利用飞秒泵浦-探测技术对分子超快动力学过程研究的新进展

本刊讯 飞秒泵浦-探测技术是一种可以在原子运动时间尺度上实时观测化学反应的有力手段,在飞秒泵浦-探测技术基础上发展起来的分子超快动力学是当前分子反应动力学研究领域的热点和焦点之一。武汉国家光电实验室张冰团队一直从事分子超快动力学方面的研究。最近,该团队利用飞秒泵浦-探测技术与飞行时间质谱和光电子影像技术相结合,对碘甲烷分子的B带预解离超快动力学过程进行了研究并取得重大进展。     

单分子的荧光特性及其在生物学上的应用

近年来,单分子探测在许多学科领域的研究取得了显著的进展。它为科学家提供了一种新的手段来研究这些领域的前沿课题。光学和光谱技术是单分子探测最常用的方法之一。单个分子的荧光强度的涨落及其荧光的偏振特性是单分子荧光的重要特征,在单分子探测的广泛应用中,人们正是利用这种单个分子的重要特征来研究和推测生物大分子的结构和功能。文章简要介绍了单分子的荧光特点、探测方法及其在生物学中的应用。     

光电技术在生物医学中的应用-现状与发展

简要介绍光电技术在生物医学应用中的发展概况，从基因表达与蛋白质一蛋白质相互作用研究方面，重点讨论了生物分子光子技术的特点与优势，阐明基于分子光学标记的光学成像技术是重要的实时在体监测手段，最后简要讨论了医学光学成像技术在组织功能成像和脑功能成像中的应用原理。     

激光单分子探测的实验研究

单分子探测技术是一项超高灵敏度的探测技术，在生物、医学和环境等领域有着广泛的应用。在这里，本文简要介绍了基于激光诱发荧光方法的单分子探测谱仪的原理和装置，以及用ＣＣ５染料分子在该探测谱仪上进行的若干实验研究结果，包括样品流速的影响、能量特性、浓度线性、检测限等方面，并讨论了光漂白现象对实验结果的影响。     

纳米光学和生物单分子探测

纳米光学技术展示了纳米级探测本领，同时生物单分子探测所需要分辨尺度也是纳米数量级的，因此在生物单分子探测过程中，纳米光学发挥了巨大的作用．文章介绍了与生物单分子探测技术相关的纳米光学技术，包括量子近场光学探针技术、近场光学成像技术(包括扫描近场光学显微术及全内反射荧光显微术)和激光光钳测控技术及它们在生物单分子探测上的进展，从而在染色、成像、测控三个方面展示了纳米光学技术在生物方面的应用，并对其未来的发展方向进行了展望．     

飞秒时间分辨质谱和光电子影像对分子激发态动力学的研究

分子量子态的研究,特别是分子激发态演化过程的研究不仅可以了解分子量子态的基本特性和量子态之间的相互作用,而且可以了解化学反应过程和反应通道间的相互作用.飞秒时间分辨质谱和光电子影像是将飞秒抽运-探测分别与飞行时间质谱和光电子影像相结合的超快谱学方法,为实现分子内部量子态探测,研究分子量子态相互作用及超快动力学过程提供了强有力的工具,可以在飞秒时间尺度下研究单分子反应过程中的光物理或光化学机理.本文详细介绍了飞秒时间分辨质谱和光电子影像的技术原理,并结合本课题组的工作,展示了这两种方法在量子态探测及相互作用研究领域,特别是激发态电子退相、波包演化、能量转移、分子光解动力学以及分子激发态结构动力学研究中的广泛应用.最后,对该技术的发展前景以及进一步的研究工作和方向进行了展望.     

超高速分子摄影术——飞秒泵浦-探测方法在分子超快动力学研究中的应用

飞秒泵浦-探测技术是一种可以在原子运动时间尺度上实时观测化学反应的有力手段.利用飞秒泵浦-探测技术,可以实时观测化学反应过渡态,在分子层次上了解基元化学反应的过程和机理,从而深入地了解化学反应的本质和历程.文章介绍了飞秒泵浦-探测技术的基本原理以及在分子超快动力学研究中的应用,并结合作者所在研究小组的工作,展示了基于该技术的几种典型的飞秒光谱方法在分子超快动力学研究领域的主要成果.最后,展望了该技术的发展前景和方向.     

光外差-磁旋转-浓度调制光谱技术

介绍了一种针对瞬态分子光谱测量的新技术:光外差磁旋转浓度调制光谱技术,这种光谱技术具有很高的灵敏度,综合了光外差探测技术、磁旋转光谱技术和浓度调制光谱技术的特点,利用浓度调制光谱技术针对寿命很短的瞬态分子和激发态分子的光谱进行测量,利用光外差探测技术可以消除来自光源的幅度涨落噪声,实现散粒噪声的测量极限,利用磁旋转光谱技术可以对顺磁性分子进行选择性的测量,并且进一步提高探测灵敏度。详细讨论了这种光谱技术的工作原理,并用这种技术对O2分子的b1Σg+-X3Σg-三重禁戒跃迁光谱进行测量,获得了很好的测量信噪比。并对该技术的灵敏度作了详细的分析,估计最小相对吸收度可达1.9×10-9以及O2分子三重禁戒跃迁的吸收截面为σ=2.4×10-24cm2。     

超声分子成像进展

超声分子成像在超声医学成像的基础上,利用靶向超声造影剂为分子探针,以可视化和定量获取活体组织细胞的分子信息为目标的影像术。它不用进行手术活检,不仅可以给出病灶的空间信息,而且能确定它的性质,进行针对性的治疗和对疗效进行评估。本文对现有的核医学分子成像,磁共振分子成像,光学分子成像和光声分子成像技术作了简单介绍,着重讨论了超声分子成像技术和应用的进展。     

磁共振分子影像技术

磁共振分子影像技术是磁共振成像研究领域中最新的发展方向，它是利用磁共振成像为手段来无创伤地研究活体条件下生物细胞内的正常或病理状态下的分子过程的技术. 目前磁共振分子影像技术还处于其发展的初级阶段，但它在临床医学和基础研究中都具有非常广阔的应用前景，因而发展迅速. 文章综述了近几年来国际上磁共振分子影像技术的发展概况，并简要介绍了几类磁共振分子影像常用技术和其中所用到的分子探针.     

用碘分子共振吸收滤波器精确测量水中的布里渊散射频移

提出了一种基于分子共振吸收滤波技术的水中布里渊散射频移的探测方法——边缘探测方法。利用碘分子在水中的布里渊散射光谱范围内的两个对称的吸收峰,可以对光在水中的布里渊散射频移实现高精度的实时测量。对这一方法的原理进行了分析,给出了可用于实际测量的探测系统,并给出了用此系统得到的实验测量结果。还分析了测量系统的固有误差及测量灵敏度。结果表明,这一新方法与常规探测方法(如扫描干涉仪法)相比,具有实时性好、灵敏度高、测量精度高等突出的优点。     

数字图象处理技术讲座 第五讲 计算机断层(CT)技术

一、计算机断层技术原理 大家知道,计算机断层(CT)技术的发明是生物医学探测上的一次伟大革命,也是数字图象处理技术在生物医学上的成功应用CT可应用于人体脑部及全身各部分的扫描,因而可呈现出人体内部结构的图象.此外,它还可对身体内部的本底吸收和辐射模式进行定量的估值.因此,CT在功能方面和病理学上具有重大意义.从目前水平上看,与当前的辐射医学和放射医学的诊断方法相比,CT可检测和定位更小的病灶.因此,CT在对疾病的早期诊断和处理上将有重大的改善.此外,CT技术是无损伤探测.有人统计目前美国大约有2000台X光CT设备.预计CT技…     

分子吸收池在水中布里渊散射边缘探测技术中的应用

在用边缘探测技术测量水中的布里渊散射信号方法中,碘分子吸收池作为边缘滤波器探测水中的布里渊散射频移,2个相同的溴分子吸收池,一个作为带阻滤波器吸收瑞利散射信号,另一个用于激光器的稳频,提高了布里渊频移的探测精度.     

胶束型磁共振成像分子探针的设计与应用

飞速发展的分子影像学在肿瘤的早期诊断及检测中发挥着越来越重要的作用.磁共振成像(MRI)是分子影像学的重要分支，具有其他成像技术不可比拟的优越性和广阔的发展前景.它不需要放射性示踪剂，没有电离辐射，具有高的空间、时间分辨率和组织对比度.近年来，新型磁共振分子探针及成像序列取得了一系列进展，包括环境响应型分子探针、¹⁹F成像、¹²⁹Xe超极化成像以及化学交换饱和转移成像等，进一步拓展了MRI的应用范围.研究和开发靶向性好、弛豫效率高且安全性好的新型多模态MRI造影剂，进一步提高灵敏度是MRI领域的一项重要课题，例如将胶束的特性与一些MRI新方法结合，寻找合适的胶束体系，以提高MRI分子探针的灵敏度；或者引入多模态分子探针，弥补磁共振方法的不足.本文综述了胶束型MRI分子探针核心技术的研究进展与应用，并指出分子影像技术在生物医学工程研究和临床诊断中的重要性.     

新型分子器件--分子马达

分子马达是人们为了得到纳米尺度的机械部件所设计合成的一种新型复合体系,目前化学家们正采用逐渐组装即“自下而上‘的方法对其进行探索研究,以分子结构和运动特点为标准可将现有分子马达分为分子转子、分子传动装置、分子开关、分子梭、分子转门、分子棘齿等几类。文章介绍了在双键分子体系的研究中Ｋｏｕｍｕｒａ等人的开创性工作以及Ｋｅｌｌｙ等人在三叶轮分子体系的研究方面所取得的突破性进展,同时还展望了分子马达的发展     

清华大学物理系薛平教授研究组研制成功新型内窥光学相干成像探头

癌症的有效治疗关键在于早期诊断.光学相干成像作为一种无损伤无标记、三维高分辨率的新型生物光学影像技术,结合内窥镜技术,能够解决光的穿透深度问题,对病灶进行无损的＂光学活检＂,有望代替有创的临床病理切片分析,从而提供一种新型的癌症早期诊断手段.与此相关,高分辨率、大范围、无盲区扫描成像的内窥光学相干成像探头的研究则是非常关键的一个内容,     

分子自组装成膜技术

分子电子器件是跨学科的前沿领域,分子自组装技术是解决分子电子器件与外界连接的最有效手段之一。文章综述了分子自组装成膜技术的发展概况及其在分子电子器件中的一些应用和最新进展。     

基于光声谱的生物组织“指纹”光声诊断术*

肿瘤诊断主要采用医学影像结合组织活检病理予以确诊,但尚未实现高效的早期肿瘤筛查,现有影像术的诊断信息不全面和病理的有创、耗时长是关键问题。近年来快速发展起来的新型生物医学光声成像和光声谱分析技术,对生物组织的分子、化学和功能信息高度灵敏,可实现组织"指纹"的量化检测,且实时、无放射性、无电离性,与其他影像技术融合后具有实现无创"质谱"检测的巨大潜力。该文基于光声信号在光学和声学两个维度的谱分析,实现多种肿瘤和正常组织的光声组织"指纹"成像;提取的量化参数对肿瘤、癌前病变和正常组织进行了有效区分。这项技术有望实现高效、无创、低价的在体早期肿瘤筛查。     

用于大景深单分子定位显微的多功能全息相位片的设计及数值模拟

发展具有大轴向定位范围的单分子定位技术对于实现厚样品的超分辨成像具有重要的价值.基于波前编码技术,将变形多值纯相位光栅与双螺旋点扩散函数相位片相结合,提出一种可以通过空间光调制器实现的具有高衍射效率的新型全息相位片的设计方法.这种全息相位片可以将样品内多个层面的分子信息以双螺旋的形式成像在同一个探测面的不同位置,在无需扫描的情况下提高双螺旋点扩散函数工程的轴向定位范围和分辨率,解决活细胞内单分子定位和示踪技术中的大景深探测难题.数值模拟表明,设计的5×5全息相位片可以将样品内25个层面上的分子信息以双螺旋的形式成像在同一探测面上的不同位置,相邻两个层面的间隔为0.5μm,实现了轴向12μm的探测范围,证明了设计的可行性.     

正交像散高密度三维单分子定位显微的数值模拟

单分子定位显微(single molecule localization microscopy, SMLM)成像技术利用荧光分子的稀疏发光、探测及定位,实现了纳米级空间分辨率的超分辨成像.为了提高其时间分辨率,需要提高同时发光的荧光分子密度.但随着分子密度的提高,不同分子的点扩散函数(point spread function, PSF)在探测器上将发生严重的重叠现象,导致空间分辨率降低,尤其是在进行三维SMLM成像时.为了解决这一问题,本文提出了一种基于正交像散的高密度三维单分子定位超分辨成像方法,并对该方法进行分析和数值模拟研究.该方法的核心是在单分子定位显微镜中将采集的荧光分成两束成像在同一个探测器的两个区域,并在两个通道中各引入一个光学参数相同但取向相互正交的柱透镜,实现对同一个荧光分子正负两个像散PSF图像的同时探测,然后建立该成像过程的线性投影模型,利用压缩感知算法求解出荧光分子的三维定位信息.结果表明,由于两个正交柱透镜产生的一组正交像散PSF对作为一个分子的系统响应时具有较低的相关性,该方法的高密度三维定位准确性可显著优于采用单个柱透镜的传统像散方法,且离焦程度越大两个...