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一个世纪前，显微镜的分辨率极限达到经典的光的性质的理论预测。然而，超过决议需要显微镜进行实时活细胞的内部运作。以前做技术在少数实验室通过技术最高的大师是减少到现在的容易，临床常规程序。显微镜的设计师，仔细听显微镜，带来了巨大的革新。本文总结了显微镜的设计进展和研究一种新开发的光学系统可以提高科技进步。有限远与无限远的光学系统、当生物显微镜是相对简单的日子，在荧光显微镜和激光共聚焦技术，有一点需要插入厚的光学元件的物镜和目镜之间的inter lens空间。标准的160或170毫米管长度，目标安装法兰和目镜座之间的距离，服务好这。这些仪器在inter lens空间有聚光灯。冶金学家和地质学家需要偏振光，在极薄的偏光片的发明，这需要在空间巨大的棱镜和其他附件插入。在上世纪30年代一个制造商，跑出房间在标准管和困扰的像差校正问题由于棱镜，第一次尝试一个版本的无限光学绕过这些麻烦。“无限”是指物镜的设计项目形象到无限大，没有一些有限的距离。在无限远光学系统提供的物镜和目镜之间的平行光的区域。有了这些系统，复杂的光学组件可以插入在平行光空间而引入的光学像差或降低目标的自由工作距离。该系统还保留着齐焦套目标（图2）。在图2的概念图cfi60光路。无限远光学系统包括一个目标，一个管透镜汇聚光束，和一个目镜。模块和组件可以放在目的和管透镜之间的平行光路建立一个完全灵活的系统无需额外的中继光学系统。图像的点的位置保持不变，轴向和横向一样对准目标和管透镜之间。当然，形成一个图像，我们可以看到或记录，从无限型目标的光必须收敛又由管透镜，或第二目标平行光的空间和目镜之间。通常，在一个案例中多达三个，主要的光学元件可以被放置在这个空间不降低性能。配件和插入组件现在可以实现放大是1X，这是很有价值的几种光学技术具有相同的试样。例如，当光学荧光和微分干涉对比（DIC）的安装，仍有第三的设备放大器的空间，一个教学的头，一个两摄像机多端口组件，或一头用数字化板追踪神经元。在年前的古典显微镜透镜设计师曾考虑物镜和目镜在像差校正的奢侈品，球形，色（纵向和横向）异常，昏迷，散光和场曲。横向色差（LCA）也被称为放大率色差的红色、绿色的形成，并在同一个焦平面的蓝色图像，但每种颜色形成不同大小的图像。传统上，LCA已改正是非常困难的，往往是在物镜长此下去，可以补偿在目镜。光学玻璃的品种和计算方法年前不足以纠正LCA在目的任务。在裸inter lens梁厚部件的插入会进一步破坏光学矫正。即使在今天，并非所有的厂商都在目的达到了LCA完全矫正。新的玻璃配方由尼康公司开发的（梅尔维尔，具有极低的色散；因此，所有像差校正的目的本身。
如果你上过生物课，你可能见过一个细胞；你所需要的只是一个旧显微镜和一小滴液体。
但是你在实验室看到的那些细胞的行为与在你身体中自然游动的数万亿细胞不同吗？当一个细胞离开自然环境时，它会感到压力，甚至是害怕拍照吗？[微小的壮丽：非常小的令人惊叹的照片]
“这个[问题]提出了一个令人不安的疑问，即我们没有看到细胞处于它们的原生状态，快乐地安顿在它们进化的有机体中，”埃里克·贝茨，霍华德休斯医学院弗吉尼亚珍妮亚研究院的诺贝尔物理学奖获得者和小组负责人在一份声明中说，
引起了Betzig和他的同事们的关注，他们试图获得最坦诚的答案，通过结合两种高科技成像过程，研究小组拍摄到了活体细胞的自然影像。
，拍摄到了活体组织中单个细胞进行微观业务的令人难以置信的清晰三维影像。研究小组主要通过追踪斑马鱼胚胎内的细胞来测试他们的新显微镜技术，但同时也将他们的镜头转向线虫、叶子和从人类干细胞中提取的有机物——现在你可以看到全部了。
出现在研究人员的研究结果（昨天，4月19日出版，在《科学》杂志上，一个人类癌细胞滑过血管，就像胶状的约翰·麦克莱恩（John McClane）穿过天花板管道一样。一个橙色的免疫细胞吞噬蓝色的糖分子，因为它在斑马鱼胚胎的内耳中闪烁和燃烧。根据该论文发表的一份声明，细胞在生物体最深处的管道中分裂、融合和迁移，其细节清晰、五彩缤纷。
为他们的新研究，研究人员建造了一个定制的显微镜，就像“三个显微镜合一”。这个装置依靠两种复杂的显微镜方法。一种技术，自适应光学，涉及故意变形显微镜的反射镜，以补偿传入图像中的失真。（这种方法在天文望远镜中经常使用。）
第二种方法称为点阵光片显微镜，它反复在目标细胞上扫一层薄薄的光，以捕捉一系列二维图像，这些图像可以叠加成高分辨率的三维合成图像。Betzig说，将这些方法结合起来，会产生一种显微镜的“弗兰肯斯坦怪兽”，但这种方法产生的图像无疑是很酷的。
不幸的是，你不会很快在学校的科学实验室看到这样的显微镜。根据Betzig的说法，这项技术复杂、昂贵且笨重（Betzig的团队使用的显微镜能填满一张10英尺（3米）长的桌子）。或许在10年内，Betzig说，这种成像方式将更容易被生物学家所接受。在那之前，拿一小袋爆米花来欣赏这个节目。
最初发表在《生命科学》杂志上。
高分辨率光学显微术在生命科学中的应用【摘要】 提高光学显微镜分辨率的研究主要集中在两个方面进行，一是利用经典方法提高各种条件下的空间分辨率，如用于厚样品研究的SPIM技术，用于快速测量的SHG技术以及用于活细胞研究的MPM技术等。二是将最新的非线性技术与高数值孔径测量技术（如STED和SSIM技术）相结合。生物科学研究离不开超高分辨率显微术的技术支撑，人们迫切需要更新显微术来适应时代发展的要求。近年来研究表明，光学显微镜的分辨率已经成功突破200nm横向分辨率和400nm轴向分辨率的衍射极限。高分辨率乃至超高分辨率光学显微术的发展不仅在于技术本身的进步，而且它将会极大促进生物样品的研究，为亚细胞级和分子水平的研究提供新的手段。【关键词】 光学显微镜；高分辨率；非线性技术；纳米水平在生物学发展的历程中显微镜技术的作用至关重要，尤其是早期显微术领域的某些重要发现，直接促成了细胞生物学及其相关学科的突破性发展。对固定样品和活体样品的生物结构和过程的观察，使得光学显微镜成为绝大多数生命科学研究的必备仪器。随着生命科学的研究由整个物种发展到分子水平，显微镜的空间分辨率及鉴别精微细节的能力已经成为一个非常关键的技术问题。光学显微镜的发展史就是人类不断挑战分辨率极限的历史。在400～760nm的可见光范围内，显微镜的分辨极限大约是光波的半个波长，约为200nm，而最新取得的研究成果所能达到的极限值为20～30nm。本文主要从高分辨率三维显微术和高分辨率表面显微术两个方面，综述高分辨率光学显微镜的各种技术原理以及近年来在突破光的衍射极限方面所取得的研究进展。1 传统光学显微镜的分辨率光学显微镜图像的大小主要取决于光线的波长和显微镜物镜的有限尺寸。类似点源的物体在像空间的亮度分布称为光学系统的点扩散函数(point spread function, PSF)。因为光学系统的特点和发射光的性质决定了光学显微镜不是真正意义上的线性移不变系统，所以PSF通常在垂直于光轴的x-y平面上呈径向对称分布，但沿z光轴方向具有明显的扩展。由Rayleigh判据可知，两点间能够分辨的最小间距大约等于PSF的宽度。根据Rayleigh判据，传统光学显微镜的分辨率极限由以下公式表示[1]：横向分辨率(x-y平面)：dx，y=■轴向分辨率(沿z光轴)：dz=■可见，光学显微镜分辨率的提高受到光波波长λ和显微镜的数值孔径等因素的制约；PSF越窄，光学成像系统的分辨率就越高。为提高分辨率，可通过以下两个途径：（1）选择更短的波长；（2）为提高数值孔径, 用折射率很高的材料。Rayleigh判据是建立在传播波的假设上的，若能够探测非辐射场，就有可能突破Rayleigh判据关于衍射壁垒的限制。2 高分辨率三维显微术在提高光学显微镜分辨率的研究中，显微镜物镜的像差和色差校正具有非常重要的意义。从一般的透镜组合方式到利用光阑限制非近轴光线，从稳定消色差到复消色差再到超消色差，都明显提高了光学显微镜的成像质量。最近Kam等[2]和Booth等[3]应用自适应光学原理，在显微镜像差校正方面进行了相关研究。自适应光学系统由波前传感器、可变形透镜、计算机、控制硬件和特定的软件组成，用于连续测量显微镜系统的像差并进行自动校正。 一般可将现有的高分辨率三维显微术分为3类：共聚焦与去卷积显微术、干涉成像显微术和非线性显微术。 共聚焦显微术与去卷积显微术 解决厚的生物样品显微成像较为成熟的方法是使用共聚焦显微术(confocal microscopy) [4]和三维去卷积显微术(three-dimensional deconvolution microscopy, 3-DDM) [5]，它们都能在无需制备样品物理切片的前提下，仅利用光学切片就获得样品的三维荧光显微图像。共聚焦显微术的主要特点是，通过应用探测针孔去除非共焦平面荧光目标产生的荧光来改善图像反差。共聚焦显微镜的PSF与常规显微镜的PSF呈平方关系，分辨率的改善约为■倍。为获得满意的图像，三维共聚焦技术常需使用高强度的激发光，从而导致染料漂白，对活生物样品产生光毒性。加之结构复杂、价格昂贵，从而使应用在一定程度上受到了限制。3-DDM采用软件方式处理整个光学切片序列，与共聚焦显微镜相比，该技术采用低强度激发光，减少了光漂白和光毒性，适合对活生物样品进行较长时间的研究。利用科学级冷却型CCD传感器同时探测焦平面与邻近离焦平面的光子，具有宽的动态范围和较长的可曝光时间，提高了光学效率和图像信噪比。3-DDM拓展了传统宽场荧光显微镜的应用领域受到生命科学领域的广泛关注[6]。 选择性平面照明显微术 针对较大的活生物样品对光的吸收和散射特性，Huisken[7]等开发了选择性平面照明显微术(selective plane illumination microscopy，SPIM)。与通常需要将样品切割并固定在载玻片上的方式不同，SPIM能在一种近似自然的状态下观察2～3mm的较大活生物样品。SPIM通过柱面透镜和薄型光学窗口形成超薄层光，移动样品获得超薄层照明下切片图像，还可通过可旋转载物台对样品以不同的观察角度扫描成像，从而实现高质量的三维图像重建。因为使用超薄层光，SPIM降低了光线对活生物样品造成的损伤，使完整的样品可继续存活生长，这是目前其他光学显微术无法实现的。SPIM技术的出现为观察较大活样品的瞬间生物现象提供了合适的显微工具，对于发育生物学研究和观察细胞的三维结构具有特别意义。 结构照明技术和干涉成像 当荧光显微镜以高数值孔径的物镜对较厚生物样品成像时，采用光学切片是一种获得高分辨3D数据的理想方法，包括共聚焦显微镜、3D去卷积显微镜和Nipkow 盘显微镜等。1997年由Neil等报道的基于结构照明的显微术，是一种利用常规荧光显微镜实现光学切片的新技术，并可获得与共聚焦显微镜一样的轴向分辨率。干涉成像技术在光学显微镜方面的应用1993年最早由Lanni等提出，随着I5M、HELM和4Pi显微镜技术的应用得到了进一步发展。与常规荧光显微镜所观察的荧光相比，干涉成像技术所记录的发射荧光携带了更高分辨率的信息。（1）结构照明技术：结合了特殊设计的硬件系统与软件系统，硬件包括内含栅格结构的滑板及其控制器，软件实现对硬件系统的控制和图像计算。为产生光学切片，利用CCD采集根据栅格线的不同位置所对应的原始投影图像，通过软件计算，获得不含非在焦平面杂散荧光的清晰图像，同时图像的反差和锐利度得到了明显改善。利用结构照明的光学切片技术，解决了2D和3D荧光成像中获得光学切片的非在焦平面杂散荧光的干扰、费时的重建以及长时间的计算等问题。结构照明技术的光学切片厚度可达，轴向分辨率较常规荧光显微镜提高2倍，3D成像速度较共聚焦显微镜提高3倍。（2）4Pi 显微镜：基于干涉原理的4Pi显微镜是共聚焦/双光子显微镜技术的扩展。4Pi显微镜在标本的前、后方各设置1个具有公共焦点的物镜，通过3种方式获得高分辨率的成像：①样品由两个波前产生的干涉光照明；②探测器探测2个发射波前产生的干涉光；③照明和探测波前均为干涉光。4Pi显微镜利用激光作为共聚焦模式中的照明光源，可以给出小于100nm的空间横向分辨率，轴向分辨率比共聚焦荧光显微镜技术提高4~7倍。利用4Pi显微镜技术，能够实现活细胞的超高分辨率成像。Egner等[8，9]利用多束平行光束和1个双光子装置，观测活细胞体内的线粒体和高尔基体等细胞器的精微细节。Carl[10]首次应用4Pi显微镜对哺乳动物HEK293细胞的细胞膜上离子通道类别进行了测量。研究表明，4Pi显微镜可用于对细胞膜结构纳米级分辨率的形态学研究。（3）成像干涉显微镜(image interference microscopy, I2M)：使用2个高数值孔径的物镜以及光束分离器，收集相同焦平面上的荧光图像，并使它们在CCD平面上产生干涉。1996年Gustaffson等用这样的双物镜从两个侧面用非相干光源（如汞灯）照明样品，发明了I3M显微镜技术(incoherent, interference, illumination microscopy, I3M），并将它与I2M联合构成了I5M显微镜技术。测量过程中，通过逐层扫描共聚焦平面的样品获得一系列图像，再对数据适当去卷积，即可得到高分辨率的三维信息。I5M的分辨范围在100nm内。 非线性高分辨率显微术 非线性现象可用于检测极少量的荧光甚至是无标记物的样品。虽有的技术还处在物理实验室阶段，但与现有的三维显微镜技术融合具有极大的发展空间。（1）多光子激发显微术：(multiphoton excitation microscope，MPEM)是一种结合了共聚焦显微镜与多光子激发荧光技术的显微术，不但能够产生样品的高分辨率三维图像，而且基本解决了光漂白和光毒性问题。在多光子激发过程中，吸收几率是非线性的[11]。荧光由同时吸收的两个甚至3个光子产生，荧光强度与激发光强度的平方成比例。对于聚焦光束产生的对角锥形激光分布，只有在标本的中心多光子激发才能进行，具有固有的三维成像能力。通过吸收有害的短波激发能量，明显地降低对周围细胞和组织的损害，这一特点使得MPEM成为厚生物样品成像的有力手段。MPEM轴向分辨率高于共聚焦显微镜和3D去卷积荧光显微镜。（2）受激发射损耗显微术：Westphal[12]最近实现了Hell等在1994年前提出的受激发射损耗(stimulated emission depletion, STED）成像的有关概念。STED成像利用了荧光饱和与激发态荧光受激损耗的非线性关系。STED技术通过2个脉冲激光以确保样品中发射荧光的体积非常小。第1个激光作为激发光激发荧光分子；第2个激光照明样品，其波长可使发光物质的分子被激发后立即返回到基态，焦点光斑上那些受STED光损耗的荧光分子失去发射荧光光子的能力，而剩下的可发射荧光区被限制在小于衍射极限区域内，于是获得了一个小于衍射极限的光点。Hell等已获得了28nm的横向分辨率和33nm的轴向分辨率[12,13]，且完全分开相距62nm的2个同类的分子。近来将STED和4Pi显微镜互补性地结合，已获得最低为28nm的轴向分辨率,还首次证明了免疫荧光蛋白图像的轴向分辨率可以达到50nm[14]。（3）饱和结构照明显微术：Heintzmann等[15]提出了与STED概念相反的饱和结构照明显微镜的理论设想，最近由Gustafsson等[16]成功地进行了测试。当光强度增加时，这些体积会变得非常小，小于任何PSF的宽度。使用该技术，已经达到小于50nm的分辨率。（4）二次谐波 (second harmonic generation, SHG)成像利用超快激光脉冲与介质相互作用产生的倍频相干辐射作为图像信号来源。SHG一般为非共振过程，光子在生物样品中只发生非线性散射不被吸收，故不会产生伴随的光化学过程，可减小对生物样品的损伤。SHG成像不需要进行染色,可避免使用染料带来的光毒性。因其对活生物样品无损测量或长时间动态观察显示出独特的应用价值，越来越受到生命科学研究领域的重视[17]。3 表面高分辨率显微术表面高分辨率显微术是指一些不能用于三维测量只适用于表面二维高分辨率测量的显微技术。主要包括近场扫描光学显微术、全内反射荧光显微术、表面等离子共振显微术等。 近场扫描光学显微术 近场扫描学光显微术(near-field scanning optical microscope, NSOM)是一种具有亚波长分辨率的光学显微镜。由于光源与样品的间距接近到纳米水平，因此分辨率由光探针口径和探针与样品之间的间距决定，而与光源的波长无关。NSOM的横向分辨率小于100nm，Lewis[18]则通过控制在一定针尖振动频率上采样，获得了小于10nm的分辨率。NSOM具有非常高的图像信噪比，能够进行每秒100帧图像的快速测量[19]，NSOM已经在细胞膜上单个荧光团成像和波谱分析中获得应用。 全内反射荧光显微术 绿色荧光蛋白及其衍生物被发现后，全内反射荧光(total internal reflection fluorescence，TIRF)技术获得了更多的重视和应用。TIRF采用特有的样品光学照明装置可提供高轴向分辨率。当样品附着在离棱镜很近的盖玻片上，伴随着全内反射现象的出现，避免了光对生物样品的直接照明。但因为波动效应，有小部分的能量仍然会穿过玻片与液体介质的界面而照明样品，这些光线的亮度足以在近玻片约100nm的薄层形成1个光的隐失区，并且激发这一浅层内的荧光分子[20]。激发的荧光由物镜获取从而得到接近100nm的高轴向分辨率。TIRF近来与干涉照明技术结合应用在分子马达步态的动力学研究领域, 分辨率达到8nm，时间分辨率达到100μs[21]。 表面等离子共振 表面等离子共振(surface plasmon resonance, SPR) [22]是一种物理光学现象。当入射角以临界角入射到两种不同透明介质的界面时将发生全反射，且反射光强度在各个角度上都应相同，但若在介质表面镀上一层金属薄膜后，由于入射光被耦合入表面等离子体内可引起电子发生共振，从而导致反射光在一定角度内大大减弱，其中使反射光完全消失的角度称为共振角。共振角会随金属薄膜表面流过的液相的折射率而改变，折射率的改变又与结合在金属表面的生物分子质量成正比。表面折射率的细微变化可以通过测量涂层表面折射光线强度的改变而获得。1992年Fagerstan等用于生物特异相互作用分析以来，SPR技术在DNA-DNA生物特异相互作用分析检测、微生物细胞的监测、蛋白质折叠机制的研究，以及细菌毒素对糖脂受体亲和力和特异性的定量分析等方面已获得应用[23]。当SPR信息通过纳米级孔道[24]传递而提供一种卓越的光学性能时，将SPR技术与纳米结构设备相结合，该技术的深入研究将有可能发展出一种全新的成像原理显微镜。【参考文献】[1] 汤乐民,丁 斐.生物科学图像处理与分析[M].北京:科学出版社,2005：205.[2] Kam Z, Hanser B, Gustafsson MGL, et adaptive optics for live three-dimensional biological imaging[J]. Proc Natl Acad Sci USA,2001,98:3790-3795.[3] Booth MJ, Neil MAA, Juskaitis R, et al. Adaptive aberration correction in a confocal microscope[J]. Proc Natl Acad Sci USA，2002, 99:5788-5792.[4] Goldman RD,Spector cell imaging a laboratory manual[J].Gold Spring Harbor Laboratory Press,2005.[5] Monvel JB,Scarfone E,Calvez SL,et deconvolution for three-dimensional deep biological imaging[J].Biophys,2003,85:3991-4001.[6] 李栋栋,郭学彬,瞿安连.以三维荧光反卷
由于细胞生长失控引起癌症，且难以对肿瘤细胞行为进行实时观察，成像技术已成为研究癌症生物学的重要工具。高分辨率成像对于研究导致癌症的基因和细胞信号传导变化必不可少，而活细胞成像则是更深入了解功能和疾病机制的关键。显微成像技术对于研究不同类型肿瘤细胞之间的空间关系也同样不可或缺。
癌症非常复杂，因此需要使用包括高时空分辨率的活样本和单细胞成像在内的大量研究方法。 要更深入了解与癌症有关的细胞过程，很可能需要采用最高分辨率的成像方法和多参数图像分析。 荧光共聚焦显微成像等方法能够研究组织或细胞结构内的多个目标。超高分辨率技术或者最新的寿命成像或光片成像等先进的成像技术有助您更好地了解肿瘤发生、发展和治疗反应背后的分子相互作用和调节机制。激光显微切割或光电联用显微成像 (CLEM) 可以研究细胞膜中的受体空间排列和细胞核中的基因组结构。
激光显微切割或光电联用显微成像 (CLEM) 可以研究细胞膜中的受体空间排列和细胞核中的基因组结构。
要更深入了解与癌症有关的细胞过程，很可能需要采用最高分辨率的成像方法和多参数图像分析。荧光共聚焦显微成像等方法能够研究组织或细胞结构内的多个目标。
上图：HeLa Kyoto 细胞。 绿色： P24 蛋白、EYFP，紫色： Tubulin、SiR-Tubulin。 3D 延时序列。 最高速度与最高分辨率相结合，使用 PL APO 63x/ W 物镜，像素大小为 53 纳米，格式为 32 帧/秒 1000 x 400 像素。 德国海德堡欧洲分子生物学实验室Juan Jung博士提供。
光学显微镜 开放分类： 设备、光学、机械、显微镜 光学显微镜是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。早在公元前一世纪，人们就已发现通过球形透明物体去观察微小物体时，可以使其放大成像。后来逐渐对球形玻璃表面能使物体放大成像的规律有了认识。1590年，荷兰和意大利的眼镜制造者已经造出类似显微镜的放大仪器。1610年前后，意大利的伽利略和德国的开普勒在研究望远镜的同时，改变物镜和目镜之间的距离，得出合理的显微镜光路结构，当时的光学工匠遂纷纷从事显微镜的制造、推广和改进。17世纪中叶，英国的胡克和荷兰的列文胡克，都对显微镜的发展作出了卓越的贡献。1665年前后，胡克在显微镜中加入粗动和微动调焦机构、照明系统和承载标本片的工作台。这些部件经过不断改进，成为现代显微镜的基本组成部分。1673～1677年期间，列文胡克制成单组元放大镜式的高倍显微镜，其中九台保存至今。胡克和列文胡克利用自制的显微镜，在动、植物机体微观结构的研究方面取得了杰出的成就。19世纪，高质量消色差浸液物镜的出现，使显微镜观察微细结构的能力大为提高。1827年阿米奇第一个采用了浸液物镜。19世纪70年代，德国人阿贝奠定了显微镜成像的古典理论基础。这些都促进了显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，并为19世纪后半叶包括科赫、巴斯德等在内的生物学家和医学家发现细菌和微生物提供了有力的工具。在显微镜本身结构发展的同时，显微观察技术也在不断创新：1850年出现了偏光显微术；1893年出现了干涉显微术；1935年荷兰物理学家泽尔尼克创造了相衬显微术，他为此在1953年获得了诺贝尔物理学奖。古典的光学显微镜只是光学元件和精密机械元件的组合，它以人眼作为接收器来观察放大的像。后来在显微镜中加入了摄影装置，以感光胶片作为可以记录和存储的接收器。现代又普遍采用光电元件、电视摄象管和电荷耦合器等作为显微镜的接收器，配以微型电子计算机后构成完整的图象信息采集和处理系统。表面为曲面的玻璃或其他透明材料制成的光学透镜可以使物体放大成像，光学显微镜就是利用这一原理把微小物体放大到人眼足以观察的尺寸。近代的光学显微镜通常采用两级放大，分别由物镜和目镜完成。被观察物体位于物镜的前方，被物镜作第一级放大后成一倒立的实象，然后此实像再被目镜作第二级放大，成一虚象，人眼看到的就是虚像。而显微镜的总放大倍率就是物镜放大倍率和目镜放大倍率的乘积。放大倍率是指直线尺寸的放大比，而不是面积比。光学显微镜的组成结构光学显微镜一般由载物台、聚光照明系统、物镜，目镜和调焦机构组成。载物台用于承放被观察的物体。利用调焦旋钮可以驱动调焦机构，使载物台作粗调和微调的升降运动，使被观察物体调焦清晰成象。它的上层可以在水平面内沿作精密移动和转动，一般都把被观察的部位调放到视场中心。聚光照明系统由灯源和聚光镜构成，聚光镜的功能是使更多的光能集中到被观察的部位。照明灯的光谱特性必须与显微镜的接收器的工作波段相适应。物镜位于被观察物体附近，是实现第一级放大的镜头。在物镜转换器上同时装着几个不同放大倍率的物镜，转动转换器就可让不同倍率的物镜进入工作光路，物镜的放大倍率通常为5～100倍。物镜是显微镜中对成象质量优劣起决定性作用的光学元件。常用的有能对两种颜色的光线校正色差的消色差物镜；质量更高的还有能对三种色光校正色差的复消色差物镜；能保证物镜的整个像面为平面，以提高视场边缘成像质量的平像场物镜。高倍物镜中多采用浸液物镜，即在物镜的下表面和标本片的上表面之间填充折射率为左右的液体，它能显著的提高显微观察的分辨率。目镜是位于人眼附近实现第二级放大的镜头，镜放大倍率通常为5～20倍。按照所能看到的视场大小，目镜可分为视场较小的普通目镜，和视场较大的大视场目镜(或称广角目镜)两类。载物台和物镜两者必须能沿物镜光轴方向作相对运动以实现调焦，获得清晰的图像。用高倍物镜工作时，容许的调焦范围往往小于微米，所以显微镜必须具备极为精密的微动调焦机构。显微镜放大倍率的极限即有效放大倍率，显微镜的分辨率是指能被显微镜清晰区分的两个物点的最小间距。分辨率和放大倍率是两个不同的但又互有联系的概念。当选用的物镜数值孔径不够大，即分辨率不够高时，显微镜不能分清物体的微细结构，此时即使过度地增大放大倍率，得到的也只能是一个轮廓虽大但细节不清的图像，称为无效放大倍率。反之如果分辨率已满足要求而放大倍率不足，则显微镜虽已具备分辨的能力，但因图像太小而仍然不能被人眼清晰视见。所以为了充分发挥显微镜的分辨能力，应使数值孔径与显微镜总放大倍率合理匹配。聚光照明系统是对显微镜成像性能有较大影响，但又是易于被使用者忽视的环节。它的功能是提供亮度足够且均匀的物面照明。聚光镜发来的光束应能保证充满物镜孔径角，否则就不能充分利用物镜所能达到的最高分辨率。为此目的，在聚光镜中设有类似照相物镜中的 ，可以调节开孔大小的可变孔径光阑，用来调节照明光束孔径，以与物镜孔径角匹配。改变照明方式，可以获得亮背景上的暗物点(称亮视场照明)或暗背景上的亮物点(称暗视场照明)等不同的观察方式，以便在不同情况下更好地发现和观察微细结构。光学显微镜的分类光学显微镜有多种分类方法：按使用目镜的数目可分为双目和单目显微镜；按图像是否有立体感可分为立体视觉和非立体视觉显微镜；按观察对像可分为生物和金相显微镜等；按光学原理可分为偏光，相衬和微差干涉对比显微镜等；按光源类型可分为普通光、荧光、红外光和激光显微镜等；按接收器类型可分为目视、摄影和电视显微镜等。常用的显微镜有双目体视显微镜、金相显微镜、偏光显微镜、紫外荧光显微镜等。双目体视显微镜是利用双通道光路，为左右两眼提供一个具有立体感的图像。它实质上是两个单镜筒显微镜并列放置，两个镜筒的光轴构成相当于人们用双目观察一个物体时所形成的视角，以此形成三维空间的立体视觉图像。双目体视显微镜在生物、医学领域广泛用于切片操作和显微外科手术；在工业中用于微小零件和集成电路的观测、装配、检查等工作。金相显微镜是专门用于观察金属和矿物等不透明物体金相组织的显微镜。这些不透明物体无法在普通的透射光显微镜中观察，故金相和普通显微镜的主要差别在于前者以反射光，而后者以透射光照明。在金相显微镜中照明光束从物镜方向射到被观察物体表面，被物面反射后再返回物镜成像。这种反射照明方式也广泛用于集成电路硅片的检测工作。紫外荧光显微镜是用紫外光激发荧光来进行观察的显微镜。某些标本在可见光中觉察不到结构细节，但经过染色处理，以紫外光照射时可因荧光作用而发射可见光，形成可见的图像。这类显微镜常用于生物学和医学中。电视显微镜和电荷耦合器显微镜是以电视摄像靶或电荷耦合器作为接收元件的显微镜。在显微镜的实像面处装入电视摄像靶或电荷耦合器取代人眼作为接收器，通过这些光电器件把光学图像转换成电信号的图像，然后对之进行尺寸检测、颗粒计数等工作。这类显微镜的 可以与计算机联用，这便于实现检测和信息处理的自动化，多应用于需要进行大量繁琐检测工作的场合。扫描显微镜是成像光束能相对于物面作扫描运动的显微镜 。在扫描显微镜中依靠缩小视场来保证物镜达到最高的分辨率，同时用光学或机械扫描的方法，使成像光束相对于物面在较大视场范围内进行扫描，并用信息处理技术来获得合成的大面积图像信息。这类显微镜适用于需要高分辨率的大视场图像的观测。粗准焦螺旋：大范围上下调动镜筒。 细准焦螺旋：小范围上下调动镜筒。 另外 显微镜是一种精密的光学仪器，已有300多年的发展史。自从有了显微镜，人们看到了过去看不到的许多微小生物和构成生物的基本单元——细胞。目前，不仅有能放大千余倍的光学显微镜，而且有放大几十万倍的电子显微镜，使我们对生物体的生命活动规律有了更进一步的认识。在普通中学生物教学大纲中规定的实验中，大部分要通过显微镜来完成，因此，显微镜性能的好坏是做好观察实验的关键。 一、显微镜的光学系统 显微镜的光学系统主要包括物镜、目镜、反光镜和聚光器四个部件。广义的说也包括照明光源、滤光器、盖玻片和载玻片等。 （一）、物镜 物镜是决定显微镜性能的最重要部件，安装在物镜转换器上，接近被观察的物体，故叫做物镜或接物镜。 1、物镜的分类 物镜根据使用条件的不同可分为干燥物镜和浸液物镜；其中浸液物镜又可分为水浸物镜和油浸物镜（常用放大倍数为90—100倍）。 根据放大倍数的不同可分为 低倍物镜（10倍以下）、中倍物镜（20倍左右）高倍物镜（40—65倍）。 根据像差矫正情况，分为消色差物镜（常用，能矫正光谱中两种色光的色差的物镜）和复色差物镜（能矫正光谱中三种色光的色差的物镜，价格贵，使用少）。 2、物镜的主要参数： 物镜主要参数包括：放大倍数、数值孔径和工作距离。 ①、放大倍数是指眼睛看到像的大小与对应标本大小的比值。它指的是长度的比值而不是面积的比值。例：放大倍数为100×，指的是长度是1μm的标本，放大后像的长度是100μm，要是以面积计算，则放大了10,000倍。 显微镜的总放大倍数等于物镜和目镜放大倍数的乘积。 ②、数值孔径也叫镜口率，简写NA 或A，是物镜和聚光器的主要参数，与显微镜的分辨力成正比。干燥物镜的数值孔径为，油浸物镜（香柏油）的数值孔径为。 ③、工作距离是指当所观察的标本最清楚时物镜的前端透镜下面到标本的盖玻片上面的距离。物镜的工作距离与物镜的焦距有关，物镜的焦距越长，放大倍数越低，其工作距离越长。例：10倍物镜上标有10/和160/，其中10为物镜的放大倍数；为数值孔径；160为镜筒长度（单位mm）；为盖玻片的标准厚度（单位 mm）。10倍物镜有效工作距离为，40倍物镜有效工作距离为 。 3、物镜的作用是将标本作第一次放大，它是决定显微镜性能的最重要的部件——分辨力的高低。 分辨力也叫分辨率或分辨本领。分辨力的大小是用分辨距离（所能分辨开的两个物点间的最小距离）的数值来表示的。在明视距离（25cm）之处，正常人眼所能看清相距的两个物点，这个的数值，即为正常人眼的分辨距离。显微镜的分辨距离越小，即表示它的分辨力越高，也就是表示它的性能越好。 显微镜的分辨力的大小由物镜的分辨力来决定的，而物镜的分辨力又是由它的数值孔径和照明光线的波长决定的。 当用普通的中央照明法（使光线均匀地透过标本的明视照明法）时，显微镜的分辨距离为d=λ/NA 式中d——物镜的分辨距离，单位 nm。 λ——照明光线波长，单位 nm。 NA ——物镜的数值孔径 例如油浸物镜的数值孔径为，可见光波长范围为400—700nm ，取其平均波长550 nm，则d=270 nm，约等于照明光线波长一半。一般地，用可见光照明的显微镜分辨力的极限是μm。 （二）、目镜 因为它靠近观察者的眼睛，因此也叫接目镜。安装在镜筒的上端。 1、目镜的结构 通常目镜由上下两组透镜组成，上面的透镜叫做接目透镜，下面的透镜叫做会聚透镜或场镜。上下透镜之间或场镜下面装有一个光阑（它的大小决定了视场的大小），因为标本正好在光阑面上成像，可在这个光阑上粘一小段毛发作为指针，用来指示某个特点的目标。也可在其上面放置目镜测微尺，用来测量所观察标本的大小。 目镜的长度越短，放大倍数越大（因目镜的放大倍数与目镜的焦距成反比）。 2、目镜的作用 是将已被物镜放大的，分辨清晰的实像进一步放大，达到人眼能容易分辨清楚的程度。 常用目镜的放大倍数为5—16倍。 3、目镜与物镜的关系 物镜已经分辨清楚的细微结构，假如没有经过目镜的再放大，达不到人眼所能分辨的大小，那就看不清楚；但物镜所不能分辨的细微结构，虽然经过高倍目镜的再放大，也还是看不清楚，所以目镜只能起放大作用，不会提高显微镜的分辨率。有时虽然物镜能分辨开两个靠得很近的物点，但由于这两个物点的像的距离小于眼睛的分辨距离，还是无法看清。所以，目镜和物镜即相互联系，又彼此制约。 （三）、聚光器 聚光器也叫集光器。位于标本下方的聚光器支架上。它主要由聚光镜和可变光阑组成。其中，聚光镜可分为明视场聚光镜（普通显微镜配置）和暗视场聚光镜。 1、光镜的主要参数 数值孔径（NA ）是聚光镜的主要参数，最大数值孔径一般是—，数值孔径有一定的可变范围，通常刻在上方透镜边框上的数字是代表最大的数值孔径，通过调节下部可变光阑的开放程度，可得到此数字以下的各种不同的数值孔径，以适应不同物镜的需要。有的聚光镜由几组透镜组成，最上面的一组透镜可以卸掉或移出光路，使聚光镜的数值孔径变小，以适应低倍物镜观察时的照明。 2、聚光镜的作用 聚光镜的作用相当于凸透镜，起会聚光线的作用，以增强标本的照明。一般地把聚光镜的聚光焦点设计在它上端透镜平面上方约处。（聚光焦点正在所要观察的标本上，载玻片的厚度为左右） 3、可变光阑 可变光阑也叫光圈，位于聚光镜的下方，由十几张金属薄片组成，中心部分形成圆孔。其作用是调节光强度和使聚光镜的数值孔径与物镜的数值孔径相适应。可变光阑开得越大，数值孔径越大（观察完毕后，应将光圈调至最大）。 在可变光阑下面，还有一个圆形的滤光片托架。 说明：在中学实验室只有教师用显微镜（1600×或1500×）才配有聚光器，学生用显微镜（640×或500×）配的是旋转光栏。紧贴在载物台下，能做圆周转动的圆盘，旋转光栏（也称为遮光器），光栏上有大小不等的圆孔，叫光圈。直径分别为2、3、6、12、16mm,转动旋转光栏，光栏上每个光圈都可以对正通光孔，通过大小不等的光圈来调节光线的强弱。 （四）反光镜 反光镜是一个可以随意转动的双面镜，直径为50mm，一面为平面，一面为凹面，其作用是将从任何方向射来的光线经通光孔反射上来。平面镜反射光线的能力较弱，是在光线较强时使用，凹面镜反射光线的能力较强，是在光线较弱时使用。 反光镜通常一面是平面镜，另一面是凹面镜，装在聚光器下面，可以在水平与垂直两个方向上任意旋转。 反光镜的作用是使由光源发出的光线或天然光射向聚光器。当用聚光器时一般用平面镜，不用时用凹面镜；当光线强时用平面镜，弱时用凹面镜。 观察完毕后，应将反光镜垂直放置。 （五）照明光源 显微镜的照明可以用天然光源或人工光源 1、天然光源 光线来自天空，最好是由白云反射来的。不可利用直接照来的太阳光。 2、人工光源 ①、对人工光源的基本要求：有足够的发光强度；光源发热不能过多。 ②、常用的人工光源：显微镜灯；日光灯 （六）滤光器 安装在光源和聚光器之间。作用是让所选择的某一波段的光线通过，而吸收掉其他的光线，即为了改变光线的光谱成分或削弱光的强度。分为两大类：滤光片和液体滤光器。 （七）盖玻片和载玻片 盖玻片和载玻片的表面应相当平坦，无气泡，无划痕。最好选用无色，透明度好的，使用前应洗净。 盖玻片的标准厚度是±，如不用盖玻片或盖玻片厚度不合适，都回影响成像质量。 载玻片的标准厚度是±，一般可用范围是1—，若太厚会影响聚光器效能，太薄则容易破裂。 二、显微镜的机械装置 显微镜的机械装置是显微镜的重要组成部分。其作用是固定与调节光学镜头，固定与移动标本等。主要有镜座、镜臂、载物台、镜筒、物镜转换器、与调焦装置组成。 （一）、镜座和镜臂 1、镜座 作用是支撑整个显微镜，装有反光镜，有的还装有照明光源。 2、镜臂 作用是支撑镜筒和载物台。分固定、可倾斜两种。 （二）、载物台（又称工作台、镜台） 载物台作用是安放载玻片，形状有圆形和方形两种，其中方形的面积为120mm×110mm。中心有一个通光孔，通光孔后方左右两侧各有一个安装压片夹用的小孔。分为固定式与移动式两种。有的载物台的纵横坐标上都装有游标尺，一般读数为，游标尺可用来测定标本的大小，也可用来对被检部分做标记。 （三）、镜筒 镜筒上端放置目镜，下端连接物镜转换器。分为固定式和可调节式两种。机械筒长（从目镜管上缘到物镜转换器螺旋口下端的距离称为镜筒长度或机械筒长）不能变更的叫做固定式镜筒，能变更的叫做调节式镜筒，新式显微镜大多采用固定式镜筒，国产显微镜也大多采用固定式镜筒，国产显微镜的机械筒长通常是160mm。 安装目镜的镜筒，有单筒和双筒两种。单筒又可分为直立式和倾斜式两种，双筒则都是倾斜式的。其中双筒显微镜，两眼可同时观察以减轻眼睛的疲劳。双筒之间的距离可以调节，而且其中有一个目镜有屈光度调节（即视力调节）装置，便于两眼视力不同的观察者使用。 （四）、物镜转换器 物镜转换器固定在镜筒下端，有3—4个物镜螺旋口，物镜应按放大倍数高低顺序排列。旋转物镜转换器时，应用手指捏住旋转碟旋转，不要用手指推动物镜，因时间长容易使光轴歪斜，使成像质量边坏。 （五）、调焦装置 显微镜上装有粗准焦螺旋和细准焦螺旋。有的显微镜粗准焦螺旋与装在同一轴上，大螺旋为粗准焦螺旋，小螺旋为细准焦螺旋；有的则分开安置，位于镜臂的上端较大的一对螺旋为是粗准焦螺旋，其转动一周，镜筒上升或下降10mm。 位于粗准焦螺旋下方较小的一对螺旋为细准焦螺旋，其转动一周，镜筒升降值为，细准焦螺旋调焦范围不小于。 三、显微镜及其部件的使用 1、使用单筒显微镜时，要养成用左眼观察的习惯（因一般用右手画图），观察时要两眼同时睁开，不要睁一只闭一只，因为这样易于疲劳。为了训练学生习惯于两眼同时睁开观察，可剪一块长约14cm，宽约6cm的长方形硬纸片，在靠近左端处挖一个直径比镜筒上端外径略小的圆孔，把圆孔套在镜筒上段，观察时两眼同时睁开，利用纸片的右端挡住右眼的视线，这样训练一段时间后，就能习惯于两眼同时睁开，然后把纸片去掉。 2、直筒显微镜的镜臂与镜座连接处，是一个机械关节，可用于调节镜筒的倾斜度，便于观察，镜臂不能过于后倾，一般不超过40°。但是在使用临时装片观察时，禁止使用倾斜关节（当镜筒倾斜时，载物台也随之倾斜，载玻片上的液体易流出），尤其是装片内含酸性试剂时严禁使用，以免污损镜体。 3、目镜和物镜的使用 一般都是用一个放大倍数适中的目镜（10×）和最低倍的物镜开始观察，逐步改用倍数较高的物镜，从中找到符合实验要求的放大倍数。 转换物镜时，先用低倍镜观察，调节到正确的工作距离（成像最清晰）。如果进一步使用高倍物镜观察，应在转换高倍物镜之前，把物像中需要放大观察的部分移至视野中央（将低倍物镜转换成高倍物镜观察时，视野中的物像范围缩小了很多）。低倍物镜和高倍物镜基本齐焦（同高调焦），在用低倍物镜观察清晰时，换高倍物镜应可以见到物像，但物像不一定很清晰，可以转动细准焦螺旋进行调节。 通常认为，使用任何一个物镜时，有效放大倍数的上限是1，000乘它的数值孔径，下限是250乘它的数值孔径。如40×物镜的数值孔径是，则上、下限分别为：1000×倍和250×≈163倍，超过有效放大倍数上限的叫做无效放大，不能提高观察效果。低于下限的放大倍数则人眼无法分辨，不利于观察。一般最实用的放大倍数范围是500—700乘数值孔径之间的数字。 4、油浸物镜的使用 使用油浸物镜时，一般不要使用同高调焦。同高调焦只适用于每台显微镜的原配物镜，在使用低倍和高倍物镜时，是一个极有利的方便条件，但在使用油浸物镜时，则受到一定限制，一般地说，用油镜观察未加盖玻片的标本片（载玻片）时，利用同高调焦的安全度较大，而对于有盖玻片的标本片，要小心使用，因为油浸物镜的工作距离很短，在设计和装配时所考虑的同高是对标准厚度盖玻片的。 用油浸物镜时，只在标本片上滴香柏油。观察完毕后，要及时进行清洁工作，如不及时进行，香柏油粘上灰尘，擦拭时灰尘粒子可能磨损透镜，香柏油在空气中暴露时间长，还会变稠、变干，擦拭很困难，对仪器很不利。擦拭要细心，动作要轻。油浸物镜前端先用干的擦镜纸擦一两次，把大部分油去掉，再用二甲苯滴湿的擦镜纸擦两次，最后再用干的擦镜纸擦一次。标本片上的香柏油可用“拉纸法”（即把一小张擦镜纸盖在香柏油上，然后在纸上滴一些二甲苯，趁湿把纸往外拉，这样连续三四次，即可干净，一般不会损坏未加盖玻片的涂片标本）擦净。擦镜纸也要防尘，一般在使用前，将每页剪成8小块，贮存在一个干净的小培养皿中，用起来既节省又方便。 5、聚光器的使用方法 ①、使用聚光器的原因 当放大倍数增加时，一方面由于放大倍数越高，透镜数目越多，被透镜吸收的光线也越多；另一方面由于视场（指的是所能看到被检标本的范围）的亮度与放大倍数的平方成反比，即放大倍数越高，视场越暗。为了得到足够的亮度，必须安装聚光器，把光线集中到所要观察的标本上。 ②、观察时聚光器应处的高度 观察时，要保证得到最好的观察效果，聚光器的聚光焦点应正好落在标本上。要实现这个条件，就必须调节聚光器的高度。当用平行光照明时，聚光器的聚光焦点是在它上端透镜平面中心上方约之处，因此，人们常常要求在观察时将聚光器上升到它上端透镜平面仅稍稍低于载物台平面的高度，这样聚光焦点就可能落到位于标准厚度载玻片上的标本上。当使用比标准厚度薄的载玻片来承放标本时，聚光器的位置要相应地降低一些，而当使用过厚地载玻片时，聚光焦点只能落在标本下方，不利于精细的观察。 ③、聚光器与物镜的配合 这里所谓的配合，就是使聚光器和物镜这两者的数值孔径取得一致，以更好的进行较为精细的观察。假如聚光器的数值孔径低于物镜，那物镜的部分数值孔径就浪费了，从而达不到它的最高分辨力。假如把聚光器的数值孔径大于物镜的数值孔径，则一方面不能提高物镜的规定分辨力，另一方面反会由于照明光束过宽，使物象的清晰度下降。聚光器与物镜配合的操作方法是：在完成照明、调焦操作后，取下目镜直接向镜筒中看，把聚光器下的可变光阑关到最小，再慢慢地开大。开到它的口径与所见视场的直径恰好一样大，然后按上目镜，即可进行观察。每转换一次物镜，都要随着进行依次这样的配合操作。有的聚光器可变光阑的边框上刻有表示开启口径的尺度，可以根据刻度来进行配合。 历史上显微镜的发明和显微镜的每一次创新都给人类的认知带来了飞跃式的发展；给人类的生活带来了空前的拓展。在提倡科技创新的今天，显微镜的使用已经成为中学生的一项基本技能，掌握结构，科学使用，良好维护，使之成为广大青少年探索未来世界的一个窗口。
G.伽利略在1609年，根据望远镜倒视有放大物体的效应，制成一台复合显微镜，并对昆虫进行了观察。英国物理学家R.胡克于1665年用自制的复合显微镜观察软木薄片，发现有许多蜂窝状小空室并称之为细胞(cell)。这个名词一直沿用至今。这张软木显微结构图，登载于1665年英国出版的《显微图谱》上。他还对鱼鳞、蜜蜂螫针、家蚕卵、家蝇的头和足以及跳蚤等进行了精细的描绘。意大利解剖学家M.马尔皮基开创了动物与植物的显微解剖工作。1660年他通过向蛙肺动脉注水的方法，发现有连接动脉与静脉的毛细血管，证实了W.哈维未能观察到的由毛细血管连接动、静脉的血液循环。他描述了肝脏的微细结构，舌的乳头突，大脑皮层，以及用他名字命名的肾小体和皮肤微细结构等。他对家蚕进行了显微解剖，发现同样具有复杂的微细结构。他关于家蚕的著作是无脊椎动物方面的第一本专著。他对不同的植物进行了比较研究，系统地描述了植物各部分的结构，指出单子叶植物与双子叶植物间的区别，以及虫瘿是由昆虫引起等。并且提出植物的各部分是由“小囊”（即细胞）组成的。他在植物解剖方面的许多精确绘图未能为当时的植物学家所理解，直到19世纪才被重新认识。英国植物学家N.格鲁在显微镜下发现植物叶面有气孔，它们可使植物体内的水分蒸发并吸入空气。他发现植物的组织是由多孔的小胞（即细胞）所组成，但他经 常描述的只是小胞的壁。他认识到花是植物的生殖器官，可区分为萼、花冠、雄蕊与雌蕊，并指出雌蕊、雄蕊和花粉分别相当于雌性器官和雄性器官，而且植物一般是雌雄同体的。他的著作《植物解剖》由M.马尔皮基译成拉丁文，流传了100多年后才有人做了一些重要补充。荷兰显微镜学家 列文虎克自制了许多性能优良的显微镜,最高的放大倍数达270倍。他通过大量细微的观察，解释并完善了M.马尔皮基提出的关于毛细血管系统的知识，证明动脉与静脉分别和毛细血管直接相连。他发现人和哺乳类的红细胞是无核的，而鸟类、两栖类、鱼类的红细胞是有核的；发现了人的精子，并研究了各种动物特别是鱼和蛙的受精作用；还发现了许多小的水生生物，如轮虫、水螅、纤毛虫等。还在19世纪显微镜改进之前，他首先看到并记述了细菌，实属难得。荷兰显微镜学家J.斯瓦默丹对不同类型的昆虫发育 做了许多研究。他的著作《昆虫志》、《蜉蝣的生活》 中有许多出色的显微解剖图，如昆虫的神经节，气管系 统等。他去世几十年后出版的《自然的圣经》是当时显微镜观察的最好著作，其中对蜜蜂内部器官、蚊子、蜻蜓发育的描述，都非常精确但由于复合显微镜的色差问题，使这方面的工作在其后的100多年内没有多大进展。
目的：运用原子力显微镜(AFM)表征3种DNA纯化试剂盒对DNA的纯化效果。方法：PCR扩增K562/A02细胞mdr1基因DNA,分别以3种不同的DNA纯化试剂盒对PCR产物进行纯化后，按终浓度为10 ng・μl-1固定在用1 ng・μl-1 L型多聚赖氨酸预先处理过的新剥离的云母片上，用AFM获取DNA扫描图像，分析评价3种DNA试剂盒对DNA的纯化效果。结果:用AFM成功表征3种纯化试剂盒纯化后DNA片段，获得了清晰的DNA图像。对3种DNA纯化试剂盒的纯化效果作出评价，建议其中的两种DNA纯化试剂盒的DNA纯化产物可用于AFM的DNA 分析。结论：用AFM表征DNA时对DNA的纯度要求较高。通过对3种DNA纯化试剂盒纯化效果的比较，为AFM观测DNA样本的纯化方法提供了较好的方案。〔关键词〕原子力显微镜;表征;脱氧核糖核酸;纯化Abstract：Objective To identificate purification effect of three kinds of DNA purification kits by atomic force microscopy(AFM).Methods Cultivateion and PCR technique was used to amplify K562/A02 cells with DNA of mdr1gene. The amplified products were purified by three kinds of DNA purification kits， a final concentration of 10 ng・μl -1 DNA samples were placed on a freshly cleaved mica treated by 1ng・μl -1 was used for the imaging of the three pieces of DNA Through AFM image analyzing, the purification effect of three kinds of DNA purification kits was evaluated, two kits can be used to purify DNA samples for AFM imaging. Conclusion The higher the purify of DNA sample used, the better the AFM image got. Two better purification schemes have been achieved for DNA imaging using AFM through comparing three kinds of DNA purification words：atomic force microscope ; identification；deoxyribonucleic acid; purification原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）是具有原子级分辨率的新一代显微镜，因其能够对DNA、蛋白质、磷脂生物膜、多糖等生物大分子以及有机化合物的形态及功能进行观察研究而引起了人们的广泛关注〔1〕。近十几年，运用AFM在固相载体表面研究DNA分子技术取得的巨大进步, 大大地增进了人们在分子层面上对DNA分子的了解〔25〕。AFM在样本制备上相对较容易，但用于DNA研究时，要想得到质量较高的DNA图像对DNA样品的纯度要求较高。我们选择了3种不同的DNA纯化试剂盒对K562/A02细胞株mdr1基因769bp DNA的PCR产物进行纯化后在相同条件下用AFM观测，通过比较，建议其中的两种可用于AFM的DNA样品的纯化。1 材料和方法 细胞培养K562/A02细胞株由中国医学科学院血液学研究所杨纯正、齐静老师惠赠。细胞接种于含10%小牛血清的RPMI 1640(Gibco/BRL公司产品)培养液，置于37℃、5%CO2培养箱中常规培养，2~3d传代1次，实验前无药培养两周。 DNA提取取对数生长期、终浓度2×105ml-1的K562/A02细胞3ml，以酚/氯仿法抽DNA后，加100μl TE缓冲液于-20℃保存。用紫外分光光度计定量，要求A260/A280≥。 PCR扩增从基因库中查得所需mdr1的基因序列号，引物根据基因库提供的基因全序列用
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高分辨率光学显微术在生命科学中的应用【摘要】 提高光学显微镜分辨率的研究主要集中在两个方面进行，一是利用经典方法提高各种条件下的空间分辨率，如用于厚样品研究的SPIM技术，用于快速测量的SHG技术以及用于活细胞研究的MPM技术等。二是将最新的非线性技术与高数值孔径测量技术（如STED和SSIM技术）相结合。生物科学研究离不开超高分辨率显微术的技术支撑，人们迫切需要更新显微术来适应时代发展的要求。近年来研究表明，光学显微镜的分辨率已经成功突破200nm横向分辨率和400nm轴向分辨率的衍射极限。高分辨率乃至超高分辨率光学显微术的发展不仅在于技术本身的进步，而且它将会极大促进生物样品的研究，为亚细胞级和分子水平的研究提供新的手段。【关键词】 光学显微镜；高分辨率；非线性技术；纳米水平在生物学发展的历程中显微镜技术的作用至关重要，尤其是早期显微术领域的某些重要发现，直接促成了细胞生物学及其相关学科的突破性发展。对固定样品和活体样品的生物结构和过程的观察，使得光学显微镜成为绝大多数生命科学研究的必备仪器。随着生命科学的研究由整个物种发展到分子水平，显微镜的空间分辨率及鉴别精微细节的能力已经成为一个非常关键的技术问题。光学显微镜的发展史就是人类不断挑战分辨率极限的历史。在400～760nm的可见光范围内，显微镜的分辨极限大约是光波的半个波长，约为200nm，而最新取得的研究成果所能达到的极限值为20～30nm。本文主要从高分辨率三维显微术和高分辨率表面显微术两个方面，综述高分辨率光学显微镜的各种技术原理以及近年来在突破光的衍射极限方面所取得的研究进展。1 传统光学显微镜的分辨率光学显微镜图像的大小主要取决于光线的波长和显微镜物镜的有限尺寸。类似点源的物体在像空间的亮度分布称为光学系统的点扩散函数(point spread function, PSF)。因为光学系统的特点和发射光的性质决定了光学显微镜不是真正意义上的线性移不变系统，所以PSF通常在垂直于光轴的x-y平面上呈径向对称分布，但沿z光轴方向具有明显的扩展。由Rayleigh判据可知，两点间能够分辨的最小间距大约等于PSF的宽度。根据Rayleigh判据，传统光学显微镜的分辨率极限由以下公式表示[1]：横向分辨率(x-y平面)：dx，y=■轴向分辨率(沿z光轴)：dz=■可见，光学显微镜分辨率的提高受到光波波长λ和显微镜的数值孔径等因素的制约；PSF越窄，光学成像系统的分辨率就越高。为提高分辨率，可通过以下两个途径：（1）选择更短的波长；（2）为提高数值孔径, 用折射率很高的材料。Rayleigh判据是建立在传播波的假设上的，若能够探测非辐射场，就有可能突破Rayleigh判据关于衍射壁垒的限制。2 高分辨率三维显微术在提高光学显微镜分辨率的研究中，显微镜物镜的像差和色差校正具有非常重要的意义。从一般的透镜组合方式到利用光阑限制非近轴光线，从稳定消色差到复消色差再到超消色差，都明显提高了光学显微镜的成像质量。最近Kam等[2]和Booth等[3]应用自适应光学原理，在显微镜像差校正方面进行了相关研究。自适应光学系统由波前传感器、可变形透镜、计算机、控制硬件和特定的软件组成，用于连续测量显微镜系统的像差并进行自动校正。 一般可将现有的高分辨率三维显微术分为3类：共聚焦与去卷积显微术、干涉成像显微术和非线性显微术。 共聚焦显微术与去卷积显微术 解决厚的生物样品显微成像较为成熟的方法是使用共聚焦显微术(confocal microscopy) [4]和三维去卷积显微术(three-dimensional deconvolution microscopy, 3-DDM) [5]，它们都能在无需制备样品物理切片的前提下，仅利用光学切片就获得样品的三维荧光显微图像。共聚焦显微术的主要特点是，通过应用探测针孔去除非共焦平面荧光目标产生的荧光来改善图像反差。共聚焦显微镜的PSF与常规显微镜的PSF呈平方关系，分辨率的改善约为■倍。为获得满意的图像，三维共聚焦技术常需使用高强度的激发光，从而导致染料漂白，对活生物样品产生光毒性。加之结构复杂、价格昂贵，从而使应用在一定程度上受到了限制。3-DDM采用软件方式处理整个光学切片序列，与共聚焦显微镜相比，该技术采用低强度激发光，减少了光漂白和光毒性，适合对活生物样品进行较长时间的研究。利用科学级冷却型CCD传感器同时探测焦平面与邻近离焦平面的光子，具有宽的动态范围和较长的可曝光时间，提高了光学效率和图像信噪比。3-DDM拓展了传统宽场荧光显微镜的应用领域受到生命科学领域的广泛关注[6]。 选择性平面照明显微术 针对较大的活生物样品对光的吸收和散射特性，Huisken[7]等开发了选择性平面照明显微术(selective plane illumination microscopy，SPIM)。与通常需要将样品切割并固定在载玻片上的方式不同，SPIM能在一种近似自然的状态下观察2～3mm的较大活生物样品。SPIM通过柱面透镜和薄型光学窗口形成超薄层光，移动样品获得超薄层照明下切片图像，还可通过可旋转载物台对样品以不同的观察角度扫描成像，从而实现高质量的三维图像重建。因为使用超薄层光，SPIM降低了光线对活生物样品造成的损伤，使完整的样品可继续存活生长，这是目前其他光学显微术无法实现的。SPIM技术的出现为观察较大活样品的瞬间生物现象提供了合适的显微工具，对于发育生物学研究和观察细胞的三维结构具有特别意义。 结构照明技术和干涉成像 当荧光显微镜以高数值孔径的物镜对较厚生物样品成像时，采用光学切片是一种获得高分辨3D数据的理想方法，包括共聚焦显微镜、3D去卷积显微镜和Nipkow 盘显微镜等。1997年由Neil等报道的基于结构照明的显微术，是一种利用常规荧光显微镜实现光学切片的新技术，并可获得与共聚焦显微镜一样的轴向分辨率。干涉成像技术在光学显微镜方面的应用1993年最早由Lanni等提出，随着I5M、HELM和4Pi显微镜技术的应用得到了进一步发展。与常规荧光显微镜所观察的荧光相比，干涉成像技术所记录的发射荧光携带了更高分辨率的信息。（1）结构照明技术：结合了特殊设计的硬件系统与软件系统，硬件包括内含栅格结构的滑板及其控制器，软件实现对硬件系统的控制和图像计算。为产生光学切片，利用CCD采集根据栅格线的不同位置所对应的原始投影图像，通过软件计算，获得不含非在焦平面杂散荧光的清晰图像，同时图像的反差和锐利度得到了明显改善。利用结构照明的光学切片技术，解决了2D和3D荧光成像中获得光学切片的非在焦平面杂散荧光的干扰、费时的重建以及长时间的计算等问题。结构照明技术的光学切片厚度可达，轴向分辨率较常规荧光显微镜提高2倍，3D成像速度较共聚焦显微镜提高3倍。（2）4Pi 显微镜：基于干涉原理的4Pi显微镜是共聚焦/双光子显微镜技术的扩展。4Pi显微镜在标本的前、后方各设置1个具有公共焦点的物镜，通过3种方式获得高分辨率的成像：①样品由两个波前产生的干涉光照明；②探测器探测2个发射波前产生的干涉光；③照明和探测波前均为干涉光。4Pi显微镜利用激光作为共聚焦模式中的照明光源，可以给出小于100nm的空间横向分辨率，轴向分辨率比共聚焦荧光显微镜技术提高4~7倍。利用4Pi显微镜技术，能够实现活细胞的超高分辨率成像。Egner等[8，9]利用多束平行光束和1个双光子装置，观测活细胞体内的线粒体和高尔基体等细胞器的精微细节。Carl[10]首次应用4Pi显微镜对哺乳动物HEK293细胞的细胞膜上离子通道类别进行了测量。研究表明，4Pi显微镜可用于对细胞膜结构纳米级分辨率的形态学研究。（3）成像干涉显微镜(image interference microscopy, I2M)：使用2个高数值孔径的物镜以及光束分离器，收集相同焦平面上的荧光图像，并使它们在CCD平面上产生干涉。1996年Gustaffson等用这样的双物镜从两个侧面用非相干光源（如汞灯）照明样品，发明了I3M显微镜技术(incoherent, interference, illumination microscopy, I3M），并将它与I2M联合构成了I5M显微镜技术。测量过程中，通过逐层扫描共聚焦平面的样品获得一系列图像，再对数据适当去卷积，即可得到高分辨率的三维信息。I5M的分辨范围在100nm内。 非线性高分辨率显微术 非线性现象可用于检测极少量的荧光甚至是无标记物的样品。虽有的技术还处在物理实验室阶段，但与现有的三维显微镜技术融合具有极大的发展空间。（1）多光子激发显微术：(multiphoton excitation microscope，MPEM)是一种结合了共聚焦显微镜与多光子激发荧光技术的显微术，不但能够产生样品的高分辨率三维图像，而且基本解决了光漂白和光毒性问题。在多光子激发过程中，吸收几率是非线性的[11]。荧光由同时吸收的两个甚至3个光子产生，荧光强度与激发光强度的平方成比例。对于聚焦光束产生的对角锥形激光分布，只有在标本的中心多光子激发才能进行，具有固有的三维成像能力。通过吸收有害的短波激发能量，明显地降低对周围细胞和组织的损害，这一特点使得MPEM成为厚生物样品成像的有力手段。MPEM轴向分辨率高于共聚焦显微镜和3D去卷积荧光显微镜。（2）受激发射损耗显微术：Westphal[12]最近实现了Hell等在1994年前提出的受激发射损耗(stimulated emission depletion, STED）成像的有关概念。STED成像利用了荧光饱和与激发态荧光受激损耗的非线性关系。STED技术通过2个脉冲激光以确保样品中发射荧光的体积非常小。第1个激光作为激发光激发荧光分子；第2个激光照明样品，其波长可使发光物质的分子被激发后立即返回到基态，焦点光斑上那些受STED光损耗的荧光分子失去发射荧光光子的能力，而剩下的可发射荧光区被限制在小于衍射极限区域内，于是获得了一个小于衍射极限的光点。Hell等已获得了28nm的横向分辨率和33nm的轴向分辨率[12,13]，且完全分开相距62nm的2个同类的分子。近来将STED和4Pi显微镜互补性地结合，已获得最低为28nm的轴向分辨率,还首次证明了免疫荧光蛋白图像的轴向分辨率可以达到50nm[14]。（3）饱和结构照明显微术：Heintzmann等[15]提出了与STED概念相反的饱和结构照明显微镜的理论设想，最近由Gustafsson等[16]成功地进行了测试。当光强度增加时，这些体积会变得非常小，小于任何PSF的宽度。使用该技术，已经达到小于50nm的分辨率。（4）二次谐波 (second harmonic generation, SHG)成像利用超快激光脉冲与介质相互作用产生的倍频相干辐射作为图像信号来源。SHG一般为非共振过程，光子在生物样品中只发生非线性散射不被吸收，故不会产生伴随的光化学过程，可减小对生物样品的损伤。SHG成像不需要进行染色,可避免使用染料带来的光毒性。因其对活生物样品无损测量或长时间动态观察显示出独特的应用价值，越来越受到生命科学研究领域的重视[17]。3 表面高分辨率显微术表面高分辨率显微术是指一些不能用于三维测量只适用于表面二维高分辨率测量的显微技术。主要包括近场扫描光学显微术、全内反射荧光显微术、表面等离子共振显微术等。 近场扫描光学显微术 近场扫描学光显微术(near-field scanning optical microscope, NSOM)是一种具有亚波长分辨率的光学显微镜。由于光源与样品的间距接近到纳米水平，因此分辨率由光探针口径和探针与样品之间的间距决定，而与光源的波长无关。NSOM的横向分辨率小于100nm，Lewis[18]则通过控制在一定针尖振动频率上采样，获得了小于10nm的分辨率。NSOM具有非常高的图像信噪比，能够进行每秒100帧图像的快速测量[19]，NSOM已经在细胞膜上单个荧光团成像和波谱分析中获得应用。 全内反射荧光显微术 绿色荧光蛋白及其衍生物被发现后，全内反射荧光(total internal reflection fluorescence，TIRF)技术获得了更多的重视和应用。TIRF采用特有的样品光学照明装置可提供高轴向分辨率。当样品附着在离棱镜很近的盖玻片上，伴随着全内反射现象的出现，避免了光对生物样品的直接照明。但因为波动效应，有小部分的能量仍然会穿过玻片与液体介质的界面而照明样品，这些光线的亮度足以在近玻片约100nm的薄层形成1个光的隐失区，并且激发这一浅层内的荧光分子[20]。激发的荧光由物镜获取从而得到接近100nm的高轴向分辨率。TIRF近来与干涉照明技术结合应用在分子马达步态的动力学研究领域, 分辨率达到8nm，时间分辨率达到100μs[21]。 表面等离子共振 表面等离子共振(surface plasmon resonance, SPR) [22]是一种物理光学现象。当入射角以临界角入射到两种不同透明介质的界面时将发生全反射，且反射光强度在各个角度上都应相同，但若在介质表面镀上一层金属薄膜后，由于入射光被耦合入表面等离子体内可引起电子发生共振，从而导致反射光在一定角度内大大减弱，其中使反射光完全消失的角度称为共振角。共振角会随金属薄膜表面流过的液相的折射率而改变，折射率的改变又与结合在金属表面的生物分子质量成正比。表面折射率的细微变化可以通过测量涂层表面折射光线强度的改变而获得。1992年Fagerstan等用于生物特异相互作用分析以来，SPR技术在DNA-DNA生物特异相互作用分析检测、微生物细胞的监测、蛋白质折叠机制的研究，以及细菌毒素对糖脂受体亲和力和特异性的定量分析等方面已获得应用[23]。当SPR信息通过纳米级孔道[24]传递而提供一种卓越的光学性能时，将SPR技术与纳米结构设备相结合，该技术的深入研究将有可能发展出一种全新的成像原理显微镜。【参考文献】[1] 汤乐民,丁 斐.生物科学图像处理与分析[M].北京:科学出版社,2005：205.[2] Kam Z, Hanser B, Gustafsson MGL, et adaptive optics for live three-dimensional biological imaging[J]. Proc Natl Acad Sci USA,2001,98:3790-3795.[3] Booth MJ, Neil MAA, Juskaitis R, et al. Adaptive aberration correction in a confocal microscope[J]. Proc Natl Acad Sci USA，2002, 99:5788-5792.[4] Goldman RD,Spector cell imaging a laboratory manual[J].Gold Spring Harbor Laboratory Press,2005.[5] Monvel JB,Scarfone E,Calvez SL,et deconvolution for three-dimensional deep biological imaging[J].Biophys,2003,85:3991-4001.[6] 李栋栋,郭学彬,瞿安连.以三维荧光反卷
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Abstract: The anatomy the section method and light microscope technology applying paraffins continously are carried out on soybean young seedling studies , aim at discussing the connection problem that the soybean young seedling organizes, Ye Jie area theory studying son. The experiment bear fruit is indicated: In soybean's entire cotyledon area part, existence having pith from the beginning to the end, this is on origin of upper marrow of angiosperm cotyledon, Zimmemaann's shifted theory has provided evidence beneficial to a portion to base. Therefore calling soybean young seedling son Ye Jie specially, area is to firmly move a type to base. Keywords: Micro technology of optics; Soybean; Young seedling; You Ye Jie area; The newborn thinking manages system;
过渡金属原子的kagome晶格，为在几何受挫和非平凡能带拓扑存在的情况下，研究电子关联提供了一个激动人心的平台，并不断带来惊喜，在高鸿钧院士/汪自强教授《Nature》超导领域新发现后，来自美国波斯顿学院的Ilija Zeljkovic等研究者 同一天 报道了使用光谱成像扫描隧道显微镜发现一个新的kagome超导体CsV3Sb5中不同的对称破缺电子态作为温度的函数级联。相关论文以题为“Cascade of correlated electron states in a kagome superconductor CsV3Sb5”发表在Nature上。
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由原子组成的量子固体排列在共享角三角形的晶格上(kagome晶格)是一个 探索 新的相关和拓扑电子现象的迷人游乐场。由于其固有的几何受挫，kagome系统预测具有一系列奇异的电子态，如键和电荷有序，自旋液相和手性超导等。到目前为止，大多数实验工作都集中在过渡金属kagome磁体上，例如Co3Sn2S2、FeSn和Fe3Sn2，其中不同形式的磁性主导了低温电子基态。在没有磁有序的情况下，电子关联在原则上有利于出现新的对称破缺电子态，但由于磁有序的趋势，这在许多现有的kagome材料中很难 探索 。
AV3Sb5 (A=K, Rb, Cs)，是最近发现的一类不呈现可分辨磁序的kagome金属。这类材料已经在非平凡的拓扑环境中显示出了不寻常的电子行为，比如巨大的异常霍尔响应，源自于巨大的贝里曲率，以及kagome系统中罕见的超导现象。理论表明，AV3Sb5的能带结构具有非平凡的拓扑不变量，并结合显现的超导性，在铁基高 T c超导体家族中与拓扑金属形成有趣的平行关系。由于费米能级附近的van Hove奇点和费米表面的准一维区域造成的态密度大，也为在kagome晶格上寻找难以捉摸的相关态提供了理想的场所。虽然理论预测了kagome晶格电子结构的空间对称破缺的许多可能性，但它们的实验实现一直具有挑战性。
在这里，研究者利用光谱成像扫描隧道显微镜(SI-STM)，在kagome超导体CsV3Sb5中发现了对称破缺相的级联与温度的函数关系，可检测为不同的电荷有序态和各向异性准粒子散射特征。这些相在正常状态下发展，并在超导 T c以下持续存在。实验证明，CsV3Sb5中的超导性，来自于本应破缺的旋转和平移对称的电子态，并与之共存。在远高于超导跃迁温度( T c~ K)的温度下，研究者揭示了一个具有2a0周期的三元电荷序，打破了晶格的平移对称性。当系统冷却到 T c时，研究者在费米能级上观察到一个显著的V型光谱缺口，并在超导跃变过程中持续破坏了六重旋转对称性。在微分电导图中，出现了额外的4a0单向电荷阶和强各向异性散射。后者可直接归因于钒kagome能带的轨道选择重正化。该实验揭示了可在kagome晶格上共存的复杂电子态，并提供了与高温超导体和扭曲双层石墨烯有趣的相似之处。
图1 表面表征。
图2 大尺度电子特性。
图3 低温下电荷有序。
图4 CsV3Sb5准粒子干涉(QPI)中旋转对称破缺的可视化研究。
未来的实验，应该通过更详细的温度、能量和掺杂相关的测量来解决不同相之间的竞争，同时也要寻找本征拓扑超导性和非平凡能带拓扑预计会出现的Majorana模式的证据。（文：水生）
编译 | 冯维维
Nature , 31 March 2022, Volume 603 Issue 7903
《自然》 2022年3月31日，第603卷，7903期
物理学 Physics
A highly magnified star at redshift
一颗红移的高度放大恒星
作者：Brian Welch, Dan Coe, Tom Broadhurst , etc.
链接：
摘要
星系团通过强引力透镜作用放大背景天体。透镜星系的典型放大倍数只有几倍，但也可以高达数十或数百倍，将星系拉伸成巨大的弧形。单个恒星可以获得更高的放大倍数，如果它们碰巧与透镜星团排列在一起。最近，人们发现了几颗红移在1到之间的恒星，它们被放大了数千倍。
作者报告了一颗更遥远、更持久的放大恒星在大爆炸后红移 亿年后的观测结果。这颗恒星被前景星系团透镜WHL0137-08（红移）放大了数千倍，这是由四个独立的透镜模型估计的。
他们将描述的这一天体称为埃兰迪尔（Earendel），来自一个意为“晨星”或“升起之光”的古英语词。引力透镜揭示出它可能是一个单星或双星系统。埃兰迪尔估计质量超过太阳的50倍。红移意为光在行进中的“拉伸”程度，可用于推断天体距离；数字越大，天体就越远（或在宇宙 历史 中越早）。过去观测到放大单星的红移较小，约为。
该恒星的温度、质量和光谱性质的确切细节尚不明确，作者希望詹姆斯•韦布望远镜或能在未来提供这些信息。
Abstract
Galaxy clusters magnify background objects through strong gravitational lensing. Typical magnifications for lensed galaxies are factors of a few but can also be as high as tens or hundreds, stretching galaxies into giant arcs. Inpidual stars can attain even higher magnifications given fortuitous alignment with the lensing cluster. Recently, several inpidual stars at redshifts between approximately 1 and have been discovered, magnified by factors of thousands, temporarily boosted by microlensing. Here we report observations of a more distant and persistent magnified star at a redshift of , 900 million years after the Big Bang. This star is magnified by a factor of thousands by the foreground galaxy cluster lens WHL0137–08 (redshift ), as estimated by four independent lens models. Unlike previous lensed stars, the magnification and observed brightness (AB magnitude, ) have remained roughly constant over years of imaging and follow-up. The delensed absolute UV magnitude, 10 2, is consistent with a star of mass greater than 50 times the mass of the Sun. Confirmation and spectral classification are forthcoming from approved observations with the James Webb Space Telescope.
Orbital-resolved visualization of single-molecule photocurrent channels
单分子光电流通道的轨道分辨显示
作者：Miyabi Imai-Imada, Hiroshi Imada, Kuniyuki Miwa, Yusuke Tanaka, Kensuke Kimura, Inhae Zoh, Rafael B. Jaculbia, Hiroko Yoshino, Atsuya Muranaka, Masanobu Uchiyama & Yousoo Kim
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摘要
光诱导电子转移（PET）因在光能利用方面的核心作用，已被广泛研究。尽管显微光电流测量方法使其过程效率与局部特征联系起来成为可能，但局部分辨率不足以在分子水平上解决这一问题。最近的工作表明，将扫描隧道显微镜（STM）与可调谐激光驱动的局部等离子体场相结合，可以有效地激发和探测单个分子。
作者通过探测电子从第一激发态穿过STM尖端的隧穿，直接以原子尺度分辨率可视化光电流通道通过一个自由基酞菁（FBPc）分子轨道。
他们发现光电流的方向和空间分布对偏压非常敏感，即使在平均光电流接近零的电压下也能探测到反向流动的光电流通道。相关观测结果表明，通过将耦合调节到激发态分子轨道，可以促进或抑制特定的光电流通道，从而为通过分子界面的原子尺度电子和几何工程提高能量转换效率提供了新的前景。
Abstract
Given its central role in utilizing light energy, photoinduced electron transfer (PET) from an excited molecule has been widely studied. However, even though microscopic photocurrent measurement methods have made it possible to correlate the efficiency of the process with local features, spatial resolution has been insufficient to resolve it at the molecular level. Recent work has, however, shown that single molecules can be efficiently excited and probed when combining a scanning tunnelling microscope (STM) with localized plasmon fields driven by a tunable laser. Here we use that approach to directly visualize with atomic-scale resolution the photocurrent channels through the molecular orbitals of a single free-base phthalocyanine (FBPc) molecule, by detecting electrons from its first excited state tunnelling through the STM tip. We find that the direction and the spatial distribution of the photocurrent depend sensitively on the bias voltage, and detect counter-flowing photocurrent channels even at a voltage where the averaged photocurrent is near zero. These observations suggest that specific photocurrent channels can be promoted or suppressed by tuning the coupling to excited-state molecular orbitals, and thus provide new perspectives for improving energy-conversion efficiencies by atomic-scale electronic and geometric engineering of molecular interfaces.
化学 Chemistry
Catalogue of flat-band stoichiometric materials
平带化学计量材料宝库
作者：Nicolas Regnault, Yuanfeng Xu, Ming-Rui Li, Da-Shuai Ma, Milena Jovanovic, Ali Yazdani, Stuart S. P. Parkin, Claudia Felser, Leslie M. Schoop, N. Phuan Ong, Robert J. Cava, Luis Elcoro, Zhi-Da Song & B. Andrei Bernevig
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摘要
费米能级附近或相当水平的拓扑电子扁平带是通向非常规超导和相关绝缘态的一条很有前途的途径。然而，相关的实验大多局限于工程材料，如摩尔系统。
作者提出了在费米水平附近的平坦带自然发生的三维化学计量材料的目录。他们将拓扑量子化学网站收录的55206种无机晶体结构数据库材料纳入考量，其中提供了它们的结构参数、空间群、能带结构、态密度和拓扑表征。
他们创建了Materials Flatband数据库网站，为未来的理论和实验研究提供了一个强大的搜索引擎，并利用数据库提取了2379种高质量平带材料的列表，从中确定了345种有希望的候选材料，这些材料可能拥有平面带，但电荷中心并不强烈地定位在原子位置上。
最终作者展示了五种具有代表性的材料，并利用平行工作中引入的S矩阵方法对它们在费米能附近的平坦带的起源提供了理论解释。
Abstract
Topological electronic flattened bands near or at the Fermi level are a promising route towards unconventional superconductivity and correlated insulating states. However, the related experiments are mostly limited to engineered materials, such as moiré systems. Here we present a catalogue of the naturally occuring three-dimensional stoichiometric materials with flat bands around the Fermi level. We consider 55,206 materials from the Inorganic Crystal Structure Database catalogued using the Topological Quantum Chemistry website, which provides their structural parameters, space group, band structure, density of states and topological characterization. We combine several direct signatures and properties of band flatness with a high-throughput analysis of all crystal structures. In particular, we identify materials hosting line-graph or bipartite sublattices—in either two or three dimensions—that probably lead to flat bands. From this trove of information, we create the Materials Flatband Database website, a powerful search engine for future theoretical and experimental studies. We use the database to extract a curated list of 2,379 high-quality flat-band materials, from which we identify 345 promising candidates that potentially host flat bands with charge centres that are not strongly localized on the atomic sites. We showcase five representative materials and provide a theoretical explanation for the origin of their flat bands close to the Fermi energy using the S-matrix method introduced in a parallel work.
Observing polymerization in 2D dynamic covalent polymers
观察二维动态共价聚合物的聚合
作者：Gaolei Zhan, Zhen-Feng Cai, Karol Strutyński, Lihua Yu, Niklas Herrmann, Marta Martínez-Abadía, Manuel Melle-Franco, Aurelio Mateo-Alonso & Steven De Feyter
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摘要：
结晶二维聚合物的质量与难以捉摸的聚合和结晶过程密切相关。在（亚）分子水平上理解这些过程的机理，对于改进预测合成和定制材料性能，以应用于催化和（光电子）等领域至关重要。
作者利用原位扫描隧道显微镜，对一种模型硼氧辛二维动态共价聚合物进行了表征，以实时和环境条件下揭示成核延伸过程的定性和定量细节。
序列数据分析可以观察到非晶向结晶的转变、核的时间依赖性演化、“非经典”结晶路径的存在，重要的是，可以通过实验精确地确定必要的结晶参数，包括临界核的大小，成核速率和生长速率。
Abstract
The quality of crystalline two-dimensional (2D) polymers is intimately related to the elusive polymerization and crystallization processes. Understanding the mechanism of such processes at the (sub)molecular level is crucial to improve predictive synthesis and to tailor material properties for applications in catalysis and (opto)electronics, among others. We characterize a model boroxine 2D dynamic covalent polymer, by using in situ scanning tunnelling microscopy, to unveil both qualitative and quantitative details of the nucleation–elongation processes in real time and under ambient conditions. Sequential data analysis enables observation of the amorphous-to-crystalline transition, the time-dependent evolution of nuclei, the existence of ‘non-classical’ crystallization pathways and, importantly, the experimental determination of essential crystallization parameters with excellent accuracy, including critical nucleus size, nucleation rate and growth rate.
生物和地球物理学 Biophysics & Geophysics
The colloidal nature of complex fluids enhances bacterial motility
复合液体的胶体性质增强了细菌的运动
作者：Shashank Kamdar, Seunghwan Shin, Premkumar Leishangthem, Lorraine F. Francis, Xinliang Xu & Xiang Cheng
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摘要
在人类微生物群落、海洋和土壤生态系统中，微生物的自然栖息地充满了胶体和大分子。这种环境表现出非牛顿流体性质，极大地影响微生物的运动。
作者发现鞭毛细菌在稀释的胶体悬浮液中表现出与稀释的聚合物溶液中显示出定量相似的运动行为，特别是普遍的颗粒大小相关的运动增强高达80%，并伴有对细菌摆动的强烈抑制。
由于胶体的硬球性质，其大小和体积分数在不同的实验中有所不同，该结果阐明了长期以来关于复杂流体中细菌运动性增强的争议，并表明聚合物动力学或非捕获这种现象的必要条件。
Abstract：
The natural habitats of microorganisms in the human microbiome, ocean and soil ecosystems are full of colloids and macromolecules. Such environments exhibit non-Newtonian flow properties, drastically affecting the locomotion of microorganisms. Here we show that flagellated bacteria in dilute colloidal suspensions display quantitatively similar motile behaviours to those in dilute polymer solutions, in particular a universal particle-size-dependent motility enhancement up to 80% accompanied by a strong suppression of bacterial wobbling. By virtue of the hard-sphere nature of colloids, whose size and volume fraction we vary across experiments, our results shed light on the long-standing controversy over bacterial motility enhancement in complex fluids and suggest that polymer dynamics may not be essential for capturing the phenomenon.
Assembly of the basal mantle structure beneath Africa
非洲地幔基底结构的组合
作者：Nicolas Flament, Ömer F. Bodur, Simon E. Williams & Andrew S. Merdith
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摘要
板块构造塑造了地球表面，并与地球内部深处的运动有关。寒冷的海洋岩石圈下沉到地幔中，热的地幔柱从地球深处升起，导致火山活动。过去亿年间的火山爆发与目前位于非洲和太平洋下面的地幔底部的两个大型结构有关。这导致了一种假设，即这些基底地幔结构在地质年代中一直是静止的。
与此相反的是，观测和模型表明，构造板块、俯冲带和地幔柱一直是活动的，而基底地幔结构目前正在变形。
作者重建了10亿年前到现在的地幔流动，以表明火山活动的 历史 在统计上与固定的基底地幔结构一致。在重建过程中，寒冷的岩石圈在740年到5亿年前深入非洲半球，从4亿年前开始，在冈瓦纳前后板块的推动下，非洲下面的结构逐渐组装起来，直到6000万年前才成为一个连贯的结构。
作者称地幔流动模型表明，基底地幔结构是可移动的，随着时间的推移会聚集和分散，类似于地球表面的大陆。其模型还预测了非洲地幔中大陆物质的存在，这与地球化学数据一致。
Abstract
Plate tectonics shapes Earth’s surface, and is linked to motions within its deep interior. Cold oceanic lithosphere sinks into the mantle, and hot mantle plumes rise from the deep Earth, leading to volcanism. Volcanic eruptions over the past 320 million years have been linked to two large structures at the base of the mantle presently under Africa and the Pacific Ocean. This has led to the hypothesis that these basal mantle structures have been stationary over geological time, in contrast to observations and models suggesting that tectonic plates, subduction zones and mantle plume have been mobile, and that basal mantle structures are presently deforming. Here we reconstruct mantle flow from one billion years ago to the present day to show that the history of volcanism is statistically as consistent with mobile basal mantle structures as with fixed ones. In our reconstructions, cold lithosphere sank deep into the African hemisphere between 740 and 500 million years ago, and from 400 million years ago the structure beneath Africa progressively assembled, pushed by peri-Gondwana slabs, to become a coherent structure as recently as 60 million years ago. Our mantle flow models suggest that basal mantle structures are mobile, and aggregate and disperse over time, similarly to continents at Earth’s surface. Our models also predict the presence of continental material in the mantle beneath Africa, consistent with geochemical data