我国超显微镜的研制与发展

本文记述了我国研制的各种超显微镜,包括:透射电镜,扫描电镜,电子探针X射线微区分析仪,电子衍射仪,扫描隧道显微镜,原子力显微镜和光子扫描隧道显微镜的主要性能及发展过程。

用于超快扫描电子显微镜的光发射电子枪及电子光学模拟

超快扫描电子显微镜将泵浦探测技术与显微成像相结合,能够实现高时空分辨率下光诱导表面电荷动力学的可视化研究,对于半导体表面态以及光电器件的高分辨检测具有非常重要的意义.本文基于首台全国产化超快扫描电子显微镜的研制工作,阐述了将热发射电子枪改造成光发射电子枪后的参数化设计,定量分析了偏压,阴极、韦氏极、阳极的空间位置与交叉点位置、大小、发散角的依赖关系.分析结果显示,当韦氏极与阳极位置从8 mm调整到23 mm后,通过将灯丝深度从0.65 mm调整至0.45 mm,配合偏压调节可以实现热发射高分辨成像、低工作电压以及光发射的正常使用.此外,也分析了反射镜分布对电子光路的影响,发现当阳极高出反射镜1.4 mm后,图像畸变几乎消失.还研究了偏置电压对脉冲光电子在时域上的影响,结果表明随着偏压的增大,光发射的时间零点会推后且时间展宽变大.这些工作将为后续超快电子显微镜的发展及光发射电子源的设计奠定基础.

基于散射信号的超分辨光学相减显微镜

现有的光学超分辨显微成像技术主要依赖于特殊的荧光标记物,其对于大多数非荧光样品的超分辨成像就变得无能为力。因此我们提出将光学相减显微技术应用到非荧光样品的成像当中,利用普通共聚焦光斑和面包圈型光斑分别激发样品的散射光成像,从而得到样品同一区域的两幅图像,再通过图像相减的方法提高了图像空间分辨率。不同于一般的超分辨成像方法,这种光学相减显微镜不需要特殊的样品预处理过程,同时两次成像的激发光强度可以保持在一个较低水平,避免了样品损伤的影响。随后金纳米小球和有机聚合物微丝的散射成像实验证明了光学相减显微镜可以将空间分辨率提高到215 nm(0.33λ,1λ=650 nm),并且通过探测散射信号得到更多的样品细节信息。

红外光谱和光学显微镜两步法鉴别皮革的研究

建立了一种红外光谱-超景深光学显微镜"两步法"鉴别皮革材质的方法。首先建立皮革标准红外光谱库,并对样品进行红外光谱检测,通过与标准红外光谱库中谱图的对比,对样品的材质进行分析;其次采用超景深光学显微镜观察样品的粒面和截面,通过分析比较样品粒面和截面的特征,进一步确定样品的材质。结果表明,红外谱图的相似度分析能够初步鉴别出样品的纤维类别,超景深光学显微镜能够最终鉴别出天然皮革和人工革。

共聚焦和超分辨率显微荧光图像的共定位分析浅谈

共定位分析是研究蛋白或分子相互作用的有效工具。荧光显微图像的共定位分析包括定性分析和定量分析两部分。严格而言,共定位分析是使用共定位系数去描述两个或以上的分子间变量关系。目前,许多研究工作者对荧光显微图像的共定位分析需求大。然而,对需要做共定位分析的样品要求、采图要求和分析方法等普遍存在疑问。在本文中,笔者结合多年成像类设备共享服务的经验,基于激光共聚焦和超分辨率荧光显微图像,详细阐述共定位定性和定量分析的方法,以供其他科研工作者参考和借鉴。

超微结构

chāo wēi jiégòu是指构成机体的最小元素的排列。这个层级的结构超出了光学显微镜的分辨能力,仅在超显微镜和电子显微镜下可见。

超分辨近场光学成像技术及其产业开发

超分辨近场光学成像技术是当前国内外一个重要的高新技术前沿课题,也将是我国21世纪初应该发展的一项高新技术产业。文中介绍了我国自1991年以来开拓研究的进展,探讨了国际学术界及产业开发中当前存在的主要问题,提出了各类超分辨扫描模式成像公式的简洁表达式,并作了分析比较。为解决消除假像和从有形貌等混合图像中分离纯光学图像两大难题,作者曾于1993年和1996年提出两项发明专利,为发展我国的该产业解决了两大技术关键。

高时空分辨透射电子显微镜发展与应用

超快透射电子显微镜(Ultrafast Transmission Electron Microscopy,UTEM)集成了高空间和时间分辨率,使直接可视化材料的动力学过程成为可能。本文主要介绍UTEM系统的发展和应用:基于泵浦-探测(Pump-Probe)技术的UTEM系统的基本原理;目前全世界范围内几个主要机构的UTEM系统;中科院物理所李建奇研究员团队自主研发的基于热发射电子枪的第一代UTEM系统和基于场发射电子枪(Field Emission Electron Gun,FEG)的第二代UTEM系统;UTEM系统中的超快实空间成像、超快电子衍射(Ultrafast Electron Diffraction,UED)、时间分辨电子能量损失谱(Time Resolved Electron Energy Loss Spectrum,TREELS)相结合的最新研究成果,例如晶格和电子动力学、相变动力学、光诱导近场电子显微镜(Photon-Induced-Near-Field Electron Microscopy,PINEM)等。目前,超快电镜已经成为研究微纳尺度下非平衡态动力学过程的独一无二的工具。未来,随着电子脉冲质量和TEM的空间分辨率不断提高,有望实现具有更高时空分辨能力的UTEM系统。中国对UTEM的研究投入较少,当前应抓住UTEM的发展机遇,高效推进UTEM领域的关键技术、核心部件和重大产品创新和产业发展,将科技创新和产业发展紧密衔接。

超分辨率荧光显微技术——2014年诺贝尔化学奖简介

介绍了2014年诺贝尔化学奖获奖成果超分辨率荧光显微技术的原理和发现过程、获奖者简况以及超分辨率荧光显微技术的应用前景。

获得诺贝尔奖的六大显微镜技术

显微镜开启了生物学新时代,而在提高其分辨率和生物样品适用性上,科学家不断钻研、不停突破。本文简要介绍6项诺贝尔奖级别的显微镜技术。

超分辨率成像研究尿石素不同亚型对线粒体形态亚群差异分布的影响

目的使用结构光照明显微镜(SIM)揭示3种尿石素亚型对细胞线粒体毒性的差异。方法通过SIM对尿石素孵育后的细胞线粒体超分辨成像,使用图像处理软件Image J进行数据分析。结果SIM在药物浓度10.0μmol/L时即可检测到3种药物亚型的细胞毒性。CCK-8(cell counting kit-8)与SIM在药物浓度40.0μmol/L时均检测到尿石素C的毒性最强。结论尿石素A、B、C 3种亚型中UC的毒性最强。使用超分辨成像技术显微镜在亚细胞水平进行毒性检测,可准确评估和量化低浓度的药物的毒性,促进药物分析和新药研发。

从显微镜下的锈蚀谈青铜器鉴定

随着文物造假水平的提高,使用科学方法辅助传统鉴定成为大势所趋。使用超景深视频显微镜观察器物锈蚀和纹饰特征,再配合便携X射线能谱仪测定器物的锈蚀元素,在大多数情况下即可满足青铜器鉴定中对存疑器物的判断。

超分辨荧光显微镜中的解卷积技术及应用(特邀)

超分辨荧光显微镜突破了光学衍射极限造成的空间分辨率限制,使得生物学家能够在生命体和细胞具有活性的状态下,对其功能与结构进行高精度动态记录,有望揭示更多重要的生命现象细节。然而,由于超分辨荧光显微技术的成像视场、深度、分辨率、速度等不易兼得,所以解卷积作为一种最有效且直接的求解逆问题的框架,被广泛应用于增强超分辨显微镜的时空分辨率。研究人员聚焦于通过相应算法设计实现高质量显微图像的重建,在一定程度上克服了超分辨荧光显微镜的硬件限制,可以更好地恢复生物信息。本文首先介绍了解卷积方法的基本原理及其发展历程,接着列举了不同解卷积技术在不同模态下的重建原理和效果以及这些技术在生物学上的应用,最后总结了基于深度学习的解卷积方法在超分辨荧光显微镜技术上的最新进展和未来的发展潜力,并对包括傅里叶环相关的定量评估图像重建质量的方法的最新进展进行了阐述。

寿阳县窖藏出土铜佛造像的錾刻工艺

使用超景深显微镜对22件寿阳县窖藏出土的铜佛造像进行显微观察,发现该批造像均经过錾刻加工,不同类型的纹饰可能由不同的工具錾刻而成,佛像纹饰制作遵循一定的设计与规律,鎏金造像大多为錾刻装饰完毕后再对其进行鎏金处理的。

竹地板表面粉末涂料喷涂工艺研究

本文采用透明环氧聚酯粉末涂料,在经砂磨、预热竹地板基材上进行静电喷涂、固化和涂层抛光等工序,采用漆膜多用检测仪等仪器对涂膜性能进行了测定,并借助超景深三维显微镜从微观角度观测了涂膜层表观效果及内部固化结构特征。结果表明:(1)预热温度和表面含水率对竹地板基材表面电阻存在着协同作用,将其放置于90℃的恒温干燥箱中预热15 min,其表面含水率达到6.5%,表面电阻为6.94×108Ω,取出粉末静电喷涂,在160℃/6 min红外灯下固化,制得透明涂饰竹地板试样。涂膜外观质量好,保持原有的纹理和质感,涂膜硬度为2H,附着力等级为1级,无划痕,耐磨性225转,耐咖啡渍污染,符合我国木器涂饰相关标准要求。(2)超景深显微镜观测到试样涂膜表面平整,均匀,没有水泡、针孔产生,涂膜内部也反应完全,未见粉末颗粒,固化后的涂料结构紧致,质地坚韧,涂膜表面平均高度仅为34.85μm。

结构光照明显微的结构光空间频率和相位测定算法

结构光照明显微技术(SIM)是近年来快速发展的一种超分辨显微技术,其硬件结构不断推陈出新,然而并非所有SIM系统均能获得理想的结构光调制度,当调制度较低时,结构光空间频率和相位的准确测定变得困难.如果不能保证其测定精度,重建的超分辨图像会存在伪影甚至失真,成像质量无法保证.针对上述问题,研究了多种结构光的空间频率和相位测定算法,分析发现频谱分量互相关算法(SCC)在不同的调制度下更具适应性和准确性.文中进一步研究了SCC算法的特征和简化方法,通过对其迭代过程进行合并实现了空间频率和相位的同步精确测定.通过对多种算法进行仿真的结果表明,相比于其他的空间频率和相位测定算法,简化SCC算法在结构光各调制度条件下均能精确地测定结构光的空间频率和相位,计算误差更小.在实验上,使用自建的SIM系统对牛肺动脉内皮细胞(BPAE)进行成像,在结构光调制度为0.17时使用不同的空间频率和相位测定算法所计算的结果重建样本的超分辨图像.实验结果表明,由于简化SCC算法所计算出的空间频率和相位更加准确,其重建的图像能更清晰地还原样本原貌,有效地抑制了重建图像的伪影,图像分辨率得到明显提高.简化SCC算法能适应不同SIM系统对结构光空间频率和相位精确测定的需求,也能提高SIM系统的鲁棒性.

超分辨荧光显微镜-显纳镜

2014年诺贝尔化学奖授予美国科学家Eric Betzig、德国科学家Stefan W.Hell和美国科学家William E.Moerner,表彰他们在"发展超分辨荧光显微镜"方面的贡献。超分辨荧光显微镜的出现,为深入研究生命过程的分子机制提供了新的工具和新的机遇。本文综述了三位获奖人发明的两种超分辨荧光显微镜的基本原理、方法发展和生物医学应用,并对国内相关研究进展作了简介。

椰树攀爬装置的关键部件磨损特性分析

为提高椰子采摘工作的作业效率和安全性,设计出一款简易椰树攀爬装置,并运用超景深显微技术对装置的安全性能进行磨损特性分析。模仿人类爬树动作,确定了攀爬装置的运动方式,完成对样机的设计;设计0-1 000 N的循环载荷攀爬试验,运用超景深显微镜的变焦镜头VH-200R瞬时拍摄了不同阶段的关键部件(支撑架、支撑杆以及钢丝绳)磨损状态。结果表明:攀爬装置在反复工作过程中,3个关键部件均因受到较大应力并发生变形,随着承重载荷的增加,变形程度逐渐加剧,磨损程度越来越大。

秦陵陪葬坑土遗址安全含盐量探究

易溶盐反复结晶产生的体积膨胀,会对土遗址特别是土遗址表面迹象造成破坏,因此,以易溶盐的含量多少判断其干预时机就显得尤为重要。本研究就易溶盐含量对秦陵陪葬坑土遗址的影响,开展安全含盐量问题的探究。将Na2SO4/Na Cl质量比为1∶1混合盐掺入重塑土样中,经气候箱老化后,利用超景深显微镜测定盐胀面积判断土样被破坏的程度,结果表明含盐超过0.1%,就会导致盐胀面积突然增加,这一指标的获得以及本次实验研究中提出的利用超景深显微镜测定土壤表面盐胀面积评估盐害的方法,为土遗址开展进一步的预防性保护工作提出了初步依据和新的研究方法。

体视学方法在微连接研究中的应用

微连接技术广泛应用于微电子、汽车电子、MEMS、LED、功率器件等封装领域。对封装器件热学、电学、力学、可靠性等起到至关重要的作用。本文以课题组在本领域的相关研究结果为例,探讨体视学方法在微连接研究中的应用。在微焊点微观组织及界面研究方面,重点介绍采用深腐蚀方法对体钎料与焊接界面金属间化合物形貌的观察。在无损检测方面,介绍二维与三维X射线、超声波扫描等方法对微焊点内部气孔、裂纹等缺陷的检测。在断口分析方面,采用SEM与超景深显微镜对断口形貌、高度分布等进行研究。