上海交通大学在单分子超快原子分辨成像上取得新进展

MEMS 2022-04-12 00:00
FUTURE | 远见 闵青云 选编

近期,上海交通大学张杰院士向导教授领导的课题组利用在基金委国家重大科研仪器研制项目资助下研发的兆伏特超快电子衍射装置,结合多束超快激光相干地操控分子,证明了一种可在不结晶的条件下实现单分子结构解析的方法,并获得0.7埃的分辨率;该工作以「Ultrafast isolated molecule imaging without crystallization」为题发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA》[PNAS, 119, e2122793119 (2022)]。实验中利用四束飞秒激光脉冲相干地操控分子使得分子在特定时间处于相同的取向(类似获得分子「晶体」),同时利用接近光速(0.99 c)的超短电子束成功测量到处于短暂的准直状态(时间窗口约100飞秒,1飞秒=10-15)的分子的衍射斑,再结合相干衍射成像技术反演出分子的实空间分布。



研究背景


过去100年里X射线晶体学在解析物质(尤其是生物大分子)三维结构方面取得了巨大成功,包括DNA双螺旋结构、核糖体、GPCR等。然而X射线晶体学一般要求高质量大尺寸的晶体;对于无法结晶的样品,尤其是孤立的单个分子(isolated single molecule),要获得其三维结构仍然面临极大的挑战。


研究创新点


超快单分子成像原理示意图


相干衍射成像(coherent diffraction imaging)技术可利用衍射斑反演得到不具备周期结构的样品分布。由于要求单次散射仅测量一个样品的信号,因此用于单分子成像时面临极大的技术挑战,即便利用目前自由电子激光大科学装置产生的超短超强X射线,仍然无法在与单分子进行散射时获得足够信噪比的信号。


传统的相干衍射成像技术之所以必须测量单个分子的衍射斑,是因为不结晶状态的多个分子的取向一般处于随机的分布,因而各个分子衍射斑的叠加会使得单个分子衍射斑的特征分布变得模糊。将多个分子的衍射斑叠加,尽管可以增强信号强度,但是却仅能获得原子间距的一维信息,无法用于三维结构重建。


事实上如果分子的取向相同,则每个分子都具有相同的衍射斑,多个分子信号叠加后仍然能够维持单个分子衍射斑中的特征分布;这样便可利用多个分子同时进行散射,实现了单分子散射的信号增强。


取向随机分布的分子和取向相同的分子及产生的衍射斑


超快激光与分子相互作用时可以改变分子的取向,本实验中利用4束超快激光相干地对二氧化碳分子进行操控,使得激光焦点的空间区域内的大量分子(约1012个分子,相比单个分子的信号提高约12个量级)在约100飞秒的时间窗口内处于近乎相同的取向,形成了瞬时的分子「晶体」。得益于兆伏特超快电子衍射装置的高时间分辨率,可以在这100飞秒的短暂时间内完成对准直的分子「晶体」进行衍射成像,并成功反演出二氧化碳的原子分布(线性分子,碳-氧间距为1.13埃,氧-氧间距为2.26埃),实现了0.7埃的原子级空间分辨。


利用四束超快激光提高分子的准直度;准直状态下的衍射斑及重建的分子分布


这项工作将相干衍射成像技术拓展到单分子的尺度,实现了一种新颖的单分子结构解析方法,该方法结合三维准直及分子降温技术后,有望应用于更复杂的生物大分子结构解析。此外,将分子准直后再开展泵浦-探测实验,可实现在分子坐标系下研究分子的动力学,有望比实验室坐标系下的研究获得更多的信息。


本工作主要由国家重点研发计划(No. 2021YFA1400202),国家自然科学基金(No. 11925505, 12005132, 11504232 and 11721091)和上海市科委重大项目 (No. 16DZ2260200) 资助,上海交通大学物理与天文学院博士生马卓然、助理研究员邹晓及博士后赵凌荣为文章共同第一作者,张杰向导为通讯作者。


论文链接:

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2122793119


MEMS 中国首家MEMS咨询服务平台——麦姆斯咨询(MEMS Consulting)
评论 (0)
  • 晶振在使用过程中可能会受到污染,导致性能下降。可是污染物是怎么进入晶振内部的?如何检测晶振内部污染物?我可不可以使用超声波清洗?今天KOAN凯擎小妹将逐一解答。1. 污染物来源a. 制造过程:生产环境不洁净或封装密封不严,可能导致灰尘和杂质进入晶振。b. 使用环境:高湿度、温度变化、化学物质和机械应力可能导致污染物渗入。c. 储存不当:不良的储存环境和不合适的包装材料可能引发化学物质迁移。建议储存湿度维持相对湿度在30%至75%的范围内,有助于避免湿度对晶振的不利影响。避免雨淋或阳光直射。d.
    koan-xtal 2025-04-28 06:11 155浏览
  • 在智能硬件设备趋向微型化的背景下,语音芯片方案厂商针对小体积设备开发了多款超小型语音芯片方案,其中WTV系列和WT2003H系列凭借其QFN封装设计、高性能与高集成度,成为微型设备语音方案的理想选择。以下从封装特性、功能优势及典型应用场景三个方面进行详细介绍。一、超小体积封装:QFN技术的核心优势WTV系列与WT2003H系列均提供QFN封装(如QFN32,尺寸为4×4mm),这种封装形式具有以下特点:体积紧凑:QFN封装通过减少引脚间距和优化内部结构,显著缩小芯片体积,适用于智能门铃、穿戴设备
    广州唯创电子 2025-04-30 09:02 288浏览
  • 文/Leon编辑/cc孙聪颖‍2023年,厨电行业在相对平稳的市场环境中迎来温和复苏,看似为行业增长积蓄势能。带着对市场向好的预期,2024 年初,老板电器副董事长兼总经理任富佳为企业定下双位数增长目标。然而现实与预期相悖,过去一年,这家老牌厨电企业不仅未能达成业绩目标,曾提出的“三年再造一个老板电器”愿景,也因市场下行压力面临落空风险。作为“企二代”管理者,任富佳在掌舵企业穿越市场周期的过程中,正面临着前所未有的挑战。4月29日,老板电器(002508.SZ)发布了2024年年度报告及2025
    华尔街科技眼 2025-04-30 12:40 239浏览
  • 在CAN总线分析软件领域,当CANoe不再是唯一选择时,虹科PCAN-Explorer 6软件成为了一个有竞争力的解决方案。在现代工业控制和汽车领域,CAN总线分析软件的重要性不言而喻。随着技术的进步和市场需求的多样化,单一的解决方案已无法满足所有用户的需求。正是在这样的背景下,虹科PCAN-Explorer 6软件以其独特的模块化设计和灵活的功能扩展,为CAN总线分析领域带来了新的选择和可能性。本文将深入探讨虹科PCAN-Explorer 6软件如何以其创新的模块化插件策略,提供定制化的功能选
    虹科汽车智能互联 2025-04-28 16:00 206浏览
  • 网约车,真的“饱和”了?近日,网约车市场的 “饱和” 话题再度引发热议。多地陆续发布网约车风险预警,提醒从业者谨慎入局,这背后究竟隐藏着怎样的市场现状呢?从数据来看,网约车市场的“过剩”现象已愈发明显。以东莞为例,截至2024年12月底,全市网约车数量超过5.77万辆,考取网约车驾驶员证的人数更是超过13.48万人。随着司机数量的不断攀升,订单量却未能同步增长,导致单车日均接单量和营收双双下降。2024年下半年,东莞网约出租车单车日均订单量约10.5单,而单车日均营收也不容乐
    用户1742991715177 2025-04-29 18:28 237浏览
  • 4月22日下午,备受瞩目的飞凌嵌入式「2025嵌入式及边缘AI技术论坛」在深圳深铁皇冠假日酒店盛大举行,此次活动邀请到了200余位嵌入式技术领域的技术专家、企业代表和工程师用户,共享嵌入式及边缘AI技术的盛宴!1、精彩纷呈的展区产品及方案展区是本场活动的第一场重头戏,从硬件产品到软件系统,从企业级应用到高校教学应用,都吸引了现场来宾的驻足观看和交流讨论。全产品矩阵展区展示了飞凌嵌入式丰富的产品线,从嵌入式板卡到工控机,从进口芯片平台到全国产平台,无不体现出飞凌嵌入式在嵌入式主控设备研发设计方面的
    飞凌嵌入式 2025-04-28 14:43 171浏览
  • 贞光科技代理品牌紫光国芯的车规级LPDDR4内存正成为智能驾驶舱的核心选择。在汽车电子国产化浪潮中,其产品以宽温域稳定工作能力、优异电磁兼容性和超长使用寿命赢得市场认可。紫光国芯不仅确保供应链安全可控,还提供专业本地技术支持。面向未来,紫光国芯正研发LPDDR5车规级产品,将以更高带宽、更低功耗支持汽车智能化发展。随着智能网联汽车的迅猛发展,智能驾驶舱作为人机交互的核心载体,对处理器和存储器的性能与可靠性提出了更高要求。在汽车电子国产化浪潮中,贞光科技代理品牌紫光国芯的车规级LPDDR4内存凭借
    贞光科技 2025-04-28 16:52 284浏览
  •  探针台的维护直接影响其测试精度与使用寿命,需结合日常清洁、环境控制、定期校准等多维度操作,具体方法如下:一、日常清洁与保养1.‌表面清洁‌l 使用无尘布或软布擦拭探针台表面,避免残留清洁剂或硬物划伤精密部件。l 探针头清洁需用非腐蚀性溶剂(如异丙醇)擦拭,检查是否弯曲或损坏。2.‌光部件维护‌l 镜头、观察窗等光学部件用镜头纸蘸取wu水jiu精从中心向外轻擦,操作时远离火源并保持通风。3.‌内部防尘‌l 使用后及时吹扫灰尘,防止污染物进入机械滑
    锦正茂科技 2025-04-28 11:45 121浏览
  • 你是不是也有在公共场合被偷看手机或笔电的经验呢?科技时代下,不少现代人的各式机密数据都在手机、平板或是笔电等可携式的3C产品上处理,若是经常性地需要在公共场合使用,不管是工作上的机密文件,或是重要的个人信息等,民众都有防窃防盗意识,为了避免他人窥探内容,都会选择使用「防窥保护贴片」,以防止数据外泄。现今市面上「防窥保护贴」、「防窥片」、「屏幕防窥膜」等产品就是这种目的下产物 (以下简称防窥片)!防窥片功能与常见问题解析首先,防窥片最主要的功能就是用来防止他人窥视屏幕上的隐私信息,它是利用百叶窗的
    百佳泰测试实验室 2025-04-30 13:28 388浏览
  • 文/郭楚妤编辑/cc孙聪颖‍越来越多的企业开始蚕食动力电池市场,行业“去宁王化”态势逐渐明显。随着这种趋势的加强,打开新的市场对于宁德时代而言至关重要。“我们不希望被定义为电池的制造者,而是希望把自己称作新能源产业的开拓者。”4月21日,在宁德时代举行的“超级科技日”发布会上,宁德时代掌门人曾毓群如是说。随着宁德时代核心新品骁遥双核电池的发布,其搭载的“电电增程”技术也走进业界视野。除此之外,经过近3年试水,宁德时代在换电业务上重资加码。曾毓群认为换电是一个重资产、高投入、长周期的产业,涉及的利
    华尔街科技眼 2025-04-28 21:55 182浏览
  • 浪潮之上:智能时代的觉醒    近日参加了一场课题的答辩,这是医疗人工智能揭榜挂帅的国家项目的地区考场,参与者众多,围绕着医疗健康的主题,八仙过海各显神通,百花齐放。   中国大地正在发生着激动人心的场景:深圳前海深港人工智能算力中心高速运转的液冷服务器,武汉马路上自动驾驶出租车穿行的智慧道路,机器人参与北京的马拉松竞赛。从中央到地方,人工智能相关政策和消息如雨后春笋般不断出台,数字中国的建设图景正在智能浪潮中徐徐展开,战略布局如同围棋
    广州铁金刚 2025-04-30 15:24 231浏览
  • 一、gao效冷却与控温机制‌1、‌冷媒流动设计‌采用低压液氮(或液氦)通过毛细管路导入蒸发器,蒸汽喷射至样品腔实现快速冷却,冷却效率高(室温至80K约20分钟,至4.2K约30分钟)。通过控温仪动态调节蒸发器加热功率,结合温度传感器(如PT100铂电阻或Cernox磁场不敏感传感器),实现±0.01K的高精度温度稳定性。2、‌宽温区覆盖与扩展性‌标准温区为80K-325K,通过降压选件可将下限延伸至65K(液氮模式)或4K(液氦模式)。可选配475K高温模块,满足材料在ji端温度下的性能测试需求
    锦正茂科技 2025-04-30 13:08 298浏览
  • 随着电子元器件的快速发展,导致各种常见的贴片电阻元器件也越来越小,给我们分辨也就变得越来越难,下面就由smt贴片加工厂_安徽英特丽就来告诉大家如何分辨的SMT贴片元器件。先来看看贴片电感和贴片电容的区分:(1)看颜色(黑色)——一般黑色都是贴片电感。贴片电容只有勇于精密设备中的贴片钽电容才是黑色的,其他普通贴片电容基本都不是黑色的。(2)看型号标码——贴片电感以L开头,贴片电容以C开头。从外形是圆形初步判断应为电感,测量两端电阻为零点几欧,则为电感。(3)检测——贴片电感一般阻值小,更没有“充放
    贴片加工小安 2025-04-29 14:59 257浏览
  • 一、智能家居的痛点与创新机遇随着城市化进程加速,现代家庭正面临两大核心挑战:情感陪伴缺失:超60%的双职工家庭存在“亲子陪伴真空期”,儿童独自居家场景增加;操作复杂度攀升:智能设备功能迭代导致用户学习成本陡增,超40%用户因操作困难放弃高阶功能。而WTR096-16S录音语音芯片方案,通过“语音交互+智能录音”双核驱动,不仅解决设备易用性问题,更构建起家庭成员间的全天候情感纽带。二、WTR096-16S方案的核心技术突破1. 高保真语音交互系统动态情绪语音库:支持8种语气模板(温柔提醒/紧急告警
    广州唯创电子 2025-04-28 09:24 192浏览
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦