧化物表面等催化体系的基础研究。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 在未来发展中，NC-AFM与其它表面分析技术的联用将进一步拓宽其研究领域，例如，NC-AFM与STM模式的联用可以研究样品不同的结构和物理化学特性，是全面而深入地研究原子尺度接触问题不可或缺的工具；NC-AFM与光谱技术联用可以研究分子或材料内部原子结构与能带结构关系、光催化或反应过程的基元步骤；基于NC-AFM技术的KPFM也已经成为一种具有高空间分辨和能量分辨的表征手段，可以在表面构造功能纳米结构，并研究分子内电荷分布、电荷传输路径和化学反应活性等问题，为材料、物理、化学和生命科学研究提供了新的思路。 /p p br/ /p p strong 本文来自： /strong 刘梦溪,李世超,查泽奇,裘晓辉.qPlus型非接触原子力显微技术进展及前沿应用[J].物理化学学报,2017,33(01):183-197. /p

各位专家、委员及相关单位：中国材料与试验团体标准化委员会决定对《钒钛磁铁矿 硒量的测定 氢化物发生—原子荧光光谱法》等2项团体标准征求意见稿公开广泛征求意见。请登录CSTM官网http://www.cstm.com.cn/channel/details/biaozhunzhengqiuyijian查看征求意见通知并下载相关资料附件。 CSTM标准化委员会2023年4月3日

食用油的安全问题时不时地会成为舆论的热点。前一阵子国内媒体热炒过地沟油，最近又开始热炒“植物奶油”或“氢化油”，说它们富含危害健康的反式脂肪酸，“被专家列入人类食物历史上最大的灾难之一”。并称现在不少欧美国家已经开始对氢化油封杀、叫停，但在国内仍然可以看到普遍使用氢化油的情形。 　　果真如此吗?在回答这个问题之前，我们需要先知道什么是反式脂肪酸。这个名字听上去就很反面，但其实是根据其分子结构命名的，很中性。脂肪由脂肪酸和甘油结合而成。脂肪酸的样子像一条长长的链条，是由一个个的碳原子串起来的，碳原子上面还有氢原子与之结合。碳原子的化合价是4价，可以跟其他原子形成4个共价键，氢则是1价。在链条中间的碳原子，由于已与两个碳原子相连，最多还可以结合两个氢原子。如果链条上每一个碳原子都尽可能多地与氢原子结合，我们就说这种脂肪酸达到了饱和状态，称之为饱和脂肪酸。动物脂肪和某些植物油(包括椰子油、棕榈油和可可油)的脂肪酸属于饱和脂肪酸。 　　在饱和状态下，链条中的碳原子彼此是以单键相连的。有的脂肪酸的链条中间的两个碳原子彼此是以双键相连的，这时这两个碳原子都分别只与一个氢原子结合，处于不饱和状态，我们把这种脂肪酸叫做不饱和脂肪酸。这两个以双键相连的碳原子，如果它们的氢原子位于同一侧，叫做顺式，这种脂肪酸就叫顺式脂肪酸。如果它们的氢原子分别位于两侧，就叫做反式脂肪酸。顺式脂肪酸的链在双键的地方打了一个弯，性质不稳定。反式脂肪酸则和饱和脂肪酸一样是直链，比较稳定。 　　在从前，食用的脂肪主要是动物脂肪，例如黄油、奶油、猪油，它们比较稀少、昂贵。植物油倒是便宜，但是供食用的植物油的脂肪酸基本上都是顺式脂肪酸，它们很不稳定，是液体，而且容易变质，这是由于自由基攻击链条中的双键造成的。20世纪初，德国化学家威廉诺曼想到了一个解决办法，给植物油中的双键提供氢原子，让它们变饱和，这个过程称为氢化，这样制造出来的油就叫氢化油。如果所有的双键都被氢化、饱和了，顺式脂肪酸就变成了饱和脂肪酸。但是通常只有部分双键被饱和，由于工艺的原因，在氢化的工程中剩下的双键两头的碳原子的结构发生了变化，它们的氢原子由顺式变成了反式。这样，氢化油就含有大量的反式脂肪酸。 　　植物油氢化之后，变成了半固体，性质稳定、不容易变质，可以代替动物脂肪使用，而且价格要便宜得多。从德国、英国开始(而不是像国内某些专家说的，是美国人干的“好事”)，氢化油很快地被大规模生产，在食品加工业中获得了广泛应用，被用来制作糕点、调味品和油炸食品。在上世纪60年代，人们已认识到摄入动物脂肪会增加心血管疾病的风险，植物油相对来说比较健康。这个时候，使用氢化植物油取代动物脂肪，被认为不仅经济上合算，而且对健康也更有利。 　　从上世纪80年代末开始，人们逐渐认识到氢化植物油对健康的危害实际上比动物脂肪还要大。这主要是由于其中的反式脂肪酸引起的，它增加的心血管疾病的风险，比动物脂肪中的饱和脂肪酸还高。衡量心血管疾病的风险的一个标志是血液中胆固醇的含量。胆固醇有两种，一种是“坏”胆固醇(低密度脂蛋白胆固醇)，如果它的含量过高，就会慢慢地在动脉管壁沉积下来，形成粥样小瘤，导致动脉硬化。一种是“好”胆固醇(高密度脂蛋白胆固醇)，能够防止粥样小瘤的形成。饱和脂肪酸能增加“坏”胆固醇的含量，相应地增加了心血管疾病的风险。而反式脂肪酸除了能增加“坏”胆固醇的含量，同时还能降低“好”胆固醇的含量，相当于双重增加了心血管疾病的风险。顺式脂肪酸则没有这个问题，有的顺式脂肪酸反而能降低心血管疾病的风险。 　　即使在摄入的量很少时(只占食物热量的1%~3%)，反式脂肪酸对心血管疾病的风险仍然很明显。反式脂肪酸可能还有其他方面的危害，但还没有确证。反式脂肪酸除了能给人体提供能量之外，没有营养价值，反而有害，那么就应该尽量减少摄入它，越少越好。世界卫生组织的建议是每天摄入的反式脂肪酸的量不要超过食物热量的1%，大致相当于不要超过2克，吃一份炸薯条就远远超过这个量了(大约含5~6克反式脂肪酸)。所以如果经常吃快餐、糕点、油炸食品、零食的话，是很难不超过这个限量的。一个美国人平均每天摄入的反式脂肪酸的量是5.8克。 　　在这种情况下，就会考虑是否用政府的力量来限制、禁止反式脂肪酸的使用。但是目前只有丹麦等个别国家和纽约等个别城市采取了行动。一些厂家被迫或自愿改变配方，推出“不含反式脂肪酸”的产品。但是这类产品往往是用动物脂肪或棕榈油等含饱和脂肪酸的植物油来代替氢化植物油，同样对健康有害。“植物奶油”固然不好，天然奶油也最好避免。在反对使用反式脂肪酸的同时，还要提倡使用顺式脂肪酸，才是健康之道。

SK-拓析火焰法---氢化法联用原子荧光光谱仪是在SK-2002B型的基础上研制开发的新产品。它能够检测Cr、Co、 Ni 、Au 、Cu、 Ag、 Cd、 Zn、As、 Sb、 Bi 、Sn、 Se 、Pb 、Te、 Ge 和Hg等17种以上的元素。检测的元素含量范围：ppt－100％。它广泛的应用于欧盟Rohs指令相关的塑料行业、电子行业、教学研究、卫生防疫、医疗临床检验、药品检验、食品卫生检验、城市给排水检验、农产品检验、饲料检验、环保监测、化妆品检验、冶金样品检测、地质普查检测等领域。 技术参数 技术指标： 氢化法技术指标 测试元素 As Sb Bi Pb Sn Te Se Zn Ge Cd Hg 检出限（DL）ng/mL ＜0.01 ＜1.0 ＜0.05 ＜0.001 重复性（RSD）

科学仪器是加快国民经济发展及产业转型升级的“倍增器”和“助推器”。为此国家大力支持国产仪器的发展在，在3月发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》就要求加强高端科研仪器设备研发制造，此后，北京、上海等地纷纷制定《规划》大力发展国产仪器。原子荧光光度计作为拥有我国自主知识产权的分析仪器一直是国产仪器的骄傲。金索坤作为原子荧光行业的领跑者，研究原子荧光技术二十余载，推出企业型原子荧光光度计、教学型原子荧光光度计以及多元素检测型原子荧光光度计等产品助力原子荧光行业的发展。为了保证产品质量安全，部分食品化妆品的生产厂商在申请生产许可时要求具有相应的检测能力。这就要求配备的仪器便于组装维护且操作简单。金索坤推出的企业型原子荧光光度计采用连续流动进样，进样系统仅由一个进样泵和两路进样管组成，结构简单。便于原子荧光光度计的组装维护。同时企业型原子荧光光度计的软件界面友好，具有测试数据的图形显示和回放、统计与查询，各种图形、数据的页面保存、输出、备份和打印等功能，使检测人员操作更加得心应手。金索坤推出的教学型原子荧光的一大特点就是它采用的是内部无管路模块化设计。教学型原子荧光光度计将氢化反应系统和气路传输系统的功能高度集成在多功能反应模块和集成式传输室中，模块间使用简单的插拔式连接，各个模块的功能一目了然，更加直观的了解原子荧光光度计的工作原理。多元素检测型原子荧光光度计是金索坤的研发团队通过氢化法-火焰法联用技术出的高端原子荧光产品。它突破了原子荧光光度计只可以有效的砷、锑、铋、铅、锡、碲、锡、锌、锗、镉、汞11种元素的限制，使原子荧光光度计也可以检测金、铁、钴、锰、铟、镍、铬、银、铜等元素，检测范围囊括了大部分有毒重金属的，实现一机多用。随着各地纷纷将仪器发展列为“十四五”规划的重点内容之一，相信国产仪器在“十四五”期间会有一个较大的发展。原子荧光光度计作为国产仪器的一员同样迎来它的发展机遇。金索坤作为原子荧光行业领跑者会抓住这次机遇，将原子荧光技术推向一个更高的发展平台 金索坤SK-2003A 便捷型原子荧光光谱仪/光度计