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海森结构光显微镜研制成功,高速线材多角度测量方法

By admin in 仪器仪表 on 2019年11月4日

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人们最熟悉的水,在科学界仍是最不被了解的物质之一。北京时间5月14日23点,《自然》刊登文章,介绍了我国科学家在世界上首次看到了离子水合物的原子级分辨图像,及发现了一种水合离子输运的幻数效应。

膜生物学国家重点实验联合华中科技大学发明了一种超灵敏结构光超高分辨率显微镜—–海森结构光显微镜
,实现了活细胞超快长时程超高分辨率成像,能辨清囊泡融合孔道和线粒体内嵴动态。在每秒钟得到188张超高分辨率图像时,海森结构光显微镜的空间分辨率可以达到85纳米,能够分辨单根头发的1/600到1/800大小结构,而所需要的光照度小于常用的共聚焦显微镜光照度三个数量级。同时,该显微镜也实现了细胞“能量工厂”线粒体的超快超分辨成像,首次在活细胞中解析线粒体融合、分裂时内嵴的活动,及线粒体内嵴自身的重组装过程,并能够观察内质网与线粒体发生相互作用时的动态变化。

线材生产厂,追求新的利润增长点,己成为迫在眉睫的任务。改变产品需求方向,就是使生产的盘条满足线材制品深加工的需要,这就要求盘条的外形尺寸精度必须提高,盘条外形尺寸精度提高,不但依赖职工操作水平与质量意识的提高,而且也需要一双电子眼时时监控。高线测径仪就是充当线材生产过程电子眼的作用,对高速线材进行实时检测,同时为了更准确的得知高速线材的截面信息,采用多角度的测量方法。

完成这一工作的是北京大学江颖课题组、徐莉梅课题组、高毅勤课题组,以及中科院/北京大学王恩哥课题组。

与获得2014年Nobel化学奖的受激辐射损耗超高分辨率显微镜相比,其具有极高的时间分辨率、极低的光毒性,在活细胞超高分辨率成像方面优势显著。

1、基本测量原理

水与其他物质的相互作用十分复杂。水能使很多盐溶解,而且能与溶解的离子结合形成团簇,这个过程称为离子水合,形成的是离子水合物。江颖教授说,离子水合在众多物理、化学、生物过程中都存在。

海森结构光显微镜解析囊泡融合孔道形成全过程。上图:实际的动态过程解析;下图:由实验结果得到的囊泡融合的四个中间态。

高线测径仪的基本测量原理为光电测量原理,高线测径仪采用物方远心光路和成像法进行在线尺寸检测。检测的核心部件为光电测头,每组测头由发射镜头和接收镜头组成。发射镜头内点光源发出的光通过发射透镜形成平行光视场射向接收镜头。平行光再由接收透镜聚焦,通过位于焦点位置的光阑小孔后在接收单元上成像。当视场中通过被测物时,被测物遮挡的部位将在接收单元的芯片上呈现出边界清晰的阴影。通过光电转换和数字化处理,即可通过阴影的宽度计算出被测物的直径。

“100多年前,科学家就知道了水合离子的存在,但一直没有直接的实验证据,都是间接的。现在我们直接把这一过程拍了下来。”江颖说。

灵敏海森结构光超高分辨率显微镜的成功验证,一方面基于新偏振旋转玻片阵列、高精度的时序控制程序以及高数值孔径物镜等硬件的自主研制;另一方面是重构算法的创新,首次提出将生物样本在多维时空上连续,而噪声是完全随机分布的先验知识用于构建海森矩阵,指导超高分辨率荧光图像的重建。

2、测头组成

中国科学家利用自主研发的非接触式原子力显微镜,在世界上首先看到了水合离子的结构,首次获得了原子级分辨成像。王恩哥院士说,我们都知道水的结构,但直到这次我们才看清楚水分子中的氢原子在什么位置。氢原子是世界上最轻的原子,我们看到了自然界的原子的极限。

超灵敏海森结构光显微镜适用于各种细胞、不同探针的荧光成像。可以说,所有应用点扫描共聚焦显微镜的场景都可以使用海森结构光显微镜,因而具有广泛的应用前景。

本文开头就写了,这次介绍的主要是多角度的测径仪,可从多个方面对高速线材进行线径尺寸检测。

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