表面科学中的单分子研究

简要介绍了表面科学中单分子研究的主要技术手段、研究现状及其发展趋势,特别介绍了扫描隧道显微术（scanning tunneling microscopy,STM)在此研究领域的重要作用以及所获成果等,内容涉及STM技术的特点,材料的表面结构、表面吸附分子的观察、基体对吸附分子成像的影响以及分子操纵和分子器件的构筑等。     

单分子物理与化学的新进展

本文对新兴边缘学科-单分子物理与化学的一些研究进展进行简要综述。在对单分子科学中几类基本实验技术如扫描隧道显微术和光镊技术等作了简要介绍之后,重点评述了单分子实验技术和研究方法在物理、化学、生物和分子电子学等学科领域的应用和影响。基于扫描隧道显微术和电子结构计算,列举了最近几个关于单分子高分辨表征、单分子器件和单分子量子调控等方面的研究实例。最后对单分子物理与化学的发展前景进行了展望。     

单分子物理与化学的新进展

本文对新兴边缘学科-单分子物理与化学的一些研究进展进行简要综述。在对单分子科学中几类基本实验技术如扫描隧道显微术和光镊技术等作了简要介绍之后,重点评述了单分子实验技术和研究方法在物理、化学、生物和分子电子学等学科领域的应用和影响。基于扫描隧道显微术和电子结构计算,列举了最近几个关于单分子高分辨表征、单分子器件和单分子量子调控等方面的研究实例。最后对单分子物理与化学的发展前景进行了展望。     

扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用

单分子科学是一门新兴的交叉科学,在当前的科技发展中具有重要意义.扫描隧道显微镜是研究单分子的一种强有力而独特的工具.文章以作者所在研究组近年来在单分子表征、操控和原型器件设计等方面的研究工作进展为例,概述了扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用,重点介绍了以下成果:在硫醇分子自组装单层膜上观测到C60分子的本征笼状结构,并发现了一种新颖的由C60分子取向产生的拓扑序;结合实验图像和理论模拟,确定了单个C60分子在Si(111)-7×7表面的吸附取向;通过对金属富勒烯分子Dy@C82进行空间和能量分辨成像及相关理论模拟,确定了金属原子相对碳笼的位置及分子的取向;利用扫描隧道显微镜针尖对吸附在Au(111)表面的单个CoPc分子操作"分子手术",以实现其吸附态和自旋态的量子调控;发现了一种由单电子隧穿和C59N分子的特殊能级结构产生的新的整流机制;发现了一种由针尖电子态和CoPc分子中Co原子轨道的空间对称性匹配产生的负微分电阻效应.     

扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用

单分子科学是一门新兴的交叉科学,在当前的科技发展中具有重要意义.扫描隧道显微镜是研究单分子的一种强有力而独特的工具.文章以作者所在研究组近年来在单分子表征、操控和原型器件设计等方面的研究工作进展为例,概述了扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用,重点介绍了以下成果：在硫醇分子自组装单层膜上观测到C60分子的本征笼状结构,并发现了一种新颖的由C60分子取向产生的拓扑序;结合实验图像和理论模拟,确定了单个C60分子在Si(111)-7×7表面的吸附取向;通过对金属富勒烯分子Dy@C82进行空间和能量分辨成像及相关理论模拟,确定了金属原子相对碳笼的位置及分子的取向;利用扫描隧道显微镜针尖对吸附在Au(111)表面的单个CoPc分子操作“分子手术”,以实现其吸附态和自旋态的量子调控;发现了一种由单电子隧穿和C59N分子的特殊能级结构产生的新的整流机制;发现了一种由针尖电子态和CoPc分子中Co原子轨道的空间对称性匹配产生的负微分电阻效应.     

单原子分子测控的进展

单原子分子测控是近年来发展起来的实验技术 ,其操作对象是单个的原子或分子。完整的单原子分子测控包含了对单原子分子的成像、识别、操纵和组合分解四个方面。本文分别对这四个方面进行了系统综述 ,介绍了国内外相关技术的发展和现状 ,并对其未来做了展望     

单原子分子测控的进展

单原子分子测控是近年来发展起来的实验技术,其操作对象是单个的原子或分子。完整的单原子分子测控包含了对单原子分子的成像、识别、操纵和组合分解四个方面。本分别对这四个方面进行了系统综述,介绍了国内外相关技术的发展和现状,并对其未来做了展望。     

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.     

基于片层光照明的新型单分子横向磁镊

磁镊是一种高精度的单分子技术,它用磁场对连有生物大分子的超顺磁球产生磁力,通过追踪磁球的位置来测量生物大分子的长度信息.磁镊包括横向磁镊和纵向磁镊.纵向磁镊空间精度高,但昂贵;横向磁镊简单便宜,但由于受其成像原理的限制,一般情况下只能连接较长的DNA等生物大分子,且其空间精度较差,进而限制了其应用范围.为了解决这个问题,本文改进了横向磁镊,用片层光照明的方法使光线主要被磁球散射,从而能够直接观察到吸附在样品槽侧壁上的磁球,这使得测量短连接的底物成为可能.对于实际应用的检测,首先测试了包含270 bp发卡结构的0.5μm双链DNA,用其中发卡结构的"折叠-去折叠"跳变过程证明了改进后的横向磁镊的确可以追踪短DNA等生物大分子.然后,进一步用16μm的λ-DNA检验了实验系统.最后,将新型横向磁镊与普通横向磁镊及纵向磁镊在小力和大力条件下拉伸不同长度DNA的噪声进行了比较,发现改进后的横向磁镊在空间精度上明显优于普通横向磁镊,与纵向磁镊相比也无明显差异.以上结果证明了改进后的横向磁镊的精度优势,并扩展了横向磁镊的应用范围.     

能量与空间分辨的单分子显微术--透过碳笼"看"富勒烯包合物内的金属原子

文章作者用探测扫描隧道电流微分谱的方法，对金属富勒烯包合物分子进行了研究，得到了Dy@C82同分异构体Ⅰ的金属-碳笼杂化态在实空间的能量分布图，通过将实验与理论模拟的结果进行比较，推断出Dy原子在碳笼中的位置以及金属富勒烯包合物分子在衬底表面的吸附取向．这项技术为单分子纳米器件的表征和诊断提供了新的途径．     

纳米分辨率光学显微成像

光学显微镜发明于17世纪,几百年来其分辨率一直受到光学衍射的限制。进入21世纪,多种超分辨成像技术打破了衍射极限的限制,带来了一场新的显微成像技术革命。其中,基于单分子定位的纳米分辨率光学成像技术近几年更是不断取得突破,达到接近分子尺度的分辨率。文章将简要介绍光学显微镜发展历程及超分辨成像技术基本原理,并着重介绍新型纳米分辨率显微成像技术及应用前景。     

近场光学显微镜下的生物世界

扫描近场光学显微镜由于其超过常规光学显微镜的光学分辨能力及其一些特殊的功能,正在受到生物学家们越来越多的关注。文章介绍了近年来近场光学显微技术在生命科学研究中的应用和进展。     

高效、高分辨光纤微探针的制备及检验

提出两种同时满足高分辨、高传光效率的探针模型以及制备方法 :先用自制热拉装置将光纤拉制成过渡区为双曲线或抛物线形的探针 ,然后用 4 0 %氢氟酸进行快速腐蚀 ,使探针孔径变小而保持过渡区域形状和锥度基本不变。所获探针孔径变化范围为 2 0～ 2 0 0 nm,锥度 2 0°～ 6 0°。为检验探针性能 ,将两种探针的出射光分布与用传统热拉法所得到探针进行对比 ;探测了光子扫描隧道显微镜状态下的倏逝波衰减曲线 ;给出了用集光式扫描近场光学显微镜得到的近场光学图像 ;同时 ,验证了探针对剪切力控制的适用性。     

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。     

Single Molecule Fluorescence Imaging and Its Application to the Study of DNA Condensation

Single molecule fluorescence imaging incorporated with optical tweezers and a laminar flow cell has been used to monitor the kinetic process of DNA condensation induced by spermidine. It was found that at least two steps were involved in the condensation process of the hydrodynamically-stretched linear DNA; a lag period followed by a rapid collapse of DNA. The lag time increased with the flow speed and the collapse time remained short within the range of the flow speed studied. The effect of salt concentration on the condensation process was examined, and the results suggest that the longer lag time observed in the higher salt buffer probably results from the displacement of bound cations and rearrangement of spermidine on the DNA. The flow-speed dependence of the lag time suggests that a nucleation event at the free end of the DNA, i.e. formation of a loop, may play a vital role in the kinetic process of condensation.     

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。     

Mesoscopic biology

In this paper we present a qualitative outlook of mesoscopic biology where the typical length scale is of the order of nanometers and the energy scales comparable to thermal energy. Novel biomolecular machines, governed by coded information at the level of DNA and proteins, operate at these length scales in biological systems. In recent years advances in technology have led to the study of some of the design principles of these machines; in particular at the level of an individual molecule. For example, the forces that operate in molecular interactions, the stochasticity involved in these interactions and their spatio-temporal dynamics are beginning to be explored. Understanding such design principles is opening new possibilities in mesoscopic physics with potential applications.     

光放大方法及其应用

介绍了光放大的实验原理，阐述了光放大原理在万有引力实验和扫描探针显微镜中的应用。