开创性的单像素技术实现活细胞三维成像

开创性的单像素技术实现活细胞三维成像科学家们开发出一种基于三维光场照明的突破性三维单像素成像（3D-SPI）技术。这种方法能够对显微物体进行高分辨率成像。三维单像素成像方法有可能彻底改变各种生物吸收对比、细胞形态和生长的可视化，为生物医学研究和光学传感带来新的机遇。(显微成像艺术家概念图）。他们通过对单个藻类细胞进行活体成像，进一步证明了该方法对无标记光学吸收对比的三维可视化能力。这项题为"通过三维光场照明进行光学单像素体积成像"的研究最近发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。3D-SPI技术示意图。图片来源：刘一帆摄单像素成像的优势单像素成像（SPI）已成为一种极具吸引力的三维成像方式。通过单像素探测器而不是传统的阵列传感器，SPI在光谱范围、检测效率和时间响应方面的性能都超过了传统的传感器。此外，单细胞照相机在微弱强度、单光子水平和精确定时分辨率方面都优于传统成像方法。挑战与突破3D-SPI技术通常依赖飞行时间（TOF）或立体视觉来提取深度信息。然而，现有技术最多只能达到毫米级，无法对细胞等微观物体进行成像。为了突破分辨率的限制，研究人员制作了一个3D-LFI-SPM原型。结果，原型机的成像体积达到约390×390×3,800μm3，分辨率横向高达2.7μm，轴向高达37μm。他们对活的血球藻细胞进行了无标记三维成像，并成功地在原位对活细胞进行了计数。潜在应用可以预见，这种方法可用于观察生物样本的各种吸收对比度。有了深度分辨成像能力，科学家们将来就有可能在原位监测细胞形态和生长情况。这项研究为生物医学研究和光学传感领域应用高性能三维SPI打开了大门。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380193.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380193.htm

全息图技术迎来突破 - 深度学习用二维照片生成三维图像

全息图技术迎来突破-深度学习用二维照片生成三维图像研究人员提出了一种利用深度学习从二维彩色图像创建三维全息图的新方法。全息图提供了物体的三维（3D）视图，其细节程度是二维（2D）图像无法比拟的。三维物体逼真、身临其境的显示效果使全息图在医疗成像、制造和虚拟现实等各个领域都具有难以置信的价值。传统的全息技术需要记录物体的三维数据及其与光的相互作用，这一过程需要很高的计算能力，并需要使用专门的相机来捕捉三维图像。这种复杂性限制了全息图的广泛应用。近来，许多用于生成全息图的深度学习方法也被提出。它们可以直接从使用RGB-D相机捕获的三维数据中生成全息图，该相机可以捕获物体的颜色和深度信息。这种方法规避了与传统方法相关的许多计算挑战，是一种更容易生成全息图的方法。用新方法革新全息技术现在，千叶大学研究生院工程学研究科的下场友吉教授领导的研究团队提出了一种基于深度学习的新方法，它可以直接从使用普通相机捕捉的常规2D彩色图像生成3D图像，从而进一步简化全息图生成过程。千叶大学工程学研究生院的石井义之和伊藤友义也参与了这项研究，研究成果最近发表在《工程学中的光学与激光》（OpticsandLasersinEngineering）杂志上。下场教授在解释这项研究背后的原因时说："在实现全息显示的过程中存在几个问题，包括三维数据的获取、全息图的计算成本，以及如何转换全息图像以符合全息显示设备的特性。我们之所以开展这项研究，是因为我们相信深度学习近年来发展迅速，有可能解决这些问题。"三阶段深度学习过程所提出的方法采用了三个深度神经网络（DNN），将常规的二维彩色图像转换成可用于将三维场景或物体显示为全息图的数据。第一个DNN使用普通相机拍摄的彩色图像作为输入，然后预测相关的深度图，提供有关图像三维结构的信息。然后，第二个DNN利用第一个DNN创建的原始RGB图像和深度图生成全息图。最后，第三个DNN会完善第二个DNN生成的全息图，使其适合在不同设备上显示。研究人员发现，所提出的方法处理数据和生成全息图所需的时间优于最先进的图形处理单元。"我们的方法另一个值得注意的优点是，最终全息图的再现图像可以代表自然的三维再现图像。此外，由于在全息图生成过程中不使用深度信息，因此这种方法成本低廉，而且在训练后不需要RGB-D摄像机等三维成像设备，"下场教授在进一步讨论结果时补充道。未来应用和结论在不久的将来，这种方法可能会应用于平视显示器和头戴式显示器，以生成高保真三维显示器。同样，它还能彻底改变车载全息平视显示器的生成，使其能够以三维方式向乘客展示有关人员、道路和标志的必要信息。因此，所提出的方法有望为促进无处不在的全息技术的发展铺平道路。为研究团队取得的这一杰出成就点赞！...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1391389.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1391389.htm

麻省理工学院工程师利用量子点技术开发出低成本的太赫兹相机

麻省理工学院工程师利用量子点技术开发出低成本的太赫兹相机插图显示太赫兹照明（右上角的黄色曲线）进入新的相机系统，它刺激纳米级孔内的量子点（显示为照明环）发出可见光，然后使用基于CMOS的芯片（左下角）检测，就像数码相机中的那些。然而，设计检测和制作太赫兹波图像的设备一直是个挑战。因此，大多数现有的太赫兹设备是昂贵的，缓慢的，笨重的，并需要真空系统和极低的温度。现在，麻省理工学院、明尼苏达大学和三星公司的研究人员已经开发出一种新的相机，它可以快速检测太赫兹脉冲，具有高灵敏度，并且在室温和压力下。更重要的是，它可以同时实时捕捉到关于波的方向，或"偏振"的信息，而现有的设备无法做到。这种信息可以用来描述具有不对称分子的材料，或确定材料的表面细节。这个新系统使用被称为量子点的粒子。这些粒子最近被发现在受到太赫兹波的刺激时有能力发射出可见光。然后，这些可见光可以被一个类似于标准电子相机探测器的装置记录下来，甚至可以用肉眼看到。11月3日发表在《自然-纳米技术》杂志上的一篇论文描述了这一装置，作者是麻省理工学院的博士生史娇健、化学教授KeithNelson和其他12人。该团队制造了两种不同的装置，可以在室温下运行。一个是利用量子点将太赫兹脉冲转换为可见光的能力，使该装置能够产生材料的图像；另一个是产生显示太赫兹波偏振状态的图像。新的"照相机"由几层组成，采用像用于微芯片的标准制造技术制成。基板上有一排纳米级的平行金线，用窄缝隔开；上面是一层发光的量子点材料；上面是一个用于形成图像的CMOS芯片。偏振检测器使用类似的结构，但有纳米级的环形狭缝，这使得它能够检测到进入的光束的偏振。太赫兹辐射的光子具有极低的能量，这使得它们很难被检测到。因此，这个设备正在做的是将那小小的光子能量转化为易于用普通相机检测的可见物。在该团队的实验中，该设备能够在低强度水平上检测太赫兹脉冲，超过了今天大型和昂贵系统的能力。研究人员通过拍摄他们设备中使用的一些结构的太赫兹照明照片来证明该探测器的能力，例如纳米间隔的金线和用于偏振探测器的环形狭缝，证明了该系统的灵敏度和分辨率。一个CMOS相机被用来捕捉太赫兹光束的旋转。资料来源：研究人员提供开发一个实用的太赫兹相机需要一个产生太赫兹波以照亮一个物体的部件，以及另一个检测它们的部件。在后一点上，目前的太赫兹探测器要么非常慢，因为它们依赖于检测波冲击材料所产生的热量，而热量传播缓慢，要么它们使用相对较快的光电探测器，但灵敏度非常低。此外，直到现在，大多数方法都需要整个太赫兹探测器阵列，每个探测器产生一个像素的图像。问题在于每一个都相当昂贵，一旦他们开始被用来制造相机，探测器的成本就会开始迅速扩大。虽然研究人员说他们已经通过新的工作破解了太赫兹脉冲检测问题，但缺乏良好的源的问题仍然存在--而且世界各地的许多研究小组正在努力解决。尼尔森说，新研究中使用的太赫兹源是一个庞大而繁琐的激光器和光学设备阵列，不容易被扩展到实际应用中，但基于微电子技术的新源正在顺利开发中。论文的共同作者、明尼苏达大学电气和计算机工程系麦克奈特教授Sang-HyunOh补充说，虽然目前的太赫兹相机版本要花费数万美元，但该系统使用的CMOS相机的廉价特性使其"向建立实用的太赫兹相机迈进了一大步"。商业化的潜力促使制造CMOS相机芯片和量子点设备的三星公司合作开展这项研究。尼尔森说，这种波长的传统探测器在液氦温度（-452华氏度）下工作，这对于从背景噪声中挑出能量极低的太赫兹光子是必要的。这种新设备能够在室温下用传统的可见光相机检测并产生这些波长的图像，这一点出乎了从事太赫兹领域工作的人的意料。研究人员说，有许多途径可以进一步提高这种新相机的灵敏度，包括组件的进一步小型化和保护量子点的方法。他们说，即使在目前的检测水平上，该设备也可以有一些潜在的应用。在新设备的商业化潜力方面，Nelson说，量子点现在价格低廉，而且容易获得，目前被用于消费产品，如电视屏幕。相机设备的实际制造更加复杂，但也是基于现有的微电子技术。事实上，与现有的太赫兹探测器不同，整个太赫兹照相机芯片可以用今天的标准微芯片生产系统来制造，这意味着最终大规模生产这些设备应该是可能的，而且价格相对便宜。目前，尽管该相机系统离商业化还很远，但麻省理工学院的研究人员在需要快速检测太赫兹辐射时已经在使用这种新的实验室设备。"我们没有那些昂贵的相机，"纳尔逊说，"但是我们有很多这样的小设备。人们只需将其中一个插入光束中，用眼睛看一下可见光的发射，这样他们就知道太赫兹光束何时开启，这真的很方便。"虽然太赫兹波原则上可以用来探测一些天体物理现象，但这些来源将是极其微弱的，而且新设备无法捕捉这种微弱的信号，该团队正在努力提高其灵敏度。下一代的研究工作在于把所有东西都做得更小，它的灵敏度也会更高。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1332689.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1332689.htm

科学家利用模糊光三维打印高质量镜片

科学家利用模糊光三维打印高质量镜片访问：Saily-使用eSIM实现手机全球数据漫游安全可靠源自NordVPN研究人员开发了一种名为模糊层析成像的新型3D打印方法，可以快速生产出具有商业级光学质量的微透镜。他们使用这种技术打印了一个微型透镜阵列，图中的微型透镜阵列由一组镊子夹持。图片来源：加拿大国家研究理事会丹尼尔-韦伯在光学出版集团（OpticaPublishingGroup）的高影响力研究期刊《光学》（Optica）上，这些研究人员展示了这种新方法，用它制作了一个毫米大小的平凸透镜，其成像性能与市售玻璃透镜类似。他们还表明，这种方法可以在30分钟内生产出可以使用的光学元件。韦伯说："由于层析3D打印机和所使用的材料价格低廉，我们预计这种方法对于经济高效地快速制作光学元件原型非常有价值。此外，层析3D打印固有的自由形态特性可以让光学设计师用形状复杂的打印光学器件取代多个标准光学器件，从而简化设计。"这项新技术使用定制的投影透镜来模糊用于固化光敏树脂的激光束。这样就产生了光学上光滑的表面，从而可以打印出商业质量的镜片，如左下角所示的镜片。资料来源：加拿大国家研究理事会丹尼尔-韦伯断层体积增材制造是一种相对较新的制造方法，它利用投射光在特定区域固化光敏树脂。它可以在没有任何支撑结构的情况下一次性打印出整个部件。然而，现有的层析成像方法无法直接打印出成像质量的透镜，因为所使用的铅笔状光束会造成条纹，从而导致部件表面出现小棱角。虽然可以使用后处理步骤来创建光滑的表面，但这些方法增加了时间和复杂性，从而失去了与断层打印相关的快速原型制作优势。韦伯博士说："光学元件的制造成本很高，因为一个正常的透镜需要严格的技术指标，而且制造过程复杂耗时。模糊层析成像技术可用于以低成本的方式进行自由形态设计。随着技术的成熟，它可以更快地制作出新光学设备的原型，这对从商业制造商到车库发明家的任何人都非常有用。"为了测试这种新方法，研究人员首先制作了一个简单的平凸透镜，结果表明它的成像分辨率与具有相同物理尺寸的商用玻璃透镜相当。它还表现出微米级的形状误差、亚纳米级的表面粗糙度和接近玻璃透镜的点展宽函数。他们还利用模糊层析技术制作了一个3×3的微透镜阵列，并将其与用传统层析3D打印技术打印的阵列进行了比较。他们发现，由于表面粗糙度较大，用传统方法打印的阵列无法对名片成像，但用模糊层析成像技术打印的阵列却可以。此外，研究人员还演示了将球透镜叠印到光纤上，这在以前只能通过一种称为双光子聚合的增材制造技术来实现。目前，他们正致力于通过优化光图案设计方法和将材料参数纳入打印过程来提高组件精度。他们还希望实现打印时间的自动化，使系统足够强大，使其能够用于商业用途。韦伯说："断层三维打印技术是一个迅速成熟的领域，在许多应用领域都得到了应用。在这里，我们利用这种三维打印方法的内在优势来制造毫米级的光学元件。这样，我们就为光学制造技术增加了一种快速、低成本的替代方法，有可能对未来技术产生影响。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430282.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430282.htm

工程师创造出能合成非天然氨基酸的细菌

工程师创造出能合成非天然氨基酸的细菌现在，特拉华大学工程学院化学与生物分子工程系助理教授AdityaKunjapur实验室的研究人员通过改造细菌，合成了一种含有稀有功能基团的氨基酸。研究人员还教导单一细菌菌株制造这种氨基酸，并将其置于目标蛋白质的特定位点。这些研究成果发表在《自然-化学生物学》（NatureChemicalBiology）上，为今后开发独特的疫苗和免疫疗法奠定了基础。Kunjapur实验室利用合成生物学和基因工程的工具，创造出能够合成不同类型化合物和分子的微生物，特别是那些具有自然界中不常见的功能基团或特性的微生物。在这项研究中，研究人员重点研究了对硝基-L-苯丙氨酸（pN-Phe），这是一种非标准氨基酸，既不是二十种标准氨基酸之一，也没有在自然界中观察到。其他研究小组利用对硝基-L-苯丙氨酸作为一种工具，刺激免疫系统对其通常忽略的蛋白质产生反应。Kunjapur说："硝基化学官能团具有宝贵的特性，但试图重新连接新陈代谢的人们对它的探索还不够。"pN-Phe在文献中也有很好的历史--它可以添加到小鼠的蛋白质上，然后再送回小鼠体内，免疫系统将不再容忍该蛋白质的原始版本。这种能力有望治疗或预防由免疫系统难以锁定的流氓蛋白质引起的疾病。遗传密码扩展方法使研究人员能够增加DNA编码的可用氨基酸"字母表"。通过将新陈代谢工程技术与遗传密码扩充技术相结合，研究人员创建了一个能够自主生产硝化蛋白质的系统。Kunjapur说："由于硝基官能团的化学性质，我们为这个项目选择的氨基酸是非常规的，我们领域的许多科学家可能都没有想到它可以通过生物合成来制造。"这项研究的下一步是优化他们的方法，以合成更大量的硝化蛋白，并将这项工作扩展到其他微生物。长期目标是进一步完善这一平台，将其应用于疫苗或免疫疗法，Kunjapur的努力得到了2021年AIChELanger奖和2022年美国国立卫生研究院院长新创新者奖的支持。为了进一步支持这一长期目标，Kunjapur和本文第一作者、博士候选人NeilButler共同创办了NitroBiosciences公司。Butler勒说："我认为这很有意义，因为你可以利用细菌的中心代谢及其生产不同化合物的能力，只需稍加改动，就能扩大其化学成分的范围。硝基功能在生物学中是罕见的，标准的20种氨基酸中也不存在这种功能，但我们证明细菌的新陈代谢具有足够的延展性，可以通过重新接线来创造和整合这种功能。"Kunjapur补充说："细菌是潜在的有用药物输送载体。我们认为，我们已经创造了一种工具，可以利用细菌在体内产生目标抗原的能力，并利用硝化能力同时照亮这些抗原。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1371975.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1371975.htm

科学家用合成生物学和三维打印技术打造可编程的生命材料

科学家用合成生物学和三维打印技术打造可编程的生命材料从第1天（左）到第14天（右），3D打印在水凝胶中的植物细胞生长并开始繁茂成黄色的细胞簇。图片来源：改编自ACSCentralScience2024，DOI:10.1021/acscentsci.4c00338最近，研究人员一直在开发工程活体材料，主要依靠细菌和真菌细胞作为活体成分。然而，植物细胞的独特特性激起了将其用于工程植物活体材料（EPLMs）的热情。以前，科学家们创造的基于植物细胞的材料结构相当简单，功能有限。余子怡、狄振高及其同事希望改变这种状况，他们制作了形状复杂的EPLM，其中含有可定制行为和功能的基因工程植物细胞。24天后，植物细胞在两种不同的生物墨水中产生的颜色在这种叶形工程活体材料中清晰可见。来源：改编自ACSCentralScience2024，DOI:10.1021/acscentsci.4c00338研究人员将烟草植物细胞与含有农杆菌的明胶和水凝胶微粒混合，农杆菌是一种常用于将DNA片段转入植物基因组的细菌。然后将这种生物墨水混合物在平板上或装有另一种凝胶的容器内进行3D打印，形成网格、雪花、树叶和螺旋等形状。接着，用蓝光固化打印材料中的水凝胶，使结构硬化。在随后的48小时内，EPLMs中的细菌将DNA转移到生长中的烟草细胞上。然后他们用抗生素清洗这些材料，以杀死细菌。在接下来的几周里，随着植物细胞在EPLMs中生长和复制，它们开始根据转移的DNA生成蛋白质。在这项概念验证研究中，转移的DNA使烟草植物细胞能够产生绿色荧光蛋白或贝特类色素--红色或黄色的植物色素，可作为天然着色剂和膳食补充剂。通过用两种不同的生物墨水打印叶形EPLM--一种墨水沿叶脉产生红色素，另一种墨水在叶片的其他部分产生黄色素--研究人员表明，他们的技术可以产生复杂的、空间可控的多功能结构。研究人员说，这种EPLM结合了生物体的特征和非生物物质的稳定性和耐久性，可以用作细胞工厂，生产植物代谢物或药物蛋白质，甚至用于可持续建筑应用。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1429308.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1429308.htm