一种基于无透镜成像的新方法可以实现近乎完美的高分辨率显微镜观察

一种基于无透镜成像的新方法可以实现近乎完美的高分辨率显微镜观察圆环状光束从具有规则重复结构的物体上反弹产生的散射图案。资料来源：Wang等人，2023年，"Optica"（光学）。功能最强大的无透镜成像技术被称为"层析成像"，其工作原理是用类似激光的光束扫描样品，收集散射光，然后利用计算机算法重建样品图像。虽然层析成像技术可以观察到许多纳米结构，但这种特殊的显微镜在分析具有非常规则的重复图案的样品时会遇到困难。这是因为在扫描周期性样品时，散射光不会发生变化，因此计算机算法会感到困惑，无法重建良好的图像。面对这一挑战，刚刚毕业的博士研究员王斌和内森-布鲁克斯与JILA研究员MargaretMurnane和HenryKapteyn合作，开发出一种新方法，利用具有特殊涡旋或甜甜圈形状的短波长光来扫描这些重复表面，从而产生更多不同的衍射图样。这使得研究人员能够利用这种新方法捕捉到高保真的图像重建，他们最近在《光学》（Optica）杂志上发表了这篇论文。这项成果还将在《Optica》杂志的《光学与光子学新闻》（OpticsandPhotonicsNews）2023年光学年度要闻中重点介绍。这种新的成像方法对于纳米电子学、光子学和超材料的应用尤其具有影响力。Murnane解释说："将可见激光束结构化（或改变其形状）为甜甜圈和其他形状的能力彻底改变了可见光超分辨率显微镜技术。现在，我们有了将这些强大功能应用到更短波长的途径，这非常令人兴奋"。雕刻涡形高次谐波束为了在台式装置中产生类似激光的短波长光束，JILA小组使用了一种称为高次谐波发生（HHG）的过程。当超高速激光脉冲击中一个原子时，高次谐波发生器会将一个电子拉走，然后将其驱回母体原子重新结合。原子在接触时，会将电子的动能转化为极紫外（EUV）光。如果数以百万计的原子都同步发出极紫外光，那么这些光波就会产生类似激光的明亮极紫外光束。为了给重复图案成像，JILA的研究人员需要找到一种改变HHG光束的方法，这样当EUV光束在样品上扫描时，散射光就会发生变化。为了达到这一效果，研究人员将HHG光束从圆盘状转变为涡旋状或甜甜圈状，这就是所谓的轨道角动量（OAM）光束。这种不同的形状对于实现周期性样品的无透镜成像至关重要。当科学家们用漩涡状的HHG光束照射显微镜时（见附图），会产生更复杂的散射图案，这些图案会随着样品的扫描而变化。这些变化编码了样品重复图案的信息，使算法能够提取精确的图像。除了这一令人兴奋的结果之外，与扫描电子显微镜相比，这种新型涡流束无透镜成像技术对脆弱样品的损伤也更小。由于许多软性材料、塑料和生物样本都很脆弱，因此有一种精确而温和的方法来对它们进行成像是非常关键的。此外，涡流束无透镜成像比扫描电子显微镜更能检测出纳米图案中的缺陷，因为扫描电子显微镜往往会融化脆弱的样品。对于为下一代纳米、能源、光子和量子设备制造图案化材料的科学家来说，这一进步能够在不破坏高周期结构的情况下对其进行高分辨率成像。正如Kapteyn所说："未来，这也有可能以高空间分辨率对微妙的活细胞进行成像"。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424145.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424145.htm

研究人员开发出一种利用磁子传输量子信息的新方法

研究人员开发出一种利用磁子传输量子信息的新方法HZDR的研究人员成功地在磁盘中产生了类似于波的激发--即所谓的磁子--来专门操纵碳化硅中原子大小的量子比特。这为量子网络中的信息传输开辟了新的可能性。图片来源：HZDR/MauricioBejarano为了满足这一需求，德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）的一个研究小组现在推出了一种传输量子信息的新方法：该小组通过利用磁子（磁性材料中的波状激起）的磁场来操纵量子比特（即所谓的量子比特），磁子发生在微观磁盘中。研究人员在《科学进展》（ScienceAdvances）杂志上发表了他们的研究成果。建造可编程的通用量子计算机是当代最具挑战性的工程和科学研究之一。这种计算机的实现为物流、金融和制药等不同行业领域带来了巨大潜力。然而，由于量子计算机技术在存储和处理信息时存在固有的脆弱性，因此阻碍了实用量子计算机的建造。量子信息被编码在量子比特中，而量子比特极易受到环境噪声的影响。微小的热波动（几分之一度）就可能完全破坏计算。这促使研究人员将量子计算机的功能分布在不同的独立构件中，以努力降低出错率，并利用这些构件的互补优势。"然而，这就带来了一个问题，即如何在模块之间传输量子信息，使信息不会丢失，"HZDR研究员、该刊物第一作者毛里西奥-贝哈拉诺（MauricioBejarano）说。"我们的研究正是在这个特定的利基上，在不同的量子模块之间传输通信。"目前，传输量子信息和寻址量子比特的既定方法是通过微波天线。这是Google和IBM在其超导芯片中使用的方法，也是在这场量子竞赛中处于领先地位的技术平台。"而我们则是通过磁子来寻址量子比特。磁子可被视为穿过磁性材料的磁激发波。这样做的好处是，磁子的波长在微米范围内，比传统微波技术的厘米波短得多。因此，磁子的微波足迹在芯片中花费的空间更少。HZDR小组研究了磁子与碳化硅晶体结构中硅原子空位形成的量子比特的相互作用，碳化硅是一种常用于大功率电子器件的材料。这类量子比特通常被称为自旋量子比特，因为量子信息是由空位的自旋状态编码的。但是，如何利用磁子来控制这类量子比特呢？"通常情况下，磁子是通过微波天线产生的。"贝哈拉诺解释说："这就带来了一个问题，即很难将来自天线的微波驱动与来自磁子的微波驱动分离开来。"为了将微波从磁子中分离出来，HZDR团队利用了一种在镍铁合金微观磁盘中可以观察到的奇特磁现象。"由于非线性过程，磁盘内的一些磁子具有比天线驱动频率低得多的频率。我们只用这些频率较低的磁子来操纵量子比特"。研究小组强调，他们还没有进行任何量子计算。不过，他们表明，完全用磁子处理量子比特从根本上是可行的。"迄今为止，量子工程界还没有意识到磁子可以用来控制量子比特，"Schultheiß强调说。"但我们的实验证明，这些磁波确实可以派上用场"。为了进一步发展他们的方法，研究小组已经在为未来的计划做准备：他们想尝试控制几个间距很近的单个量子比特，让磁子介导它们的纠缠过程--这是进行量子计算的先决条件。他们的设想是，从长远来看，磁子可以被直接电流激发，其精确度可以达到在量子比特阵列中专门针对单个量子比特。这样就可以将磁子用作可编程量子总线，以极其有效的方式寻址量子比特。虽然未来还有大量工作要做，但该研究小组的研究强调，将磁子系统与量子技术相结合，可以为未来开发实用量子计算机提供有益的启示。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424810.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424810.htm

史无前例的细节：研究人员利用全新成像技术捕捉到基因的折叠和工作方式

史无前例的细节：研究人员利用全新成像技术捕捉到基因的折叠和工作方式这项新技术使研究人员能够创建并以数字方式浏览基因的三维模型，不仅能看到它们的结构，还能看到它们如何移动或它们的灵活性的信息。了解基因的功能可能有助于我们更好地理解它们如何在健康和疾病中影响人体，因为几乎每一种人类疾病都有一些遗传基础。使用传统显微镜（左）来观察NANOG基因的结构，显示为一个明亮的绿色斑点，与使用MiOS（右）进行比较，MiOS可以对单个基因成像。MiOS的分辨率大约提高了10倍，而且还详细说明了使用传统方法无法辨别的结构的关键方面。资料来源：VickyNeguembor/CRG和PabloDans/IRBBarcelona科学家们最终将能够利用这些知识来预测当事情发生时基因会发生什么，例如对导致疾病的基因结构的差异进行编目。该方法有可能被用来测试改变异常基因形状的药物，帮助开发各种疾病的新疗法。该技术是用于研究生物体的成像技术的下一步发展，它最早始于四百多年前显微镜的诞生。这些在推动医学和人类健康方面发挥了至关重要的作用，例如，罗伯特·胡克首次使用显微镜来描述细胞，后来圣地亚哥·拉蒙·卡贾尔使用显微镜来识别神经元。尽管取得了巨大的进步，但光学显微镜的局限性早在1873年就已明确，研究人员其最大分辨率不超过0.2微米。这一物理限制在21世纪随着超分辨率显微镜的诞生而被克服，这一突破在2014年被授予诺贝尔化学奖。利用荧光，研究人员扩展了光镜的极限，捕捉到了20纳米的事件，这一壮举揭示了生命如何在前所未有的分子尺度上运作。MiOS模型的例子显示了一个基因如何在三维中折叠。这揭示了某些区域是如何被压缩的，而其他区域是如何被拉伸和更容易接近的。资料来源：巴勃罗-丹斯/巴塞罗那IRB超分辨率显微镜改变了生物医学研究的进程，使科学家能够追踪各种疾病中的蛋白质。它还使研究人员能够研究调节基因表达的分子事件。科学家们现在希望在该技术的基础上，通过增加更多的信息层而使其更进一步。研究人员假设，采用超分辨率显微镜并将其与先进的计算工具相结合，可能是一种在必要的细节水平上对基因进行成像以研究其形状和功能的方法。一个跨学科的科学家团队分享了他们的专业知识，并创造了一种新的技术，称为建模免疫-OligoSTORM-或简称MiOS。这两个研究小组的合作是巴塞罗那科技学院（BIST）"点燃计划"的一部分，该计划促进了不同科学领域的知识交流，探索解决复杂问题的新方法。从左至右：PiaCosma,LauraMartin,RafaelLema,XimenaGarate,VictoriaNeguembor,PabloDans,JuanPabloArcon,JürgenWalther,IsabelleBrunHeath,PabloRomero,DianaBuitrago.资料来源：BIST"我们的计算建模策略整合了来自DNA测序技术和超分辨率显微镜的数据，以超过核糖体大小的分辨率提供基因三维形状的基本图片（或影像），达到详细了解染色质和其他细胞因子之间相互作用所需的规模，"该工作的共同第一作者、巴塞罗那IRB的博士后研究员胡安·巴勃罗·阿肯博士说。作为概念证明，研究小组利用MiOS对关键的内务和多能性基因的位置、形状和压实提供了新的见解，揭示了仅使用传统技术无法捕捉到的新结构和细节。这些发现发表在《自然·结构与分子生物学》杂志上。该研究的通讯作者包括CRG的ICREA研究教授PiaCosma和巴塞罗那IRB的ModestoOrozco教授，以及PabloDans，以前是巴塞罗那IRB的研究员，现在在共和国大学（乌拉圭）和蒙得维的亚巴斯德研究所工作。"MiOS提供了前所未有的细节，帮助研究人员在基因内部进行虚拟导航，揭示它们是如何在一个全新的尺度上组织的。这就像从哈勃太空望远镜升级到詹姆斯-韦伯望远镜，但我们不是看到遥远的星星，而是探索人类细胞核内最远的地方，"该研究的共同第一作者和CRG的研究员VickyNeguembor博士说。虽然很多基于基因组的研究已经在改变我们诊断、治疗或预防疾病的方式，但MiOS的影响更为长远。通过揭示基因如何工作以及它们如何在纳米尺度上被调节，该技术将使科学实验室有新的发现，其中一些可能最终转化为临床实践。研究小组已经通过探索对人类发展很重要的基因，将MiOS投入使用。该团队还将继续进一步开发MiOS，增加额外的功能，例如可以检测转录因子--参与将DNA转换或转录为RNA过程的蛋白质--如何与DNA结合。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333789.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333789.htm

研究人员创造了一种利用快速电子研究材料中慢速电子的方法

研究人员创造了一种利用快速电子研究材料中慢速电子的方法访问：NordVPN立减75%+外加3个月时长另有NordPass密码管理器然而，这些慢速电子却极难测量。有关它们在固体材料中行为的知识非常有限，科学家们往往只能依靠反复试验。不过，维也纳工业大学现已成功获得有关这些电子行为的宝贵新信息：利用快速电子直接在材料中产生慢速电子。这样就能破译以前无法通过实验获得的细节。该方法现已发表在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）杂志上。同时产生两种电子维也纳工业大学应用物理研究所的沃尔夫冈-维尔纳（WolfgangWerner）教授说："我们对慢速电子在材料内部（例如晶体内部或活细胞内部）的作用很感兴趣。要想找出答案，实际上必须直接在材料中建造一个小型实验室，才能直接进行现场测量。但这当然是不可能的。"FelixBlödorn、JulianBrunner、AlessandraBellissimo、FlorianSimperl、WolfgangWerner。资料来源：维也纳工业大学迄今为止只能测量从材料中出来的电子，但这并不能告诉我们电子是在材料的哪个部位被释放出来的，以及从那时起电子发生了什么变化。维也纳科技大学的团队借助快速电子解决了这一问题，快速电子可以穿透材料并激发材料中的各种过程。例如，这些快速电子会扰乱材料正负电荷之间的平衡，从而导致另一个电子脱离其位置，以相对较低的速度移动，并在某些情况下逃离材料。现在的关键步骤是同时测量这些不同的电子："一方面，我们将电子射入材料，并测量它再次离开时的能量。另一方面，我们也同时测量哪些慢速电子从材料中出来。将这些数据结合起来，就有可能获得以前无法获得的信息。"快速电子在穿过材料的过程中损失了多少能量，可以提供它穿透材料多深的信息。这反过来又提供了有关慢速电子从其位置释放出来的深度的信息。现在可以利用这些数据来计算材料中的慢速电子释放能量的程度和方式。有关的数值理论首次可以通过这些数据得到可靠的验证。这让人大吃一惊：以前人们认为，材料中电子的释放是以级联的方式进行的：一个快速电子进入材料，撞击到另一个电子，然后将其从原处撕开，导致两个电子移动。然后，这两个电子又会从自己的位置上带走两个电子，依此类推。新数据表明，事实并非如此：相反，快速电子经历了一系列碰撞，但始终保持着大部分能量，而且在每一次相互作用中，只有一个相对较慢的电子脱离其位置。沃尔夫冈-维尔纳说："我们的新方法在非常不同的领域提供了机会。我们现在终于可以研究电子在与材料相互作用时如何释放能量了。例如，正是这种能量决定了在癌症治疗中能否摧毁肿瘤细胞，或者在电子束光刻中能否正确形成半导体结构的最精细部分。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1431288.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1431288.htm

新加坡国立大学研究人员设计出一种利用鱼鳞传递加密信息的方法

新加坡国立大学研究人员设计出一种利用鱼鳞传递加密信息的方法这种工艺需要精确加热废弃的鱼鳞，鱼鳞由一种被称为羟基磷灰石的矿物质和交错的胶原链组成。高温会永久性地改变这两种物质的分子结构，使它们在紫外线照射下发出明亮的青色荧光。如果没有经过热处理，鳞片只会发出微弱的暗蓝色荧光。重要的是，即使鳞片经过热处理，在没有紫外线照射的情况下，它们看起来也与周围未经处理的鳞片无异。研究团队成员SowChorngHaur教授（左）和SharonLim博士新加坡国立大学科学家们在研究中主要使用了广泛养殖的红罗非鱼的鳞片，尽管对其他鱼类鳞片的实验表明它们也同样有效。经过反复试验，他们发现将鱼鳞加热到270ºC（518ºF）三分钟效果最好。更高的温度会产生更亮的荧光效果，但会导致鳞片烧焦，从而变得异常脆弱。该技术可用于以两种方式显示字符（如字母、数字、符号等）。首先，可以简单地将多个经过热处理的鳞片排列起来，使它们组合成一个特定角色的形状。同样，在这种情况下，它们会被伪装在未经处理的鳞片背景中。另外，还可以使用超精细激光束将图案加热到单个鳞片的某一部分，形成只能利用紫外光和显微镜成像的微观特征。这就像是给鳞片纹上了一个小纹身。没错，这确实让人想起了电影《银翼杀手》中带有序列号印记的蟒蛇鳞片。为了扩大鳞片的用途，对鳞片进行热处理还能使其表面更加多孔，使其能够选择性地吸附污染水中的一种名为罗丹明B的有毒工业染料。在实验室测试中，经过处理的鳞片在短短10分钟的接触时间内就从受污染的水样中去除了91%的化学物质。这些鳞片可以通过超声波"清空"，然后重新用于水净化系统，或用于检测试剂盒，以显示水样中是否含有这种染料。从左到右：白光、紫外光和绿光下经过热处理的鱼鳞，包括一些吸附了污染物罗丹明B的鱼鳞新加坡国立大学此外，当鳞片中含有吸附的罗丹明B时，它们在绿光照射下会发出橙色荧光。这种功能可与鳞片在紫外线下发出青色荧光的能力相结合，为其在包装或类似应用中的使用增加一层额外的安全性。"在全球范围内，预计每年有720万到1200万吨的鱼类废弃物被丢弃。这使得鱼鳞废弃物成为一种丰富的再循环资源，"Sow教授说。"通过重新评估废物流，可以发现以前可能被忽视的材料的迷人特性和多功能性。"鱼鳞的其他潜在用途还包括柔韧的"电子皮肤"、伤口敷料和骨折愈合材料。有关这项研究的论文已发表在《自然通讯》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1421009.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1421009.htm

研究人员开发出大视场高速超分辨率显微镜

研究人员开发出大视场高速超分辨率显微镜研究人员开发了一种荧光显微镜，利用结构照明在宽视场范围内进行快速超分辨率成像。它还可用于多色和高速成像。图片来源：比勒费尔德大学HenningOrtkrass德国比勒费尔德大学的亨宁-奥特克拉斯（HenningOrtkrass）说："通常开给慢性病患者或老年人的多种药物组合的影响可能导致危险的相互作用，并正在成为一个主要问题。我们开发的这款显微镜是EICPathfinderOpenProjectDeLIVERy项目的一部分，该项目旨在开发一个平台，用于研究个体患者的多重用药情况。"研究人员使用新的显微镜装置对固定的多色染色肝细胞进行成像。图像显示了细胞的微小膜结构，这些结构小于光的衍射极限。图片来源：比勒费尔德大学HenningOrtkrass在Optica出版集团的《光学快报》（OpticsExpress）杂志上，研究人员介绍了他们的新型显微镜，该显微镜利用光纤传输激发光，在非常大的视野范围内实现了非常高的图像质量，并具有多色和高速功能。研究表明，该仪器可用于肝细胞成像，视场可达150x150μm²，成像速率高达44Hz，同时保持小于100nm的时空分辨率。Ortkrass说："使用这种新型显微镜，可以在离体细胞上测试单个药物组合，然后进行超分辨率成像，观察细胞膜特征或细胞器的动态变化。大视场可以提供有关细胞反应的统计信息，这些信息可用于改善个性化医疗保健。由于该系统的潜在尺寸较小，它还可用于高分辨率非常重要的临床应用。"新型荧光显微镜采用结构照明，可在宽视场范围内快速进行超分辨率成像。还可以进行多色成像，如视频所示。图片来源：比勒费尔德大学HenningOrtkrass这种新型显微镜基于超分辨结构照明显微镜（SR-SIM），利用结构化的光模式激发样品中的荧光，实现超越光衍射极限的空间分辨率。SR-SIM特别适合活细胞成像，因为它使用低功耗激发，不会伤害样本，同时还能生成高度精细的图像。为了实现宽视场的高分辨率，新型显微镜从一组原始图像中重建超分辨图像。这些原始图像是通过使用一组六根光纤，以正弦条纹图案照射样品获得的。这样，分辨率提高了两倍，同时还能实现快速成像，并与活细胞成像兼容。得益于显微镜的大视野，可以同时获取多个细胞的超分辨率图像。图片来源：HenningOrtkrass，比勒费尔德大学Ortkrass说："光纤选择和相移是通过基于振镜和MEMS镜的全新设计的光纤开关实现的。为此我们还定制设计了一个六边形支架，可将六根光纤的光束准直并重新聚焦到显微镜中，以照亮一个大的FOV并对所有光束进行精确调整。这使得该装置可用于全内反射荧光激发（TIRF）-SIM，从而将荧光激发和检测限制在样品的薄区域内。"由于肝脏是参与药物代谢的主要器官，研究人员使用固定的多色染色大鼠肝细胞样本对该装置进行了测试。利用新型显微镜生成的重建图像可以观察到小于光衍射极限的微小膜结构。Ortkrass说："这种紧凑型系统独特地将大视野、快速图案切换速度与多色、高能效激发结合在一起。此外，该装置还能获得极高的图像质量，并可进行调整，以执行2D-SIM或TIRF-SIM。"下一步，研究人员计划将该显微镜装置应用于肝细胞的活细胞研究，以观察接受多种药物治疗的细胞的动态变化。他们还计划改进图像重建过程，以完成对获取的原始数据进行实时重建。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382739.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382739.htm