- Информация о материале
- Автор: Константин
- Категория: Новости
- Просмотров: 9
Физики усовершенствовали электронный микроскоп, чтобы биологи в деталях видели мелкие белки
изикам долго не удавалось применить фазовый контраст в электронной микроскопии. Оказалось, что нужно было прекратить искать подходящее вещество для фазовой пластины и обратить внимание на лазеры.
Когда оптические микроскопы стали давать достаточное увеличение, чтобы в них были видны отдельные клетки, исследователи столкнулись с проблемой низкой контрастности. Клетки животных и растений в основном прозрачны для видимого света. Маленькие клеточные структуры, ядра и митохондрии, рассеивают небольшое количество света, что делает их лишь немного темнее остального содержимого клетки. Этот низкий контраст обычно улучшают предварительным окрашиванием биологического материала, хотя оно сильно меняет клетку.
Проблему низкого контраста решил Фриц Цернике, предложив фазовую пластину, за что получил Нобелевскую премию. Он понял, что свет, рассеиваясь на клетке, не только теряет яркость (амплитуду), но и замедляется, меняется его фаза. Человеческому глазу фазовый сдвиг невидим, но можно заставить его проявиться, если сдвинуть фазу нерассеянного света на 90 градусов.
Когда рассеянный и нерассеянный свет фокусируются на сетчатке и взаимодействуют, световые волны усиливают или гасят друг друга. Так детали образца становятся видны лучше, повышается контрастность. Чтобы использовать этот эффект, ученый добавил в микроскоп фазовую пластину. Эта деталь поворачивает фазу света, прошедшего через образец без рассеяния.
Сейчас биологи используют уже электронные микроскопы для исследования мелких структур внутри клетки. Этот прибор направляет на образец не фотоны, а электроны. Но и в этой микроскопии проявилась проблема контраста. Причем сделать для электронного микроскопа аналог фазовой пластины долго не получалось — когда экспериментаторы меняли фазу электронного пучка, то попутно слишком сильно уменьшали его интенсивность, делали изображения нестабильными или снижали его разрешение.
Физики Калифорнийского университета в Беркли (США) нашли способ повысить контраст изображений настолько, что стали четко видны небольшие человеческие белки, такие как гемоглобин. Для этого потребовалось больше 10 лет исследований и мощный лазер с высокой точностью фокусировки. Статья о разработке опубликована в журнале Science.
Ученые сосредоточились на криоэлектронной микроскопии и криоэлектронной томографии — методах, работающих при высоком увеличении для сильно охлажденного образца. Большинство белков человека и животных без усиления контраста слишком малы для анализа этими методами.
Чтобы решить проблему, физики добавили на место пластины лазерное излучение. Они сфокусировали непрерывный луч лазера в пятно размером несколько микрон и мощностью 75 киловатт. В точке пересечения с пучком электронов лазерное излучение сдвигает фазу на 90 градусов благодаря накопленной энергии.
В статье исследователи показали восстановленные изображения фермента альдолазы, который относительно легко визуализировать, и гемоглобина — белка, переносящего кислород в крови, — который виден на пределе возможностей современных приборов. Лазерная фазовая пластина улучшила разрешение структуры белка в обоих случаях, но особенно для меньшей молекулы — гемоглобина.
Молекулярную массу белка измеряют в дальтонах. Современная криоэлектронная микроскопия с трудом визуализирует белки меньше 70 килодальтон, а они составляют около 90 процентов от всех белков организма человека. Авторы статьи считают, что с лазерной фазовой пластиной стало возможно рассматривать белки размером до 50 килодальтон, а это уже половина белков человека. Они надеются довести разрешение до размеров миоглобина — около 17 килодальтон.
«Это дополнение к криоэлектронной микроскопии может заполнить огромный пробел в наших знаниях о структурах белков, которые невозможно кристаллизовать или которые слишком малы для современного состояния техники. А для криоэлектронной томографии это будет революцией», — рассказал Хольгер Мюллер (Holger Müller), профессор физики Калифорнийского университета в Беркли (США), который руководил разработкой.
Исследователи считают, что такая точность может качественно изменить наше понимание механизмов возникновения и протекания болезней.
- Информация о материале
- Автор: Константин
- Категория: Новости
- Просмотров: 36
Российский рынок электроники СВЧ Новости Разработка
Инженеры РТУ МИРЭА создали новый способ генерации сверхширокополосных радиосигналов, намеренно предназначенный для включения обычного усилителя для работы в режиме перегрузки. Специально вызванные воздействия сигнала позволяют расширить его спектр более чем в 20 раз и с беспрецедентной силой «видеть» движение легких рук.
«Это путь к созданию невероятно надежных бесконтактных интерфейсов для умной медицины, промышленной автоматизации и реальности реальности, где беспроводные беспроводные камеры из-за дыма, пыли или плохого освещения», — сообщили представители РТУ МИРЭА.
Представьте себе: вы управляете дроном или используете устройство реальности с легким движением кисти, но камеры за вами не следят, и никакие перчатки не сковывают пальцы. Вместо этого пространство вокруг сканирует невидимый радиолуч. Именно над такой ситуацией будущего работают научные кафедры радиоволновых технологий и технологий РТУ МИРЭА. И они нашли изящный способ сделать «радар для жестов», одновременно более изысканный, простой и дешевый.
«Мы доказали, что режим переходных преобразований в СШП-усилителе — это не дефект нового метода синтеза радиовизионного сигнала, — сказал Михаил Костин, доктор технических наук, заведующий кафедрой радиоволновых процессов и технологий РТУ МИРЭА. — При этом каждый экземпляр усилителя ведет себя уникально, как отпечаток пальца, что позволяет создавать каскады с уникальными спектральными характеристиками. Мы уже добились повторяемости жестов не менее 94%, что подтвердило метод корреляции для каждой системы управления, где цена ошибки высока».
Обычно для получения сверхширокополосного сигнала используются сложные и дорогие высоковольтные генераторы. Команда РТУ МИРЭА поступила иначе, применив эффект, к которому инженеры обычно прибегают, — нелинейные инвестиции. Если подать на вход стандартного интегрального усилителя SBB5089Z видимый сигнал на поворот частоты, он начинает «задыхаться» — срезать вершины синусоид и превращать их в импульсы резкими фронтами. Чем резче фронт, тем шире спектр сигнала.
«В нашей работе мы сознательно перегружаем сверхширокополосный усилитель, переводя его в режим насыщения. В этот момент обычный сигнал трансформируется в гармонию по звучанию крутых импульсов. «Мы не боремся с изменениями, а использовать их как инструмент для синтеза сверхширокого излучения», — сказал Кирилл Латышев, старший преподаватель кафедры радиоволновых процессов и технологий Института радиоэлектроники и информатики РТУ МИРЭА. — Это как если бы вы специально перегрузили гитарный усилитель, чтобы получить самое «грязное» роковое звучание. Только в нашем случае эта «грязь» несет в себе в пользу сверхширокополосный сигнал для более точного определения определения руки».
Проверив идею на киберфизическом стенде, ученые могут добиться прогресса от волны с 47 МГц до впечатляющих 900 МГц. Такой сигнал, излучаемый антенной Вивальди, отражается от рук человека, и в форме системы «отклика» безошибочно различается вращение щетки для сжатия или пролистывания страницы. В тестах на точность четырех разных жестов результат достиг более 96% — почти идеальный показатель.
Константин Бойков, доктор технических наук, профессор кафедры радиоволновых технологий и технологий РТУ МИРЭА, добавил, что открывающиеся взгляды выходят далеко за рамки управления дронами или VR-гарнитурами. «Реабилитация пациентов с нарушениями моторики, бесконтактные интерфейсы в «чистых комнатах» при сборке микроэлектроники или «умный дом», которые понимают нас с полуслова — вернее, с полужеста — вот где действительно требовались такая надежность и невысокие радиовизорные датчики. Предложенный нами метод низковольтной нелинейной спектральной насыщенности — это шаг к тому, чтобы сделать радиовидение столь же привычным для повседневных гаджетов, как сегодняшняя камера смартфона».
Уникальность разработки в том, что она превращает стандартную микросхему в компактный, энергоэффективный источник сложного сигнала без усложнения схемотехники. Это означает, что технология готова к массовому внедрению в переносную электронику, интерактивные панели или бытовую робототехнику. Особенно важно, что радиоволны не боятся преграда. В отличие от видеокамер или лидаров, такая система работает в темноте, несмотря на задымление и даже через ткань перегородки. Жесткое сжатие сжатия, например, показало стабильность выше 0,9 даже при потере входящих данных.
https://russianelectronics.ru/