同步辐射X射线成像技术在脑成像研究中的应用

脑疾病的诊疗、 探索高级脑功能机制和理解意识本源对脑科学研究具有重要意义. 成像技术在阐明脑科学神经系统结构和功能中发挥了重要作用. 迄今, 核磁共振成像、 光学成像和电子显微镜成像技术已为脑科学研究提供了强有力的手段, 取得了突出的进展. 同步辐射X射线显微成像技术具有高分辨率、 快成像速度和高穿透深度等优点, 是一类与已有技术互补的新型脑成像技术. 本文介绍了核磁共振波谱、 光学显微镜和电子显微镜等成像方法在脑成像领域中的应用, 重点阐述了同步辐射X射线成像的优势以及在脑结构成像和功能成像中的应用. 在此基础上, 展望了同步辐射X射线成像应用于脑科学研究的未来发展方向, 讨论了该技术在绘制人脑联接图谱中的优势及可行性.     

单个LiCoO_2纳米粒子充放电过程的实时光学成像

<正>含锂纳米材料已经被广泛用作锂离子电池的电极材料。研究单个纳米粒子电化学活性,可以"Bottom up"地建立起纳米材料结构-器件性能关系,有助于新型、高效电极材料的设计和优化。因此,发展可用于单个纳米粒子实时构效分析的原位分析方法极为重要。目前,透射电子显微镜(TEM)和透射X射线显微镜(TXM)等成像技术的高分辨率精细地反映了纳米粒子的原子结构在电化学过程中的演变过程,然而此类形貌和结构表征     

扫描透射电子显微镜技术及其在中药研究中的应用

扫描透射电子显微镜(STEM)兼具透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)的优势,具有高分辨成像、强原子衬度敏感以及图像易懂、直观等优点,已成为材料微结构和微区分析的必要性工具. 中药研究有着悠久历史,显微技术一直是研究药材微特征和作用机制的重要手段之一,具有其他手段不可替代的作用. 综述了STEM的原理、方法、技术特点,以及其在中药显微结构和纳米颗粒等方面的应用,以期为进一步扩展中药微特征领域的研究作参考.     

“电极/溶液”界面的椭圆偏振测量技术研究进展

椭圆偏振测量技术是通过解析偏振光束在界面上或薄膜中反射或透射时偏振状态的变化,获取界面或薄膜的厚度、复折射率等性质的一种光学方法,是一种高灵敏度、非破坏性的原位实时表征技术,被广泛应用于“电极/溶液”界面的研究. 本文简要介绍了椭圆偏振测量技术的基本原理及其最新发展,并着重评述了能源电化学、材料电化学、电分析与生物电化学等领域中,应用椭圆偏振测量技术研究“电极/溶液”界面的现状.     

基于光强传输方程的多模式成像

在显微成像中,对于相位的恢复和定量相位的成像,基于光强传输方程的定量相位成像是一种有效的方法。在沿光轴分布的光强中采集一系列强度图像,利用数值差分估计光强在聚焦面处的一阶轴向微分并通过求解光强传输方程直接得到相位信息。该方法不需要复杂的干涉装置和参考光束,且能够在传统的明场显微镜下实现定量相位成像。近年来,光强传输方程在国内外得到广泛研究和关注,在自适应光学、X射线衍射光学、电子显微学、光学显微成像等领域中显现出巨大的应用前景。本文提出了一种基于光强传输方程的多模式成像系统,将传统的显微镜和计算成像结合起来,赋予了传统显微镜获得定量相位的能力。采用该系统对未染色的花粉粒以及海拉细胞的有丝分裂过程进行了显微观察,验证了系统的多样性与可靠性。     

单分子定位超分辨显微成像有机荧光探针的研究进展

在生物医学领域,对纳米尺寸级别的微小生物目标进行精确定位研究具有非常重要的意义,而光学显微成像技术为此提供了强有力的工具。 光学显微成像技术受到光学衍射极限的限制,难以分辨尺寸在衍射极限(<200 nm)以下的生物结构,无法直接获取微小生物结构信息,阻碍了生物医学的进一步发展。 近年来,随着纳米分辨显微成像技术的出现,新型荧光探针的开发、成像系统与设备的不断发展及成像算法不断完善地深入结合,促进了光学衍射极限以下尺寸微观目标的研究。 基于单分子定位的超分辨荧光显微成像(SMLM)包括光激活定位成像(PALM)与随机光学重构超分辨成像(STORM),将有机荧光探针与超分辨光学显微成像技术紧密结合在一起,荧光探针的光物理性质直接决定着超分辨成像结果的好坏。 因此,设计不同性能的荧光探针可以实现超精细结构的不同超分辨成像,为研究其生物学功能提供了有力的工具。 本文着重围绕基于SMLM的原理、有机荧光探针的设计要求、用于SMLM的荧光探针种类及其生物应用等方面进行总结综述,指出了单分子定位成像上存在的不足,并对其发展方向进行了展望,希望为对超分辨成像研究感兴趣或初涉该领域的研究者提供成像理论与探针设计方面的帮助。     

X射线光电子能谱和聚焦离子束法研究FeCrAl合金元素含量对涂层抗氧化行为的影响

利用X射线光电子能谱(XPS)和聚焦离子束(FIB)技术,实现对FeCrAl合金涂层在1200℃水蒸气环境下氧化行为的研究.XPS和FIB法可以检测和观测到材料随深度变化的界面层、化学态和真实结构等信息,具有直观、且信息丰富(含量、化学态及形貌)等优点.为方法在更广泛的材料体系内的应用提供理论和实践基础.     

量子点及其合成研究中的常用表征技术简介

简单介绍了新型荧光材料量子点（QDs）的合成和应用,并对在QDs的表征中使用的分析技术及仪器（常用的技术和仪器有透射电子显微镜、X射线衍射、紫外-可见光分光光度仪、荧光分光光度仪、红外分光光度仪等）所能获得的QDs结构、粒径大小和分布、荧光量子产率和表面修饰结果等方面信息进行了重点介绍。     

铁基费托催化剂预处理过程的原位表征技术研究进展

铁基费托合成(FTS)催化剂通常以氧化物前驱体α-Fe₂O₃的形式存在,在不同预处理条件下转变为铁碳化合物Fe_xC_y后具有不同的催化活性,因此,研究催化剂预处理过程对费托合成反应具有重要意义。然而该过程中物相体系高度动态复杂,通过常规表征手段无法捕捉到铁基催化剂准确的变化信息。为了深入探究前驱体α-Fe₂O₃体系在不同预处理过程中的真实变化,需要借助多种原位表征技术获取催化剂物相、形貌及其表面结构和性质的动态变化数据,从而可实现催化剂预处理过程和后续FTS催化性能的有效关联。本工作系统综述了X射线衍射、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、红外光谱和拉曼光谱等原位表征技术在铁基FTS催化剂预处理过程中的实验方法以及数据处理方法,以明晰催化剂前驱体复杂的结构性质变化过程,进而促进更高效铁基FTS催化剂的设计和开发。     

X射线吸收精细结构技术在高分子及相关材料中的应用

高分子材料由于其优异的物理和化学性能应用范围非常广泛,而同步辐射光源的发展大大提高了X射线吸收精细结构(XAFS)技术的使用.本文介绍了XAFS包括扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)和X射线吸收近边结构(XANES)的实验原理和实验手段,综述了同行利用XAFS技术在常见高分子、有机金属高分子、钯掺杂高分子、离聚物及碳基材料等高分子领域的结构研究进展,展示了XAFS技术在高分子及其相关材料领域的重要作用和分析方法,体现了XAFS技术的优势和特点,并对XAFS技术在高分子及相关材料方面的应用进行了展望.随着同步辐射技术的发展和提高,XAFS技术在高分子领域的应用将会进一步拓展和提升.     

3D elemental sensitive imaging using transmission X-ray microscopy

Determination of the heterogeneous distribution of metals in alloy/battery/catalyst and biological materials is critical to fully characterize and/or evaluate the functionality of the materials. Using synchrotron-based transmission x-ray microscopy (TXM), it is now feasible to perform nanoscale-resolution imaging over a wide X-ray energy range covering the absorption edges of many elements; combining elemental sensitive imaging with determination of sample morphology. We present an efficient and reliable methodology to perform 3D elemental sensitive imaging with excellent sample penetration (tens of microns) using hard X-ray TXM. A sample of an Al-Si piston alloy is used to demonstrate the capability of the proposed method.     

Bridging X-ray computed tomography and computational modeling for electrochemical energy-conversion and –storage

X-ray imaging techniques are powerful tools for understanding morphology, transport and even reactions within the electrochemical energy systems. Transmission X-ray microscopy (TXM) and X-ray computed tomography (CT) have been widely used in ex-situ studies to probe morphology of electrochemical energy materials. Emerging operando studies highlight the possibility of imaging energy materials and devices under realistic operating conditions. We present an overview of recent advances in the X-ray CT methods with application to fuel cells, batteries and other energy technologies, and describe how the information obtained with multimodal imaging is used within the multi-scale computational models. Overall, the progress in imaging outran the modeling progress, and current models are limited in their utility to incorporate vast amount of multimodal image data.     

锂离子电池负极材料铜锌锡硫纳米颗粒的制备及其电化学性能

以金属氯化物为金属源,硫脲为硫源,聚乙二醇和乙二醇为混合溶剂,采用溶剂热法一步合成了球形的铜锌锡硫纳米颗粒.利用X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析了铜锌锡硫纳米颗粒的物相、结构、形貌;利用电池测试系统对以铜锌锡硫纳米颗粒为锂离子电池负极材料组装的锂离子电池的电化学性能进行了测试.结果表明:所得到的产物为具有锌黄锡矿结构的纯相铜锌锡硫,颗粒直径在300～500nm.铜锌锡硫纳米颗粒作为锂离子电池的负极材料具有较好的稳定性,有望在锂离子电池研究和应用中得到推广.     

锂电池原位与非原位表征技术研究

锂电池的电化学性能与电子及离子在体相与界面的输运、反应、储存行为有关. 从原子尺度到宏观尺度,对电池材料在平衡态与非平衡态过程的电子结构、晶体结构、微观形貌、化学组成、物理性质的演化研究对于理解锂离子电池中各类构效关系至关重要,这需要综合多种原位与非原位表征技术. 目前,基础研究处于前沿的发达国家在这些方面取得了卓有成效的进展. 本文简介了中国科学院物理研究所近年来通过国内外合作,采用原位X射线衍射（in-situ XRD）、原位X射线吸收谱（in-situ XAS）、准原位/原位扫描电镜（quasi/in-situ SEM）、球差校正扫描透射电镜（HAADF/ABF-STEM）、扫描力曲线（Force-Curve）、中子衍射（Neutron Diffraction）、热重-差示扫描量热-质谱联用（TG-DSC-MS）、表面增强拉曼（SERS）等技术研究锂离子电池电极材料结构演化方面的进展,并对未来锂离子电池研究中先进表征技术的发展进行了简要的探讨.     

NASICON结构正极材料用于钠离子电池的研究进展

随着二次电池技术的迅速发展,锂离子电池(LIBs)已经成为了当今社会一种重要的储能装置。然而,地壳中锂资源有限、含锂化合物价格昂贵,因此科研工作者正在积极寻找LIBs的替代品。钠离子电池(SIBs)具有与LIBs相似的工作原理,且钠元素在地球上储量更丰富更均匀、价格更低廉,使得SIBs成为了最有希望替代LIBs的新型二次电池体系之一。不过,钠离子半径较大、充放电过程中电极材料的不可逆性更明显等缺点,明显地增加了开发高性能SIBs的难度。因此,寻找具有优异性能的电极材料,成为了当前SIBs研究的难点和重点。钠超离子导体(NASICON)结构材料是一类具有超快钠离子传导能力的化合物,在脱/嵌钠过程中具有离子传导率高、结构稳定等优点,表现出明显的应用潜力。本文将在介绍NASICON材料晶体结构的基础上,重点从过渡金属种类与个数,以及阴离子调控的角度,总结其研究进展,并分析了该类材料面临的主要问题和挑战。     

3D nanoscale imaging of the yeast, Schizosaccharomyces pombe, by full-field transmission X-ray microscopy at 5.4 keV

Three-dimensional (3D) nanoscale structures of the fission yeast, Schizosaccharomyces pombe, can be obtained by full-field transmission hard X-ray microscopy with 30 nm resolution using synchrotron radiation sources. Sample preparation is relatively simple and the samples are portable across various imaging environments, allowing for high-throughput sample screening. The yeast cells were fixed and double-stained with Reynold's lead citrate and uranyl acetate. We performed both absorption contrast and Zernike phase contrast imaging on these cells in order to test this method. The membranes, nucleus, and subcellular organelles of the cells were clearly visualized using absorption contrast mode. The X-ray images of the cells could be used to study the spatial distributions of the organelles in the cells. These results show unique structural information, demonstrating that hard X-ray microscopy is a complementary method for imaging and analyzing biological samples.     

Novel porous anatase TiO2 nanorods and their high lithium electroactivity

We demonstrated a simple approach for the synthesis of a kind of novel porous anatase TiO₂ nanorods. The method is based on a reaction in composite-hydroxide eutectic system and normal atmosphere without using an organic dispersant or capping agent. The synthesis technique is cost effective, easy to control and is adaptable to mass production. This is the first time TiO₂ nanorods with a porous structure are fabricated by using this method. The as-prepared material was characterized by X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FESEM), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), nitrogen adsorption and desorption experiments and electrochemical measurements. The results showed that the anatase TiO₂ nanorods obtained in our experiment have a large specific surface area with a porous structure which makes it have a potential application in catalysts and battery materials, especially in lithium ion batteries. In this study, we mainly tested their electrochemical performance as negative materials for lithium ion batteries. Further research to optimize synthesis conditions, particularly to develop their application in the field of catalysis is currently in progress.     

聚合物太阳能电池给体材料研究进展

随着能源和环境问题日益严重,人们日益关注于太阳能的开发和应用。同时,无机太阳能电池因其自身原因而受到限制,聚合物太阳能电池受到更多的关注。在聚合物基的太阳能电池中,给体材料制约着电池效率的提高,其中材料的带隙和能级是影响其性能的主要因素。而通过研究和选取具有合适带隙和能级的给体材料可以有效地调节电池器件的效率。本文介绍了太阳能电池给体材料的设计原则与主要影响因素,并叙述了近年来该领域内的研究进展和以及发展前景。