細胞成像技術的案例
Sci》活細胞中鉀離子比例熒光成像的雙熒光傳感器
根據Benesi–Hildebrand圖K+滴定反應，探針的Kd值計算為137 mM，與150 mM范圍內的細胞內[K+]匹配。
接下來，作者與一組生物學相關的堿金屬，堿土金屬和過渡金屬相比，測試了PS525對K+的金屬選擇性（圖2c）。值得注意的是，即使對K+的親和力很低，PS525在相關的細胞內水平上對Na+的選擇性也比對Na+高出五倍，這預示它對下游生物學應用具有足夠的敏感性和選擇性。然后，作者測試了PS525和香豆素343對細胞內K +濃度（140 mM）附近K+的比率響應的敏感性（圖2d）。在80 mM至120 mM的范圍內，進行線性回歸分析以計算5.8 mM的檢出限。另外，PS525和香豆素343的pH敏感性測試證明了它們在生理pH下的可用性。
3.由PS525和香豆素343染料合成鉀比例傳感器1（RPS-1）的方法以及活細胞中K+水平的比例熒光成像
在確定PS525是選擇性和敏感的熒光K+敏感染料單元后，作者將2-(3H-[1,2,3]triazolo[4,5-b]pyridine-3-yl)-1,1,3,3-tetramethyluronium tetrafluoroborate (TATU) 作為碳酸鹽激活劑，通過將PS525與先前報道的香豆素synthon63酯化來合成RPS-1。作者測試了RPS-1的熒光響應和酯酶催化的水解。然后，將RPS-1用于通過共聚焦顯微鏡對細胞內K+池進行比例熒光成像，并考慮到PS525傳感單元能夠選擇性地對體外水性緩沖液中生物學相關濃度的K+水平做出反應。注意到，對K+不敏感的香豆素343的量子產率為0.02，與PS525部分相當，但在單獨的458 nm波長處被激發。在成像之前，首先將HeLa細胞與10μMRPS-1孵育，以確保探針攝取和酯酶裂解。
展開 江蘇省原子醫學研究所楊敏研究員/嚴駿杰副研究員課題組《CEJ》：解密脂肪族聚酰胺的熒光多樣性-合成，聚合誘導發光及細胞器成像
圖6 聚酰胺納米探針用于細胞器成像
當開環試劑選用1-甲基哌嗪，巰基封端試劑選用甲基丙烯酸叔丁酯時，所得兩親性脂肪族聚酰胺能自組裝成納米顆粒，并帶正電荷，能夠很好地富集在溶酶體用于細胞器特異性顯像（見圖6）。
綜上所述，硫代內酯化學豐富了脂肪族聚酰胺的合成途徑，通過改變酰胺間或與環境之間的分子間作用力實現了對脂肪族聚酰胺NTIL的調節，對現有NTIL理論的補充和擴展具有重要意義。論文的共同第一作者為江蘇省原子醫學研究所嚴駿杰副研究員和王辛宇副研究員，嚴駿杰副研究員和楊敏研究員為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學基金（No.22075114, 51803082, 31971316）、江蘇省“六大人才高峰”和江蘇省醫學創新團隊基金（CXTDA2017024）的支持。
論文鏈接
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132142
https://authors.elsevier.com/a/1dhdf4x7R2YoEZ
展開 懸浮成像技術與VR，Ansys Speos光學在手機背殼立體成像中的應用
為了實現手機外觀設計的差異化，各家廠商開始在手機背殼上越來越多地應用新型光學成像技術。當前，使用集成成像技術的懸浮成像技術開始被多家手機廠商應用于其高端型號的背板設計上。
懸浮成像技術，又稱空中成像技術，是一種通過特殊的光學裝置將圖像投射到空中，形成懸浮在空中的三維立體影像技術。作為一種全新的顯示和交互技術，懸浮成像技術的獨特魅力體現在其能夠在無實體接觸的情況下實現立體、真實的空中成像，并支持直觀的人機交互體驗。
近年來，在相關企業的積極推動下，搭載這一先進技術的產品正在逐步從實驗室走向市場，實現商業化落地。例如，部分智能座艙、懸浮精靈以及車載顯示產品已成功實現了規模化量產。但由于懸浮成像技術的設計和仿真難度，供應商通常要耗費比通常設計更多的時間成本和打樣次數來獲得理想的產品效果。因此，供應商們需要通過光學仿真軟件來實現最優的產品解決方案。
作為一款專業用于光學設計、環境與視覺模擬系統、成像應用的光學仿真軟件，Ansys Speos提供完美的可視化光學系統和直觀的人機交互平臺。基于三維模型CAD數據，Ansys Speos進行人眼視覺分析和人因環境評估，在產品設計階段對方案可行性進行驗證，在設計前期發現、反饋和處理問題，實現最優的產品解決方案。
基于此，7月18日，Ansys 系列網絡研討會將推出「Ansys 光學在手機背殼立體成像中的應用」主題。在本次研討會中，將介紹通過Ansys Speos搭建和仿真懸浮成像技術的方法，幫助設計者預測產品成像效果，定位設計錯誤，降低打樣次數從而降低設計成本。另外Ansys Speos 支持在VR頭顯中直接觀察懸浮成像效果，相比于普通屏幕，通過VR頭顯，設計者可以直接觀察到產品的懸浮效果，實現對設計更加高效的評估。
展開 光刻技術第7期 | 二維與三維矢量成像模型對比-零波像差雙遠心成像
面向生物芯片三維光刻場景，開發生物相容性材料適配的三維矢量模型，解決細胞載體三維圖形的高精度成型問題。探索模型在量子芯片三維量子點陣列光刻中的應用，實現亞納米級三維定位精度的預測與優化。
光刻技術第8期 | 二維與三維矢量成像模型對比-零波像差非雙遠心成像
當物鏡所成像不在無限遠處時，光線經過出瞳面后，其傳播方向在 z 軸上的方向余弦可以表示為：由橫向方向余弦（kx,ky）推導得出的平方根形式，具體會關聯到像面與出瞳面的位置參數（α?、α?、β?、β?）。
而在偏振光學的計算中，三維偏振光線矩陣與瓊斯矩陣之間，可通過入射光學系統的瓊斯矩陣（J）、入瞳面偏振矩陣（O?）、出瞳面偏振矩陣（O?）的運算來實現轉換。
先進技術與未來發展方向
面向3nm及以下節點，開發EUV非雙遠心適配模型，深化極紫外光與矢量光場耦合機制研究；結合Transformer架構與FPGA加速，實現毫秒級動態光場仿真，搭建數字孿生系統實時調整參數；跨場景拓展：拓展至生物芯片、量子芯片光刻，構建多材質適配模型，支撐全鏈路工藝優化。
展開 耶魯大學樊榮教授：做單細胞測序技術臨床轉化的拓荒者
隨之而來的問題是，如何通過進一步的細胞分型，使患者獲益率更高、承受的副作用更小？在細胞分型、基因表達中有著廣泛應用的單細胞測序技術為解決這一問題提供了選擇。那么，單細胞測序技術在CAR-T療法中的應用現狀怎樣？國內外該研究領域發展到何種程度？兩種技術的結合在精準醫療領域又有著怎樣的應用前景？為此，測序中國專訪了耶魯大學生物醫學工程系終身教授樊榮。樊榮教授是利用單細胞分析解析CAR-T細胞活性的專家，采訪中，樊榮教授帶我們重走了單細胞測序與CAR-T療法的強強聯合之路。
單細胞測序助攻CAR-T療法
2017年12月，《科學家》雜志（The Scientist）評選出了2017年度的十大醫療技術發明，其中位列榜首的是IsoPlexis公司的IsoCode芯片和IsoLight平臺。一個星期之后，FierceBiotech也授予其“2017年技術創新獎”。這套系統能夠同時捕獲成千上萬個單細胞的完整生物分子和功能信息，包括動態監測免疫T細胞以及分析患者個體的整體免疫功能特征，能夠更好地分析癌癥患者對免疫療法的治療反應，提早預測包括細胞免疫療法在內的抗癌免疫療效。憑借這項獨一無二的技術，IsoPlexis在2017年獲得了B輪1350萬美元融資。
樊榮教授，正是這項技術的發明者，同時他也是IsoPlexis的聯合創始人。
早在單細胞測序和免疫治療遠不似如今紅火時，樊榮教授便投身于此。2006年，在加州大學伯克利分校取得化學博士學位后，他來到加州理工學院進行博士后的深造。在與眾多合作者的交流探討中，他得知，腫瘤異質性正是該領域科研成果在臨床診療應用轉化中的一大阻礙。為了深入探究腫瘤細胞與微環境、免疫細胞之間交流的模式，樊榮教授全身新投入到研發新的單細胞分析技術中。“通過單細胞水平的檢測，預測腫瘤的發展趨勢，我們就有機會從整體水平上為患者制定更好的治療方案。”
展開 3D打印神經元細胞！康考迪亞大學發明激光誘導側轉移技術
導讀：加拿大康考迪亞大學研究人員開發了一種生物打印成體神經元細胞的新方法。他們正在使用一種新的激光輔助技術，可以保持高水平的細胞活力和功能。
研究人員開發了一種稱為激光誘導側轉移 (LIST) 的新生物打印技術，通過使用不同粘度的生物墨水改進現有的生物打印技術，從而實現更好的3D打印。在文章中，他們證明了該技術可成功打印感覺神經元，這是周圍神經系統的重要組成部分。他們表示，這有利于生物打印潛力的長期發展，包括疾病建模、藥物測試和植入物制造。
△圖1. 激光誘導神經元側向轉移 (LIST) 打印系統示意（A左）和生物油墨噴射（高速成像A右）。打印后1小時，帶有DRG神經元的液滴。比例尺 = 50 μM ( B , C )。
可行且實用
研究人員使用小鼠周圍神經系統的背根神經節 (DRG) 神經元來進行技術測試。神經元懸浮在生物墨水溶液中，并加載到生物相容性基材上方的方毛細管中。低能納秒激光脈沖聚焦在毛細管中部，產生微氣泡膨脹并將充滿細胞的微射流噴射到其下方的基底上。將樣品短暫孵育，然后洗滌并重新孵育48 小時。
△圖2. 生物打印不會影響DRG神經元的存活，但會減少神經突觸的生長。
然后，團隊進行了多次測試以測量打印細胞的容量。一項活力測定發現，打印兩天后，86%的細胞仍然存活。研究人員指出，當使用較低能量的激光時，存活率會提高。較高激光能量使用時，一些熱力學反應更可能損壞細胞。
△圖3. 打印過程對辣椒素引發的鈣內流的影響。
其他測試測量了神經突生長（其中發育中的神經元在響應指令時產生新的投射）、神經肽釋放、鈣成像和RNA測序。
展開 新型3D打印技術：將電子器件和細胞直接打印到皮膚上！
價值
（圖片來源：明尼蘇達大學）
Michael McAlpine 表示：“我們對于這種新型3D打印技術的潛力感到非常興奮，它采用便攜式、輕量、成本低于400美元的3D打印機。我們可以想象，一個士兵可以從背包中拿出這個打印機，將化學傳感器或者他們需要的其他電子產品直接打印到皮膚上。它就像一把未來的‘瑞士君刀’，他們所需要的所有東西都可以通過一個便攜式3D打印機工具實現。”
除了電子器件，這種新型3D打印技術也為其他許多應用鋪平了道路，包括給皮膚病患者打印細胞。McAlpine 的團隊與明尼蘇達大學治療罕見皮膚病的專家 Dean Jakub Tolar 展開合作，成功地采用一種生物墨水，在老鼠皮膚傷口上打印細胞，這將為皮膚病患者帶來更加先進的治療方法。
McAlpine 表示：“在皮膚上直接打印電子器件或者細胞的想法非常吸引我。這是一個如此簡單的想法，但是為未來許多重要應用來說具有無限的潛力。”
展開 光譜成像技術如何重塑視覺邊界？
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</figure><p><br></p><p><strong>（4）計算層析型（根據計算重建原理）</strong></p><p> 借用計算機斷層掃描的原理，與成像光譜技術相結合，探測目標數據立方體的一個投影或者多個投影方向的投影圖像，然后由這些投影圖像重建目標的光譜信息和空間圖像信息。<strong>在光譜與圖像的快速探測、無視場掃描、高通量、性能穩定等方面具有顯著特征，能夠對空間位置和光譜特性瞬時變化的二維目標進行光譜成像，得到目標的空間信息和光譜信息。但成本較高，技術復雜，圖像重建算法的理論和工程實現存在一定難度，目前的研究多數處于實驗室的仿真模擬和實驗階段。</strong>應用于動態場景檢測，如活體細胞代謝追蹤。
展開 機器人視覺三維成像技術全解析
摘要
本文針對智能制造領域機器人視覺感知中的三維視覺成像技術進行綜述,系統地總結了一些有代表性的機器人視覺成像方法的特點和實際應用中的局限性,內容涉及飛行時間三維成像、點線掃描三維成像、色散共焦成像、結構光投影三維成像、光學偏折成像、單目與多目立體視覺三維成像和光場成像等。繪制了各種視覺成像的圖譜,并探討了機器人手眼系統最佳三維成像方法。
在工業4.0時代，國家智能制造高速發展，傳統的編程來執行某一動作的機器人已經難以滿足現今的自動化需求。在很多應用場景下，需要為工業機器人安裝一雙眼睛，即機器人視覺成像感知系統，使機器人具備識別、分析、處理等更高級的功能，可以正確對目標場景的狀態進行判斷與分析，做到靈活地自行解決發生的問題。
一、機器視覺系統組成
典型的機器視覺系統可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運動控制部分。基于PC的視覺系統具體由如圖1所示的幾部分組成：
圖1 機器視覺系統組成
①工業相機與工業鏡頭——這部分屬于成像器件，通常的視覺系統都是由一套或者多套這樣的成像系統組成，如果有多路相機，可能由圖像卡切換來獲取圖像數據，也可能由同步控制同時獲取多相機通道的數據。根據應用的需要相機可能是輸出標準的單色視頻（RS-170/CCIR）、復合信號（Y/C）、RGB信號，也可能是非標準的逐行掃描信號、線掃描信號、高分辨率信號等。
②光源——作為輔助成像器件，對成像質量的好壞往往能起到至關重要的作用，各種形狀的LED燈、高頻熒光燈、光纖鹵素燈等都容易得到。
展開 結合神經干細胞技術，3D打印水凝膠植入物有望修復受損脊髓
3D打印植入物起到的作用是通過微通道結構，引導神經干細胞和軸突沿著脊髓損傷的長度生長。目前，這項研究已經開展了動物實驗，并展示出了良好的應用前景。
3D打印水凝膠脊椎植入物，圖片：UC San Diego。
填充神經干細胞的3D打印支架
在研究中使用的植入物是一種水凝膠結構，它是研究人員通過3D打印技術創建的模仿中樞神經系統結構的支架，它們可以通過3D打印技術快速制造成不同的尺寸和形狀，以適應患者脊髓損傷的精確解剖。
研究人員用神經干細胞填充3D打印植入物/支架，然后將它們像缺失的拼圖一樣裝入脊髓損傷部位。3D打印支架就像橋一樣，將脊髓損傷一端的再生軸突與另一端連接并對齊。神經軸突本身可以向任何方向擴散和再生，但是支架使軸突保持整齊，引導它們朝正確的方向生長以完成脊髓連接。
4厘米的3D打印脊椎植入物，圖片：UC San Diego。
植入物含有數十個微小的200微米寬的通道（人類頭發寬度的兩倍），該結構可引導神經干細胞和軸突沿著脊髓損傷的長度生長。
研究團隊開發的快速3D打印技術僅需1.6秒即可生成2毫米大小的植入物。 根據應用需要，這一快速3D打印技術還可以制造與人體脊椎結構尺寸相當的植入物。作為概念驗證，研究人員3D打印了4厘米大小的植入物，打印時間約為10分鐘。這些植入物是根據實際人體脊髓損傷部位的MRI掃描影像定制化設計的。
4厘米的3D打印脊椎植入物，圖片：UC San Diego。
在動物實驗中，研究人員將填充神經干細胞的3D打印植入物（2mm）移植到大鼠嚴重脊髓損傷部位。幾個月后，新的脊髓組織完全再生，并連接大鼠脊髓的切斷末端。經處理的大鼠后腿的運動功能有所改善。
展開 
光刻技術第4期 | 光刻成像理論
01/簡介
光刻成像理論的演進與物鏡NA發展緊密耦合。半導體工藝早期，光刻系統以低數值孔徑（NA<1）為特征，光的傳播與成像可通過標量光刻成像理論精準描述，其核心是將光場視為標量、忽略偏振特性，該簡化在低NA場景下誤差極小且能降低模型復雜度，為早期光刻技術產業化奠定理論基礎。
此階段技術研發圍繞“標量計算光刻成像RET”展開，基于瑞利-索末菲衍射模型等標量模型，結合光源優化、OPC等逆向算法，通過調整光源強度、修正掩模邊緣等補償光學鄰近效應，實現關鍵尺寸（CD）精準控制，例如90nm-45nm節點中，標量計算光刻通過添加SRAF拓寬工藝窗口，滿足當時芯片制造需求。
隨著工藝進入28nm及以下節點，為突破衍射極限，光刻系統采用高數值孔徑（NA>1）浸沒式設計，通過填充高折射率（n≈1.44）液體將有效NA提升至1.35以上。此時光的偏振特性影響不可忽略，高NA下光場在物鏡邊緣傳播方向與光軸夾角增大，不同偏振態光的衍射效率和傳播特性存在差異，標量理論“忽略偏振”的假設會導致成像誤差劇增，無法滿足CD均勻性要求，這一瓶頸直接推動光刻成像理論從“標量”向“矢量”范式轉換，矢量光刻成像理論隨之產生。
02/矢量成像模型
二維矢量光刻成像模型聚焦平面圖形的高保真成像，主要應用于邏輯芯片的二維關鍵圖形（如柵極、接觸孔陣列）。它在局部坐標系和全局坐標系下分別構建理論框架，局部坐標系以單個圖形單元為原點，可簡化局部光場計算，實現單個圖形 CD 均勻性與邊緣精度的精細優化；全局坐標系以整個曝光視場為基準，能分析全視場偏振像差的空間分布差異，實現全視場二維圖形成像均勻性的全局優化。
展開 一次生產10億CAR-T細胞，新型CRISPR技術，無需病毒載體高效插入超長DNA序列
CRISPR技術的出現顯著改變了基因編輯領域的格局，為科學家自由操縱基因提供了前所未有的簡便和高效。然而，目前CRISPR技術并非完美無缺，仍存在一定局限性，并面臨許多挑戰。
常規CRISPR技術通常依靠病毒載體來遞送到細胞中，但病毒載體往往成本高昂且耗費資源，因此，制造大量臨床級病毒載體一直是CRISPR技術臨床應用的主要瓶頸之一。此外，傳統病毒載體（慢病毒載體）在基因組中插入基因的位點具有隨機性，難以對其進行精準控制，因此具有潛在致癌性風險。
近日，美國加州大學舊金山分校的研究人員在 Nature Biotechnology 期刊發表題為：High-yield genome engineering in
primary cells using a hybrid ssDNA repair template and small-molecule cocktails 的研究論文。
該研究開發了一種改進型CRISPR-Cas9基因編輯技術，無需病毒載體即可非常高效地將長DNA序列精準引入細胞基因組的精確位置，實現比常規CRISPR技術高2-3倍的編輯效率。而且，能夠一次性產生高達10億個CAR-T細胞，這為下一代安全高效的基于CRISPR的細胞療法打開了新的大門。
在經典的CRISPR-Cas9基因編輯技術中，需要使用高濃度的雙鏈DNA（dsDNA）和Cas9靶序列來增強CRISPR介導的插入效率，但這可能對原代細胞產生較強的毒性。與之相對，單鏈DNA（ssDNA）對細胞的毒性較小，即使在相對較高的濃度下也是如此。
此外，為了克服常規CRISPR技術需要病毒載體的弊端，多年以來，研究團隊一直致力于將更長的DNA序列以一種不依賴病毒載體的方式插入到基因組中的特定位點，并實現更高效的基因編輯。
展開 光刻技術第5期 | 二維矢量光刻成像
01/簡介
光刻技術，作為半導體芯片制造的“靈魂工序”，直接決定芯片的制程精度與性能上限，更是全球半導體產業競爭的核心制高點。當制程節點邁入5nm及以下的精微領域，芯片關鍵尺寸已逼近原子級別，傳統標量成像理論因無法精準捕捉光的偏振特性對成像精度的影響，已難以滿足關鍵尺寸均勻性（CDU）的嚴苛要求，制程升級陷入瓶頸。
在此背景下，二維矢量光刻成像模型應勢而生，憑借對矢量光場與偏振像差的精準把控，成功突破衍射極限，成為先進邏輯芯片制造的核心技術支撐，為7nm、5nm乃至3nm制程的落地注入強勁動力，推動半導體產業實現跨越式發展。
矢量光刻成像模型
二維矢量光刻成像流程簡潔高效且精準可控，每一步都經過嚴苛的技術打磨：光源經定制化照明系統進行勻光、偏振調控后，均勻照射在高精度掩模上，掩模上的二維圖形會對入射光進行選擇性衍射；衍射出的光進入高數值孔徑物鏡系統后，系統會在入瞳與出瞳處通過特殊光學結構完成偏振態、相位及振幅的精準調控，濾除無效雜光，保留有效成像光；最終，經過調控的光在硅片像面精準匯聚，實現高保真成像。
整個過程中，掩模圖形的最終成像光強，由不同照明出瞳點照射形成的像光強疊加而成，這種疊加機制確保了即使在大視場曝光場景下，圖形的邊緣精度與內部均勻性也能得到雙重保障，有效避免了傳統光刻中“邊緣模糊、中心失真”的問題。
02/構造模型
1.物方衍射遠場：
采用傅里葉變換技術，將掩模表面復雜的光場分布轉化為物方衍射遠場Efar，分離不同偏振方向的光場分量特征。而近場光場的形成直接與入射照明光的偏振態有關，通過提前調控照明光偏振方向，可針對性強化關鍵圖形的光場信號。
展開 前沿進展 | 多焦點光場顯微成像技術
發表Nature Communications、IEEE TPAMI、TCI、NIPS、CVPR等SCI/EI論文100余篇；授權國家/國際發明專利70余項，獲得2018年紐倫堡國際發明展金獎 2 項，2022年日內瓦國際發明展金獎1項；獲2019年國家科技進步二等獎1項（第一完成人），2012年國家技術發明一等獎1項（第二完成人）。
吳嘉敏，清華大學自動化系助理教授，博士生導師，清華-IDG/麥戈文腦科學研究院，研究員。致力于計算成像、顯微儀器與跨尺度數據理解的交叉研究，提出了掃描光場成像原理與數字自適應光學架構，參與研制系列計算光場成像儀器，為系統性地研究哺乳動物在體大規模細胞間相互作用提供了利器。主持基金委優秀青年科學基金項目、面上項目、科技部顛覆性技術專項等，獲阿里巴巴達摩院青橙獎，入選亞太區TR35，近五年在Cell、Nature、Nature Photonics等期刊發表論文40余篇，授權發明專利30余項。
參考文獻
[1] Cong L, Wang Z, Chai Y, Hang W, Shang C, Yang W, et al. Rapid whole brain imaging of neural activity in freely behaving larval zebrafish ( Danio rerio).
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