原子光谱/元素质谱在生命分析中的应用进展

原子光谱/元素质谱是元素分析的强有力手段,其在生命分析领域的应用也越来越广泛。在单细胞元素分析方面,相关研究工作主要关注元素在单细胞中的分布和形态变化;在元素标记策略分析领域,利用原子光谱（atomic spectrometry, AS）和电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS）实现对小分子、核酸、蛋白质等目标分析物的高灵敏检测是研究热点;在金属药物分析领域,ICP-MS为研究金属药物在生物体中的摄入、分布、代谢和排泄等过程提供了便利,也为进一步阐明药物作用机理以及金属药物的设计和改进提供了数据支持;在生物元素成像领域,ICP-MS与激光剥蚀技术（laser ablation, LA）联用,可以对生物样品进行原位分析和微区分析,结合有机质谱实现元素相关生物过程的分子机制研究;与相关分离方法联用,原子光谱和元素质谱还可以对生物组织中元素进行形态分析,研究其在相关过程中的生物转化过程。本文从单细胞元素分析、元素标签标记策略、金属药物转运与代谢以及生物组织中元素分布分析等方面,评述了原子光谱和ICP-MS在生命分析中的应用实例,并对该领域的发展前景进行了展望。     

压电基因传感器研究进展

压电基因传感器是一种新型的生物传感器，它将压电传感器的灵敏性和DNA杂交反应结合在一起。与传统的基因检测技术相比，压电基因传感器具有结构简单、不需要标记、检测时间短等特点。本对压电基因传感器的研究现状作了综述，包括压电基因传感器的原理、测量技术、固定方法、以及压电基因传感器在各个领域的应用。     

用于^188Re（I）标记的双功能联接剂的制备及性质

^186,188Re具有优良的核性质，是放射性治疗药物的首选核素之一。目前一种在常规条件下制备Re（I）金属有机化合物的技术为放射性^186,188Re的生物和医学应用开辟了一条新的途径。[Re（CO）3（I-120）3]^＋一般通过双功能偶联剂法（BFCA）进行偶联标记。因此标记药物的性质不仅决定于载体分子和核素本身的特性，BFCA也对核药物体内体外行为起着重要的影响作用。因此文中在以往工作的基础上，有目的合成了几个有代表性的BFCA分子，研究了它们与羰基铼形成配合物后的条件和初步的体外化学行为，为[Re（CO）3（H20）3]^＋的进一步应用提供技术基础。     

利用空间分辨漫反射无损测量生物组织的光学参量

利用空间分辨漫反射光确定生物组织的光学参量进行了实验研究，分别用光纤探测器和CCD无损测量了半无限大生物组织(牛脂肪和牛肉)表面的漫反射光的径向分布．由漫射方程对漫反射光强的相对分布值作非线性拟合确定了生物组织的吸收系数和约化散射系数，所得结果与国外报道的绝对测量法测量的结果相比，其差别小于9．4％．研究结果表明，光纤测量和CCD测量有较好的一致性，而CCD探测具有测量准确、简单和快捷的特点。     

生命科学研究中的稀土发光──稀土荧光探针及荧光标记在生物大分子研究中的应用

本文介绍了稀土发光在生命科学研究中的作用，从稀土发光基本知识入手，着重描述了稀土离子发光与生物大分子研究的关系，稀土离子作为荧光探针及荧光标记在生物大分子结构探测与分析方面的应用概况．     

金属稳定同位素标记生物分析进展

细胞和组织的很多特定功能都由其在不同的生理条件下的生物分子含量决定,极少数分子的改变就有可能影响细胞生物功能并触发疾病生理过程,因此高灵敏的生物分子检测技术在疾病机理研究和疾病早期诊断方面具有重要作用。金属稳定同位素和放射同位素化学性质相近,借鉴放射同位素标记的成功经验,通过金属稳定同位素标记多组分生物分子,可以用原子质谱高灵敏地检测多组分生物分子。作为灵敏准确的金属元素检测工具,电感耦合等离子体质谱检出限低、基体效应低、线性范围广、同位素谱线分辨率高,因此适用于金属元素标记生物分子检测。金属稳定同位素标记已经被广泛应用到蛋白质、核酸、酶活性、生物小分子、甚至单个细胞的检测中,取得了一些可喜的进展,并展现了广阔未来应用前景。金属稳定同位素标记生物分析方法有三个特性：高灵敏度-大多数金属的稳定同位素有较高的标记灵敏度,并且可以通过纳米材料标记等方法实现信号放大;多组分同时分析-质谱仪同位素谱线高分辨率提供了多组分分析能力;高准确度-同位素稀释法提供了可溯源到SI国际单位制的高准确度检测结果。为了更好的推动相关研究,简要介绍金属稳定同位素标记生物分析的进展,主要内容包括以下几个部分：金属稳定同位素检测工具-无机质谱、金属稳定同位素标记高灵敏度分析、金属稳定同位素标记多组分同时分析、金属稳定同位素标记高准确度分析、金属稳定同位素标记单细胞分析的进展。     

生物电介质物理学的进展

由于生命科学的迅速发展以及其与物理学之间的相互渗透,一门处在生物学、医学与电介质物理学之间的边缘学科──生物电介质物理学的雏形正在形成. 自七十年代末以来,由于时域波谱学(timedomain spectroscopy)方法用于生物体系的测量研究,使生物电介质物理学有了很大的发展.由微型计算机控制的时域波谱仪能够迅速、无损伤和连续地对生物细胞、组织和器官进行测量,在很大程度上降低了测量的误差,提高了测量数据的精确度和可靠性,使人们对电磁波在生物组织中的传播规律、电磁波与生物组织的相互作用以及生物组织的介电性能等方面有了进一步的了…     

伴随粒子法γ能谱本底测量技术

为了解决伴随粒子法瞬发能谱实验中随机本底的影响,通过实验研究了标记中子和非标记中子与物质作用产生的瞬发信号和随机本底信号。对不同情况随机本底谱测量进行了分析,提出了小尺度样品和大尺度样品本底测量方式。研究表明:对小尺度样品,可以通过去掉样品,选择与有样品测量的谱相同的时间窗进行本底测量;对于大尺度样品,可以通过在随机本底范围选取时间窗进行本底测量。     

医用放射性同位素及其标记化合物

近年来，医用放射性同位素的种类及数量有了较大发展，新型的标记化合物为人体脏器组织的诊断和功能动态的研究，提供了安全、快速、准确的方法、放射性治疗肿瘤药物，能将射线集中照射病变组织，这种治疗是非创伤性的，十多年来，我院从事医用放射性同位素及其标记化合物的研究与生产有了一定的发展。     

基于镜像焦面检测对准标记的套刻性能原位测量技术

套刻性能是现代高精度步进扫描投影光刻机的重要性能指标之一。提出了一种基于镜像焦面检测对准标记(简称“镜像焦面检测对准标记”)的光刻机套刻性能原位测量技术。该技术通过对曝光在硅片上的镜像焦面检测对准标记图形进行光学对准,利用标记图形对准位置与理想位置偏差实现套刻性能的原位检测。实验结果表明该技术在进行套刻误差的精确测量的同时还可以全面、定量地计算影响光刻机单机套刻误差的场内参量及场间参量。与目前套刻性能原位测量技术相比,该技术有效地避免了测量精度对轴向像质限制的依赖,简化了光刻机整机性能检测的过程。     

探测器对量子增强马赫-曾德尔干涉仪相位测量灵敏度的影响

研究了强度差测量方案下,探测器量子效率对光子数态、关联数态、压缩真空态三种量子光源注入的马赫-曾德尔干涉仪相位测量灵敏度的影响.获得了相位测量灵敏度与效率的定量关系,比较了探测效率对不同量子态注入的干涉仪相位灵敏度的影响.研究表明：光子数态注入时,相位测量灵敏度始终不能超越标准量子极限;关联数态注入时,无论多大的光子数,要获得相位测量的量子增强,探测效率不得小于75%;对于压缩真空态,只要有压缩存在就可以获得一定的相位测量的量子增强;关联数态、压缩真空态的注入,相位灵敏度皆随探测效率的增大而不同程度的提高,且压缩真空态比关联数态具有更好的量子增强效果.给出了在量子增强的精密测量实验中对探测效率的要求,并结合实际应用说明了探测效率的提高有助于提高干涉仪探测的灵敏度.     

Single-photon detection and its applications

A single-photon detector is an extremely sensitive device capable of registering photons,offering essential technical support for optics quantum information applications.We review herein our recent experimental progress in the development and application of single-photon detection techniques.Techniques based on advanced self-differencing,low-pass filtering,frequency up-conversion and photon-number-resolving are introduced for attaining high-speed,high-efficiency,low-noise single-photon detection at infrared wavelengths.The advantages of high-speed single-photon detection are discussed in some applications,such as the laser ranging and quantum key distribution.The photon-number-resolving detection is shown to support efficient quantum random number generation.     

Quantum state discrimination and enhancement by noise

Discrimination between two quantum states is addressed as a quantum detection process where a measurement with two outcomes is performed and a conclusive binary decision results about the state. The performance is assessed by the overall probability of decision error. Based on the theory of quantum detection, the optimal measurement and its performance are exhibited in general conditions. An application is realized on the qubit, for which generic models of quantum noise can be investigated for their impact on state discrimination from a noisy qubit. The quantum noise acts through random application of Pauli operators on the qubit prior to its measurement. For discrimination from a noisy qubit, various situations are exhibited where reinforcement of the action of the quantum noise can be associated with enhanced performance. Such implications of the quantum noise are analyzed and interpreted in relation to stochastic resonance and enhancement by noise in information processing.     

拓扑量子材料光电探测器研究进展

物质拓扑态的发现是近年来凝聚态物理和材料科学的重大突破。由于存在不同于常规半导体的特殊拓扑量子态(如狄拉克费米子、外尔费米子、马约拉纳费米子等),拓扑量子材料通常能表现出一些新颖的物理特性(如量子反常霍尔效应、三维量子霍尔效应、零带隙的拓扑态、超高的载流子迁移率等),因而在低能耗电子器件和宽光谱光电探测器件领域具有重要的研究价值。本文综述了拓扑量子材料的特性与制备方法以及在光电探测领域的发展现状,重点讨论了拓扑绝缘体与拓扑半金属宽光谱光电探测器的器件结构与性能,同时也对拓扑量子材料在光电探测器领域的发展前景进行了展望。     

平衡零拍探测器的改进

平衡零拍探测技术是连续变量量子信息科学研究中测量量子态量子噪声的最佳方法之一。在平衡零拍探测系统中,需要一对性能和结构尽量相同的光电探测器,以便很好地减去经典噪声,有效探测散粒噪声基准及光场噪声。根据基尔霍夫电流定律及光电二极管串联的办法,设计并制作出一种性能优良的低噪声平衡零拍探测器。该探测器从光电二极管串联节点处取出光电流相减信号,然后对信号进行放大,在对两探测器全同性要求降低的同时提高了平衡零拍探测的性能。实验结果表明,该探测器在2MHz处共模抑制比达39dB,能很好地满足量子信息对低噪声、线性增益及高共模抑制比的要求。     

采用纠缠辅助量子LDPC码和检错重传策略的 量子直传通信方案

针对现有量子信息直传协议在有噪音量子信道下传输效率低及可靠性差的问题,提出了一种有效利用纠缠资源的量子安全直传通信方案.通过收发双方共享纠缠粒子作为辅助比特,采用纠缠辅助量子低密度校验码对量子态信息进行前向纠错保护,以提高系统在噪音环境下的传输可靠性.同时采用自动请求重传策略对量子态信息进行检错编码保护,当因窃听或强噪音导致译码获得的信息不正确时,则请求发端对该组信息进行编码重传操作.文中对所选用纠缠辅助量子低密度校验码在量子退极化噪音信道下的迭代译码性能进行了仿真,最后对方案的安全性进行了分析论证.     

Quantum dots investigated with charge detection techniques

The detection of the quantum dot charge state using a quantum point contact charge detector has opened a new exciting route for the investigation of quantum dot devices in recent years. In particular, time-resolved charge detection allowed the precise measurement of quantum dot shot noise at sub-femtoampere current levels, and the full counting statistics of the current. The technique can be applied to different material systems and holds promise for future application in quantum dot based quantum information processing implementations. We review recent experiments employing this charge detection technique, including the self-interference of individual electrons and back-action phenomena.     

基于酶剪切量子点荧光放大技术的双元miRNA定量检测

将量子点荧光特性与双链特异性核酸酶的DNA剪切特性相结合,提出一种高灵敏度、高特异性的双元miRNA定量检测方案.首先,将量子点和四氧化三铁磁性纳米粒子分别与捕获DNA链接形成捕获探针,再与待测miRNA互补配对形成异源双链杂合结构,随后双链特异性核酸酶对杂合结构中的捕获DNA进行特异性剪切,实现量子点和待测miRNA从捕获探针分离,且分离的待测miRNA与捕获探针上未配对的DNA开始新一轮杂交和再剪切.经过上述循环过程,量子点从捕获探针大量释放,荧光信号不断增强,实现肿瘤标志物miRNA的高灵敏检测.实验结果表明,基于酶剪切量子点荧光放大技术,在1fmol/L至100pmol/L的浓度范围内,同时实现了肿瘤标志物miRNA-141及循环miRNA内参miRNA-1228的特异性定量检测,其检出限分别达到0.69fmol/L和0.21fmol/L.与实时荧光定量多聚核苷酸链式反应方法相比,该方案获得了相同的检测结果,且具有更高灵敏度.     

基于Rydberg原子天线的太赫兹测量

Rydberg原子在微波和太赫兹频段具有极大的电偶极矩,利用量子干涉效应可实现对该频段电磁波场强的高灵敏探测,理论上灵敏度可达到远高于现有探测技术的水平.基于Rydberg原子量子效应的电磁场探测及精密测量技术在太赫兹的场强和功率计量、太赫兹通信和太赫兹成像等方面有着巨大的应用前景.本文回顾了基于Rydberg原子量子干涉效应实现电磁波电场自校准和可溯源测量的基本理论和实验技术,详细介绍了基于Rydberg原子的高灵敏太赫兹场强测量、太赫兹近场高速成像和太赫兹数字通信的基本原理和技术方案.最后简单介绍了本研究团队正在开展的基于Rydberg原子的太赫兹探测工作.     

Fluorinated Boron Nitride Quantum Dots: A New 0D Material for Energy Conversion and Detection of Cellular Metabolism

Quantum dots encompass a broad spectrum of optical, catalytic, and electrochemical properties bringing in novel applications in catalysis, imaging, displays, and optoelectronics. Herein, the unanticipated broad‐spectrum light absorption and high fluorescence quantum yield in fluorinated boron nitride (FBN) quantum dots are discussed. A heterostructure of FBN quantum dots with a wide‐bandgap semiconductor, titania nanotube arrays, exhibits high photocatalytic activity as evidenced by high external quantum efficiency extending from ultraviolet to green region of the solar spectrum (≈24% at 400 nm). The high activity is confirmed using photoelectrochemical hydrogen evolution experiments. Further, it is demonstrated that high fluorescence quantum yield could be tapped for the detection of glycolytic activity in cancer cells compared to normal cells. This finding could shift the paradigm of molecular detection using quantum dots. The 0D structure and the gap states introduced through fluorination are believed to be responsible for these unprecedented characteristics of boron nitride.