在交叉中创新,在融合中突破--记北京理工大学前沿交叉科学研究院教授徐帆

2006年,超分辨荧光显微技术被《科学》(S c i e n c e)评为年度十大技术突破;2008年,这一技术被《自然·方法》(Nature Methods)评为年度热门技术;2014年,《自然·方法》在其十周年特刊中评选出十大技术,超分辨荧光显微技术同样位列其中。随着超分辨技术的发展,这一领域实现了三维、多色和活细胞显微成像,为生命过程和疾病机理的探究带来了革命性变化。这是世界各国兢兢业业的科研工作者共同努力的结果,北京理工大学前沿交叉科学研究院的教授徐帆亦是其中一员。自2011年以来,徐帆即致力于开发先进的成像技术,用机器学习的方法实现了在纳米尺度可视化和理解复杂的生物结构及其相互作用,为生命活动的观测提供了新的技术手段。其研究涉及显微成像、数值模拟、机器学习、高性能计算、量化分析等,涵盖超分辨率领域的多个方面。     

基于双光子激发荧光和二次谐波产生的非线性光谱分辨成像技术用于皮肤瘢痕的研究

病理性瘢痕不但可以导致患者畸形,影响美观,还可引起功能障碍,奇瘁,甚至发生癌变。目前对瘢痕的形成机制尚不完全清楚,使得它的预防和治疗一直是困扰皮肤科和整形外科的难题。要从根本上预防和治疗瘢痕,寻求新的方法和技术已经成为创伤修复研究与揭示瘢痕产生、发展等内在规律的关键。以二次谐波产生和多光子激发荧光作为信号源的多光子显微技术,因其对组织微结构的高灵敏度和高空间分辨成像、对生物组织的低杀伤性和成像深度深等特点,而在生物医学领域得到了广泛的应用。通过对瘢痕研究进展的综述,探讨基于双光子激发荧光和二次谐波产生的多光子显微成像技术用于瘢痕研究的关键问题和应用前景。这种技术有望实现在临床医学中通过早期无损探测和实时监测等方式对病理性瘢痕进行预防和治疗,从而解决由于理想的实验动物模型的缺乏而限制人类对病理性瘢痕的临床和实验室的研究进展问题。     

活细胞超灵敏结构光超高分辨率显微镜

由于超分辨率显微镜需要额外的照明来换取更高的空间分辨率,导致了现在的超分辨率显微镜存在时间分辨率低和记录时间短两个问题。虽然结构光照明显微镜在获得超分辨率图像和所需要光子数方面有一个更好的平衡,相比其他超分辨率技术更有优势,但是传统的结构光照明显微镜的重构方式在信噪比比较低的时候会明显存在伪影。在本文中,我们利用生物样本在xyt三维空间的连续性作为先验知识,发展出了基于海森范数的正则化方式,并用来重构出伪影更少的结构光照明显微镜的超分辨率图像。与维纳反卷积这个经典的重构算法相比,海森反卷积只需要在成像时百分之十的光子数就可以达到同样的超分辨图像的重建效果。在激光强度为8—250W/cm2的情况下,海森结构光照明显微镜在活细胞中对快速分泌的囊泡、内质网等进行空间分辨率达到88nm,时间分辨率达到188Hz的超分辨率图像重建。全新的时间分辨率和空间分辨率使得我们可以在囊泡分泌过程中观测到新的中间态,观察到了囊泡靠近细胞膜的过程,以及之后的分泌小孔进一步扩大的过程这两个囊泡分泌过程中中间状态。使用基于海森正则项的结构光照明显微镜,我们可以在活细胞中观测到清晰的线粒体嵴。以及嵴结构在线粒体融合,线粒体分裂过程中的动态活动,甚至是单个没有发生融合或者分裂的线粒体内的嵴的融合的过程。     

高光谱探测仪器研制与开发

高光谱对地探测技术包括高空、中空、低空、地面和地下光谱探测,对应的仪器有星载成像光谱仪、机载成像光谱仪、无人机(飞艇)成像光谱仪、地面便携式光谱仪和地下岩心扫描仪,构成的对地立体探测技术体系,广泛应用于地质、环保、农业、林业和海洋领域,特别是在地质勘查领域应用甚广,在遥感影像制作、构造识别和蚀变矿物填图等方面发挥着重要作用.现任中国地质调查局南京仪器研制中心主任、中国地质调查局光谱探测地质仪器研发重点实验室主任修连存研究员长期从事高光谱对地探测技术研究,带领团队发明了岩心光谱数据溯源方法,解决了数据的长期稳定性和一致性问题;突破了光谱在线检测和模拟信号提取技术,解决了仪器信噪比低这一难题,提升了仪器数据质量,实现了仪器成果转化.近年来,修连存团队研发了除星载以外的所有高光谱探测仪器,建立了我国高光谱对地探测技术基础,实现了进口替代,为地质科研和找矿提供了有力支撑,产生了良好的经济效益和社会效益.     

深耕计算光学显微成像 打造生命科学研究“利器”——记中国科学院苏州生物医学工程技术研究所研究员李辉

正"工欲善其事,必先利其器"取字面释义,直接说明了"利器"对于成事的重要价值。在生命科学与基础医学研究领域,显微镜都是最常用的工具之一。但是常规"所见即所得"的显微镜,无法满足几十纳米尺度的精细细胞结构观测以及大量显微成像图像中的数据提取要求。中国科学院苏州生物医学工程技术研究所(简称"苏州医工所")研究员李辉和他的团队聚焦计算光学显微成像技术     

诺贝尔化学奖深度解析:打破光学显微极限

<正>10月8日,2014年度诺贝尔化学奖揭晓,美国科学家埃里克·白兹格、威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔和德国科学家斯特凡·W·赫尔三人成为最终的幸运儿。官方称,该奖是为表彰他们在超分辨率荧光显微技术领域取得的成就。在接受《中国科学报》记者采访时,专家们认为,本届诺贝尔自然科学奖存在明显的"偏技术"的倾向。目前,在超分辨率荧光显微技术领域,国内也不乏人才,但     

金纳米棒:性能、制备、修饰、生物成像技术及应用

随着生物医学的发展,对生物成像技术和成像分辨率的要求越来越高,纳米材料和技术被越来越多地应用到生物医学领域.各向异性的金纳米棒由于具有较高的电子密度、较大的吸收截面、特殊的表面等离子共振光学特性、优良的生物相容性和化学稳定性而被广泛应用于生物成像领域.本文结合本课题组在该领域的研究经验,综述了金纳米棒的制备方法、光学性能和表面修饰方法;并从金纳米棒局部等离子共振特性出发,综述了金纳米棒的暗场散射成像、双光子荧光成像、光声断层成像、光学相干断层扫描、X射线计算机断层扫描、表面增强拉曼散射成像等生物成像技术.同时阐述了金纳米棒在生物成像、医学诊断和联合治疗等领域中的应用进展.     

核磁共振技术与药理学研究

核磁共振(NMR)技术已走过40多年的辉煌发展历程。物理学家首先发现并为自身的研究需要研制出第一台仪器。不久,化学家看到“化学位移”现象作为化学结构探针的能力,很快开辟出新的应用领域,作为有机结构分析的重要工具,70年代前化学家几乎一统NMR的应用天下。但是,随着新技术的发展,在计算技术和超导技术的支持下,NMR的灵敏度和分辨度有了明显的提高,生物医学逐渐成为     

寻找新地球——记中国科学院西安光学精密机械研究所研究员魏儒义

正专家简介:魏儒义,中国科学院西安光学精密机械研究所研究员。主要研究太阳系外行星探测的光谱成像技术方法和新型干涉光谱成像技术,包括基于相干色散光谱技术的视向速度法和基于消零干涉技术的直接成像法等系外行星探测技术与方法,行星大气分子光谱模拟,FTIR光谱技术及其在大气微量气体成分探测中的应用,新型高光谱分辨率以及抗倾斜FTIR光谱技术。曾主持国家重大科研     

光场成像技术进展

归纳总结了光场成像从理论到实现的发展历程,根据光场数据获取方式对目前典型的光场成像设备进行了分类.在光场相机原理的基础上,重点阐述了基于光场的计算成像原理、数字重聚焦技术、合成孔径成像技术和显微成像技术,并对光场成像技术的应用前景和存在的关键问题进行了讨论.     

中子成像技术应用

正中子是材料科学中用于非破坏性研究的独特探针,中子成像是工业应用和科学研究中对材料进行无损检测的有力工具。在过去的几十年里,研究型反应堆和散裂中子源的中子束被广泛而成功地用于中子射线照相。中子与物质相互作用的特殊特征使它可以被用来检测大量样品,尤其是含有氢元素的燃料、橡胶、植物等,即使被包裹在金属壳内。中子成像技术是对X射线和伽马射线成像的补充,应用于各种不同的领域,例如检查核燃料、探测爆炸物、植物根系生长、研究文物等。随着高时间分辨率、高空间分辨率数字中子探测器的研发成功,中子成像发展出快速成像、能量选择成像、布拉格边成像等技术,其研究范围也不断扩大。本文将介绍中子成像的特点、主要技术分类及其在各领域的主要应用。     

超高倍显微分析仪在人体亚健康状况评估中的应用

清华同方研制的超高倍显微分析仪是目前同类产品中放大倍率最高、分辨率最好的显微分析系统,是显微分析技术中里程碑式的突破,在医学领域具有广泛的应用价值,是一项行之有效的大众化大规模的亚健康、疾病筛查和健康普查的方法.     

一种基于图像超分辨率技术的图像质量提升技术

<正>在飞行试验中,由于视频遥测带宽限制,飞机上加装的相机或者机载视频数据在有限带宽下,需要进行低码流压缩,导致视频信息失真、受损或者不够清晰,影响视频监控效果。因此,需要进行失真图像的超分辨率重构或图像清晰度提升技术研究,提升图像的质量。本文的研究主要是通过图像超分辨技术,建立失真图像及低分辨率图像与高分辨率图像之间的映射关系,通过深度学习方式构建超分辨率学习网络,对大量LR-SR图像进行训练与学习,     

过表达TIPE2上调BID分子促进H446细胞凋亡

目的观察TIPE2过表达对小细胞肺癌H446细胞凋亡相关分子BID的影响。方法建立TIPE2过表达的H446小细胞肺癌细胞株,利用荧光显微成像技术和Western Blot技术分别检测TIPE2过表达情况和细胞凋亡相关分子BID的变化。结果 TIPE2质粒稳转H446细胞高表达TIPE2基因和绿色荧光蛋白。TIPE2过表达的H446细胞促凋亡分子BID表达增多,显微镜观察细胞凋亡明显。结论过表达TIPE2基因引起BID上调,并促进小细胞肺癌H446凋亡。     

纳米中心等国际上首次实现对分子间局域作用的直接成像

国家纳米科学中心的裘晓辉研究员、程志海副研究员研究组与其合作者利用原子力显微镜技术在实空间观测到分子间氢键和配位键相互作用,在国际上首次实现了对分子间局域作用的直接成像。在超高真空和低温条件下,该研究团队通过精确探测原子力探针与分子化学键的电子云之间的Pauli排斥力作用,获得了吸附在铜晶     

地震波成像专利技术综述

现代地震勘探中,主要是利用高精度的高维度地震数据,来反演、估计精细背景参数变化、高保真以及高分辨率的高波数参数变化,并结合岩石物理知识,进行油气探测。随着油气资源的开发以及地壳、上地幔结构的进一步研究,对地震波成像的分辨率要求越来越高,为提高成像的分辨率,地球物理工作者研究及发展了一系列新的地震波成像方法。本文通过重点研究国内外地震波成像的专利申请现状及发展状况,从专利权的角度梳理、分析国内当前相关技术的研发水平以及专利保护状况,并为企业、高校和科研院所了解专利申请的现状提供参考依据,有利于推动国内地震波成像技术的创新与完善。     

单分子尺度下的免疫调控和干预策略

癌症免疫疗法通过提高患者自身免疫力来识别和杀伤肿瘤目标,涉及到免疫T细胞和其他细胞之间(肿瘤或抗原呈递细胞)的直接相互作用。受周围微观环境热涨落的影响,精准探测这种力学信号是免疫疗法面临的重要挑战。单分子技术具备高时空分辨的优势,能够克服环境热涨落的影响,通过实时测量单个生物大分子的时空位置、结构转变、能量交换和信息流动等定量参数来刻画生物大分子的动力学行为。将单分子技术应用到免疫疗法相关的研究中,精准测量免疫疗法涉及的受体—配体的力学相互作用和自身动态结构,将为免疫疗法的发展提供单分子尺度的思考和见解,实现物理学和免疫学的交叉融合发展。     

水的核量子效应研究进展

水之所以如此复杂,主要是源于水分子之间的氢键相互作用。人们通常认为氢键的本质为经典的静电相互作用,然而由于氢原子核是质量最小的原子核,其量子特性(量子隧穿和量子涨落)往往不可忽视,它们直接影响着氢键体系的结构与物性。如何实现对核量子效应的精准探测和描述是一个科学难题。本研究团队经过多年的努力,成功发展了一套对原子核量子态敏感的扫描隧道显微术和高效的全量子化计算方法,首次获得水分子的亚分子级成像并观察到氢核的协同量子隧穿,在国际上率先测定了氢键的量子成分,提出了"核量子涨落弱化弱氢键、强化强氢键"的物理图像。这些奠基性的研究成果澄清了核量子效应领域长期争论的关键问题,并引领了该方向的发展。     

空中“电子眼”

美国科学家最近研制出一种新型“电子眼”，它可以从数千米高空搜寻地面广阔区域内的矿藏或伪装的坦克，探测到雷达都无法发现的物体。 这种“电子眼”全名为“超光谱数字成像收集仪”，其核心是由锑化铟制成的传感器。该传感器能对从可见光到红外光这一波长范围内的波谱进行探测，并将收集来的图像分解成数千个像素。“电子眼”系统在此基础上再将每个像素分解为210种不同波长的光，来分析其中是否存在所寻物体的光谱特征。 其实，“超光谱数字成像收集仪”早在10年前就已问世，但由于该仪器一直无法在空间分辨率和光谱分辨率之间取得协调，因此应用非常有限。美国科学家通过新设计出的一种算法对该装置进行改进，解决了上述矛盾。针对需要寻找的具体目标，首先利用该算法确定这种目标在各种可能光线条件下的光谱特征，建立所谓的“背景光谱”。在随后的实际探测中，“电子眼”就会不停地把每个像素中的信号与背景光谱进行比较，分析像素中的光谱特征与背景光谱是否吻合，来确定是否存在所寻目标。     

地基GNSS水汽探测技术浅析

地球大气中水汽的高活跃性对整个天气系统影响巨大,鉴于传统水汽探测手段无法准确掌握水汽空间分布与时变特性,地基GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)作为新型大气探测技术,具有低成本、全天候、高精度、高时间分辨率、均一性好的优势,已经逐步成为传统水汽探测手段的有力...