显微镜自由：廉价镜超过数百万美元高档货

显微镜自由：廉价镜超过数百万美元高档货使用现有超高分辨率和扩展显微镜方法（从左至右1-3）以及ONE显微镜技术（4、5）产生的微管蛋白图像。图片来源：bioRxiv“显微镜技术也应该有某种形式的自由。”Rizzoli指出，该技术的高分辨率适用于很多人，而不是少数有钱的实验室。传统光学显微镜的能力受到光学定律的限制，这意味着观测小于200纳米物体的结果是模糊的。Rizzoli说，研究人员已经开发出获得超越物理学的超高分辨率的方法，可以将这一极限降低到10纳米左右。这种方法获得了2014年诺贝尔化学奖，它使用光学技巧精确定位附着在蛋白质上的荧光分子。2015年，研究人员提出了另一种规避光学限制的方法。美国麻省理工学院神经工程师EdwardBoyden领导的研究小组发现，充气组织（尿布中使用的一种吸收性化合物）可以使细胞彼此远离。这种被称为膨胀显微镜的技术使显微镜分辨率有了飞跃，可以分辨20纳米左右的结构。Shaib和Rizzoli的技术融合了这两种方法，可以达到1纳米以下的分辨率。这种清晰度足以揭示单个蛋白质的形状，而此前通常使用更昂贵的结构生物学方法，如冷冻电镜，或X射线结晶学方法对这些蛋白质进行成像。膨胀显微镜的简单性是其具有吸引力的部分原因，Boyden估计，超过1000个实验室采用了这项技术。样品经过化学处理，将蛋白质固定在一种聚合物上，加入水后，聚合物会膨胀到原来的1000倍，使分子分离。ONE显微镜技术利用热或酶分解蛋白质，这样单个片段在膨胀过程中就会被拉伸到不同的方向。研究人员已经使用新方法获得了一种神经分子GABAA受体的图片，后者与蛋白质的高分辨率冷冻电镜和X射线结晶学图片非常相似。他们还捕捉到一种名为耳铁蛋白的大体积蛋白质的轮廓，这种蛋白质的结构尚未确定，它有助于在大脑中传递音频信号。这个形状类似于AlphaFold深度学习网络作出的结构预测。该方法无法与冷冻电镜的分辨率相匹配，后者在某些情况下可以揭示小于0.2纳米的近原子级细节。冷冻电镜技术既精细又昂贵。Rizzoli说，相比之下，ONE显微镜可以提供一种了解几乎任何分子结构的快速而简单的方法。Rizzoli说，开发这项技术的部分动机是扩大尖端光学显微镜的可及性。ONE显微镜技术简单，适用于20世纪90年代已过时的荧光显微镜。位于埃及的开罗德国大学制药技术专家SalmaTammam计划今年夏天派一名博士生学习这项技术。她的实验室正在研究纳米颗粒如何在细胞中移动，他们想要看到粒子及其运载物的细节。但与低收入和中等收入国家的许多研究人员一样，他们无法获得昂贵的超高分辨率显微镜。德国莱布尼茨分子药理学中心生物学家NoaLipstein说，扩大超高分辨率显微镜的应用范围对资金雄厚机构的科学家也很重要。她最近成立了一个独立的研究小组，并将ONE显微镜应用于对神经突触细节的研究。相关论文信息：https://doi.org/10.1101/2022.08.03.502284《中国科学报》(2023-04-19第2版 国际)...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1355601.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1355601.htm

量子气体显微镜QUIONE利用开创性的锶显微技术深入研究材料的微观特性

量子气体显微镜QUIONE利用开创性的锶显微技术深入研究材料的微观特性量子物理学需要高精度传感技术来深入研究材料的微观特性。从最近出现的模拟量子处理器来看，所谓的量子气体显微镜已被证明是在原子层面了解量子系统的强大工具。这些设备可以产生分辨率极高的量子气体图像：它们可以检测到单个原子。现在，ICFO研究人员（西班牙巴塞罗那）SandraBuob、JonatanHöschele、VasiliyMakhalov博士和AntonioRubio-Abadal博士，在ICFO的ICREA教授LeticiaTarruell的领导下，解释了他们是如何制造出自己的量子气体显微镜的，该显微镜以希腊雪女神命名为QUIONE。该小组的量子气体显微镜是世界上唯一一台对锶量子气体的单个原子进行成像的显微镜，也是西班牙第一台此类显微镜。除了可以分辨单个原子的极具冲击力的图像之外，QUIONE的目标是量子模拟。正如ICREA教授LeticiaTarruell所解释的那样："量子模拟可以用来将非常复杂的系统归结为更简单的模型，进而理解当前计算机无法回答的开放性问题，例如为什么有些材料即使在相对较高的温度下也能无损耗地导电"。玻璃池图片，中间为锶气云图源：ICFOICFO小组在这一领域的研究获得了国家层面（西班牙皇家物理学会的奖励，以及BBVA基金会、RamónAreces基金会、LaCaixa基金会和Cellex基金会的项目和赠款）和欧洲层面（包括一个ERC项目）的支持。此外，作为加泰罗尼亚政府推广量子技术承诺的一部分，QUIONE还得到了加泰罗尼亚政府通过企业与工作部数字政策秘书处提供的共同资助。这项实验的奇特之处在于，他们成功地将锶气体带入量子态，将其置于光学晶格中，使原子可以通过碰撞产生相互作用，然后应用单原子成像技术。这三个因素加在一起，使ICFO的锶量子气体显微镜在同类产品中独一无二。实验室地图和量子模拟器的位置。资料来源：ICFO为什么是锶？迄今为止，这些显微镜装置依赖于锂和钾等碱性原子，与锶等碱土原子相比，锂和钾的光学光谱特性更为简单。这意味着在这些实验中，锶可以提供更多的成分。事实上，近年来，锶的独特性质使其成为量子计算和量子模拟领域非常受欢迎的应用元素。例如，锶原子云可以用作原子量子处理器，从而解决目前经典计算机所无法解决的问题。总之，ICFO的研究人员看到了锶在量子模拟方面的巨大潜力，他们开始着手制造自己的量子气体显微镜。QUIONE就是这样诞生的。实验室中的团队。从左至右SandraBuob、AntonioRubio-Abadal、VasiliyMakhalov、JonatanHöschele和LeticiaTarruell。资料来源：ICFO为此，他们首先降低了锶气体的温度。利用几束激光的作用力，原子的速度可以降低到几乎不动的程度，几乎不移动，在短短几毫秒内就能将温度降低到几乎绝对零度。然后，量子力学定律就会支配它们的行为，原子就会显示出量子叠加和纠缠等新特征。之后，在特殊激光器的帮助下，研究人员激活了光晶格，使原子沿着空间排列成网格状。"你可以把它想象成一个鸡蛋盒，其中的各个位置实际上就是你放鸡蛋的地方。但我们用原子代替了鸡蛋，用光学晶格代替了纸盒，"文章的第一作者桑德拉-布布解释说。"蛋杯"中的原子相互影响，有时会发生量子隧道效应，从一个地方移动到另一个地方。原子间的这种量子动力学模拟了某些材料中电子的量子动力学。因此，对这些系统的研究有助于理解某些材料的复杂行为，而这正是量子模拟的关键理念。气体和光学晶格准备就绪后，研究人员立即用显微镜拍摄了图像，终于可以逐个原子地观察锶量子气体了。至此，"QUIONE"的建造工作已经取得了成功，但它的创造者们还想从中获得更多。因此，除了照片之外，他们还拍摄了原子的视频，并能够观察到，虽然原子在成像过程中应该保持静止，但它们有时会跳到附近的晶格部位。这可以用量子隧道现象来解释。"原子从一个位置"跳"到另一个位置。这是非常美丽的景象，因为我们亲眼目睹了原子固有量子行为的直接表现。最后，研究小组利用他们的量子气体显微镜证实，锶气体是一种超流体，一种没有粘性的物质流动的量子相。"我们突然关闭了晶格激光器，这样原子就可以在空间膨胀并相互干涉。由于超流体中原子的波粒二象性，这就产生了干涉图案。"安东尼奥-鲁比奥-阿巴达尔博士解释说："当我们的设备捕捉到它时，我们验证了样品中超流体的存在。""对于量子模拟来说，这是一个非常激动人心的时刻，"ICREA教授莱蒂西亚-塔鲁埃尔（LeticiaTarruell）说。"现在，我们的量子气体显微镜中又增加了锶，也许不久之后我们就能模拟更复杂、更奇特的材料。新的物质相有望出现。我们还期望获得更强的计算能力，将这些机器用作模拟量子计算机。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1429521.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1429521.htm

石墨烯的扭曲科学：探索奇异物质的新量子尺

石墨烯的扭曲科学：探索奇异物质的新量子尺插图描述了NIST团队在实验中使用的两层石墨烯（两个双层），用于研究摩尔纹量子材料的一些奇特性质。左侧插图是两个双层石墨烯部分的俯视图，显示了当一个双层石墨烯相对于另一个双层石墨烯扭转一个小角度时形成的摩尔纹。资料来源：B.Hayes/NIST根据扭曲角度的不同，这些被称为摩尔量子物质的材料可以突然产生自己的磁场，成为零电阻的超导体，或者相反，变成完美的绝缘体。约瑟夫-A-斯特里西奥（JosephA.Stroscio）和他在美国国家标准与技术研究院（NIST）的同事以及一个国际合作团队开发了一种"量子尺"，用于测量和探索这些扭曲材料的奇异特性。这项工作还可能带来一种新的、微型化的电阻标准，可以直接在工厂车间校准电子设备，而无需将它们送到异地的标准实验室。来自弗吉尼亚州费尔法克斯乔治梅森大学的物理学家费雷什特-加哈里（FereshteGhahari）是这项研究的合作者，他利用两层直径约为20微米的石墨烯（称为双层石墨烯），相对于另两层石墨烯进行扭曲，制造出了一个摩尔量子物质装置。加哈里利用NIST纳米科学与技术中心的纳米加工设备制造了这个装置。随后，NIST研究人员马鲁-斯洛特（MarlouSlot）和尤利娅-马克西门科（YuliaMaximenko）将这种扭曲的材料装置冷却到绝对零度以上的百分之一，从而减少了原子和电子的随机运动，提高了材料中电子相互作用的能力。达到超低温后，他们研究了改变强外部磁场强度时石墨烯层中电子的能级如何变化。测量和操纵电子的能级对于设计和制造半导体器件至关重要。这幅摩尔纹量子材料中一个点的放大图描绘了电子（右边的红点和蓝点）的阶梯状能级。阶梯的背景类似于图纸能量，表明测量到的能级可以作为一种量子尺来确定材料的电学和磁学特性。资料来源：NIST/B.海耶斯电子运动和能级为了测量能级，研究小组使用了斯特里西奥在NIST设计和制造的多功能扫描隧道显微镜。当研究人员在磁场中对石墨烯双层膜施加电压时，显微镜会记录从材料"隧穿"到显微镜探针尖端的电子所产生的微小电流。在磁场中，电子以圆形轨迹运动。通常，固体材料中电子的圆形轨道与外加磁场有着特殊的关系：由于电子的量子特性，每个圆形轨道所包围的面积乘以外加磁场，只能得到一组固定的离散值。为了保持固定的乘积，如果磁场减半，那么电子轨道所包围的面积就必须增加一倍。遵循这一规律的连续能级之间的能量差，就像尺子上的刻度线一样，可以用来测量材料的电子和磁性能。任何与这一模式的细微偏差都代表着一种新的量子标尺，可以反映出研究人员正在研究的特定量子摩尔纹材料的轨道磁特性。发现与影响事实上，当NIST的研究人员改变施加在摩尔纹石墨烯双层膜上的磁场时，他们发现了新量子标尺发挥作用的证据。电子圆形轨道所包围的面积乘以外加磁场不再等于一个固定值。相反，这两个数字的乘积发生了偏移，偏移量取决于双层石墨的磁化程度。这种偏差转化为电子能级的一组不同刻度线。这些发现有望为我们揭示局限在石墨烯扭曲薄片中的电子如何产生新的磁性带来新的启示。斯特里西奥说："利用新的量子标尺来研究圆形轨道如何随磁场变化，我们希望能揭示这些摩尔纹量子材料的微妙磁特性。"量子摩尔材料中的电子被一个形似鸡蛋盒的电势所困住；电子集中在鸡蛋盒的山谷（低能态）中。资料来源：S.Kelley/NIST在摩尔量子材料中，电子具有一系列可能的能量--高能和低能，形状就像鸡蛋盒--这是由材料的电场决定的。电子集中在纸盒的低能态或谷中。NIST理论物理学家保罗-哈尼（PaulHaney）说，双层石墨烯中的谷之间的间距很大，大于任何单层石墨烯或未扭曲的多层石墨烯中的原子间距，这也是研究小组发现的一些不寻常磁性的原因。研究人员，包括来自马里兰大学学院帕克分校和联合量子研究所（NIST与马里兰大学的合作研究机构）的同事，在《科学》杂志上介绍了他们的工作。未来前景与应用由于摩尔量子物质的特性可以通过选择特定的扭转角度和原子薄层的数量来实现，因此新的测量结果有望让人们更深入地了解科学家如何定制和优化量子材料的磁性和电子特性，以满足微电子学和相关领域的大量应用需求。例如，人们已经知道超薄超导体是非常灵敏的单光子探测器，而量子摩尔超导体则是最薄的超导体之一。NIST团队还对另一种应用感兴趣：在适当的条件下，摩尔量子物质可以提供一种新的、更易于使用的电阻标准。目前的标准是基于一种材料在二维层中的电子受到强磁场作用时产生的离散电阻值。这种现象被称为量子霍尔效应，源于上文讨论的电子在圆形轨道上的量子化能级。离散电阻值可用于校准各种电气设备中的电阻。不过，由于需要强大的磁场，校准只能在NIST等计量设施中进行。斯特里西奥说，如果研究人员能操纵量子摩尔物质，使其在没有外加磁场的情况下也能产生净磁化，那么就有可能利用它来创建一种新的便携式最精确电阻标准，即反常量子霍尔电阻标准。电子设备的校准可在制造现场进行，从而节省数百万美元。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388617.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388617.htm

量子显微镜利用"诡异"的物理学将图像分辨率提高一倍

量子显微镜利用"诡异"的物理学将图像分辨率提高一倍但是有一个问题。波长越短，能量越高，所以当达到这些尺度时，用于对样品进行成像的光子正在破坏甚至摧毁它们。但是，由于量子物理学的诡异特性，加州理工学院团队的量子显微镜解决了这个问题。纠缠是一种奇怪的现象，在这种现象中，两个或更多的粒子可以彼此纠缠在一起，以至于没有另一个粒子就无法描述。在这种情况下，科学家们将两个光子纠缠成一个单元，称为双光子，它的行为就像一个能量较低、波长为一半的单光子。"细胞不喜欢紫外线，"这项研究的首席研究员LihongWang说。"但如果我们能用400纳米的光给细胞成像，并达到200纳米光的效果，也就是紫外线，细胞就不会有什么意见，而且我们得到了紫外线的分辨率。"加州理工学院的量子显微镜示意图要做到这一点需要完成精心的光学设定。首先，激光穿过一种特殊的晶体，将一些光子转化为双光子。然后，这些纠缠在一起的光子对被分割开来，并被送入两条平行的路径--一个光子通过被成像的样品，而另一个则避开它。之后，这些光子被送到一个检测器，在那里可以分析数据并建立一个图像。该团队的实验表明，该技术可以在不破坏细胞的情况下对其进行成像，并且可以通过显微镜下的"眼睛测试"，即显示微米级的不同宽度的线条，以检查仪器对它们的区分程度。果然，量子显微镜技术表现出的分辨率是使用普通光子进行的"经典"测试的两倍。这比其他量子显微镜实验要好得多，这些实验只设法将分辨率提高了约35%。使用普通光子的"经典"（左）成像和使用纠缠双光子的"量子"（右）成像中的图像质量比较。研究小组说，一个缺点是，双光子的产生非常少--晶体在一百万个光子中会吐出大约一个双光子。值得庆幸的是，像这样的激光器在每个脉冲中产生的光子数量是惊人的。当然，仍有改进的余地。研究人员说，未来的工作可以将更多的光子纠缠在一起，每一个光子都会减少波长并提高分辨率。然而，那里的问题是，这也降低了每次纠缠的本已很低的概率。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357951.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357951.htm

科学家捕捉到光驱动聚合物的蛛丝马迹

科学家捕捉到光驱动聚合物的蛛丝马迹高速原子力显微镜与激光照射系统相结合，用于原位实时观察偶氮聚合物的变形过程。资料来源：大阪大学偶氮聚合物是一种光活性材料，这意味着当光线照射到它们时，它们会发生变化。具体来说，光线会改变它们的化学结构，从而改变薄膜的表面。这使得它们在光学数据存储和提供光触发运动等应用中颇具吸引力。能够在捕捉图像的同时用聚焦激光引发这些变化被称为原位测量。"通常，研究聚合物薄膜的变化时，需要对其进行处理，例如用光照射，然后进行测量或观察。然而，这只能提供有限的信息，"该研究的第一作者KeishiYang解释说。"使用高速原子力显微镜（HS-AFM）装置，包括一台带激光器的倒置光学显微镜，使我们能够触发偶氮聚合物薄膜的变化，同时以高时空分辨率对其进行实时观测。"(a）与激光辐照系统集成的高速原子力显微镜概述b）偶氮聚合物变形的高速原子力显微镜图像。资料来源：美国化学学会高速原子力显微镜测量能够以每秒两帧的速度跟踪聚合物薄膜表面的动态变化。研究还发现，所使用的偏振光的方向会对最终的表面图案产生影响。利用原位方法进行的进一步研究有望深入了解光驱动偶氮聚合物变形的机理，从而最大限度地发挥这些材料的潜力。该研究的资深作者TakayukiUmakoshi说："我们已经展示了观察聚合物薄膜形变的技术。不过，在此过程中，我们展示了将尖端扫描HS-AFM和激光源结合起来，用于材料科学和物理化学的潜力"。对光有反应的材料和过程在化学和生物学的多个领域都很重要，包括传感、成像和纳米医学。原位技术为加深理解和最大限度地发挥潜力提供了机会，因此有望应用于各种光学设备。编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1423710.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1423710.htm

新型二合一显微镜可详细观察细胞内部结构

新型二合一显微镜可详细观察细胞内部结构如今，科学家们已经能够使用功能强大的显微镜窥视细胞内部。要了解特定生物分子是如何作用和反应的，这一点非常重要。然而，这些工具也有一些缺点。以超分辨率荧光显微镜（SRM）为例。它非常适合追踪细胞中的单个分子（如蛋白质），但不能向科学家展示附近发生了什么。此外，虽然低温电子断层扫描（cryo-ET）可以获得高分辨率的细胞图像，但它无法精确定位单个分子在做什么。因此，美国能源部斯坦福线性加速器中心（SLAC）国家加速器实验室的研究人员着手将这两种成像技术结合到一台显微镜中。研究报告的第一作者彼得-达尔伯格（PeterDahlberg）说："我们的目标是保持两种技术的优点。保留了荧光显微镜的分子特异性，所以你知道谁是谁，然后可以把它放在低温电子显微镜的高分辨率结构中。"荧光显微镜技术是用一种较小的分子标记单个分子，这种分子在光线照射下会发光。然后就可以在普通的--尽管分辨率非常高--光学显微镜下追踪该分子。低温电子显微镜使用电子显微镜来研究细胞等速冻样本。将这两种技术相结合后，研究人员立即遇到了需要克服的问题。首先，必须将含有荧光标记分子的细胞投放到直径仅为3毫米的低温电子显微镜网格上，然后快速冷冻，使网格上的水变成玻璃（玻璃化）。一旦冻结，细胞就必须保持冻结状态。第二个问题是冷冻细胞的大小--它们有数千纳米厚--但冷冻CT使用的电子无法穿透200纳米以下的深度。因此，研究人员开发了一种名为"聚焦离子束铣削系统"的设备，该设备附带扫描电子显微镜（FIB-SEM）。聚焦离子束会切割掉细胞材料，留下冷冻ET可以穿透的极薄的冷冻细胞片。然后，扫描电子显微镜向样品发射电子，生成高分辨率图像。原型FIB-SEM有一个问题：它没有连接光学显微镜，这意味着必须移动冷冻-ET网格才能进行荧光显微镜检查。幸运的是，解决方法很简单。Dahlberg说："从根本上说，我们只是拆开了这台价值150万美元的精密仪器，安装了这个集成的光学显微镜，现在我们有了一个更好的系统。"研究人员在2020年测试了FIB-SEM，追踪细菌细胞内的蛋白质，发现它可以工作，但意识到冷冻ET网格的材料会吸收光线，破坏冷冻样本。因此，他们进行了一些调整，设计了更好的网格，并为光学显微镜制作了更好的平台。现在，研究人员正在设计不同种类的荧光标签--生物传感器--以便在低温条件下工作。生物传感器是一种荧光分子，能根据当地环境改变其发射或激发特性，在一种环境中发出一种颜色，而在另一种环境中则发出不同的颜色。Dahlberg说："它们可以被调整为对pH值、适应数百种环境变量。因此，除了具体位置和高分辨率结构信息外，你还可以知道我的细胞是健康的还是生病的？即将进行细胞分裂？ATP浓度高吗？它提供了所有这些额外的内容。"研究人员将继续修补FIB-SEM，直到它得到优化并充分发挥其潜力。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389293.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389293.htm