自组装生物分子软物质材料及其物理特性

韩旭，薛斌，曹毅，王炜

物理学报, 2024, 73(17): 178103

DOI: 10.7498/aps.73.20240947

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摘要：自组装生物分子软物质材料是以生物分子或生物分子基元为构建单元，通过自组织过程形成的一类新型软物质材料。因其组成单元的生物特性和其中弱相互作用驱动组装的特征，这类材料通常具有高度生物相容性、可逆组装、动态响应和微结构可控性等优势，在生物医学、组织工程和柔性传感等领域中被广泛关注并得到了相关研发和应用。本文简要介绍自组装生物分子软物质材料的基本构建原理和物理特性，并以氨基酸、多肽分子等组装单元为例，对三类自组装生物分子软物质材料(纳米材料、凝胶材料和复合材料)的自组装分子机制、材料构建思路、力学特性和功能应用场景做了具体阐述。我们认为自组装生物分子软物质材料的研究，将从结构单元的发掘和相关特性的表征，向多功能性质定制与前端应用集成方向发展，从而研发出崭新的复合智能生物软物质材料，进一步促进其在生物医学、有机半导体和软体机器人等新兴领域中的应用。

基于实验室光源的透射X射线纳米分辨显微镜研制

廖可梁，何其利，宋杨，李荣刚，宋茂华，李盼云，赵海峰，刘鹏，朱佩平

物理学报, 2024, 73(17): 178701

DOI: 10.7498/aps.73.20240727

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摘要：透射X射线显微镜(transmission X-ray microscope，TXM)是高精密度的尖端X射线成像设备，是现代科学技术的结晶，可以在纳米尺度上进行无损成像，为物理学、生命科学、材料学和化学等领域的众多科学问题提供了有力的研究工具。虽然国内外很多同步辐射装置都建立了以TXM为核心的纳米CT实验站，但是目前国际上只有个别企业能提供商业化的实验室TXM。究其原因，主要是该仪器涉及众多高难度的工程技术问题，诸如：高亮度实验室X射线源、高分辨率X射线光学元器件、高精度样品台、高灵敏度探测器、仪器对温度和振动等环境因素的超高要求等。为了提高研发高端X射线成像仪器的水平，需要逐个突破在研发X射线纳米CT过程中遇到的技术瓶颈。本文主要讨论了工作能量为5.4 keV的实验室TXM的仪器设计，以及全场成像实验结果。该仪器工作在吸收衬度模式下，成像视野达到了26 μm，可以对30 nm线宽的特征结构实现清晰的成像，西门子星测试卡的功率谱曲线表明该仪器具有分辨半周期为28.6 nm线对结构的潜力。

有限多孔介质诱导活性哑铃的聚集行为

金燕，石子璇，金奕扬，田文得，张天辉，陈康

物理学报, 2024, 73(16): 160502

DOI: 10.7498/aps.73.20240784

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摘要：自然界的许多活性物质都处在复杂的环境中，例如动物群体穿过丛林、微生物在土壤中迁移、细菌被设计用于感知肿瘤的多孔环境等。活性物质在复杂环境中的行为是一个值得探究的课题，在生物物理、医疗工程、工业领域具有可观的应用意义。本文用活性哑铃代表细菌等具有形状各向异性的活性物质，采用郎之万动力学模拟，研究它们渗透有限多孔介质的行为。研究发现在低温和适当的活性力下，活性哑铃能在介质内外聚集并形成4种稳定的聚集结构。4种聚集结构分别是中空巨聚集、介质内中空聚集、密实巨聚集、介质内密实聚集。定向运动的持久性决定了活性哑铃的聚集程度。4种聚集结构的密度、极性序参量、热力学温度在介质内外的分布有明显的区别。本研究结果有助于进一步理解活性物质在复杂环境中的生命活动，为微流器件的设计、药物的输运等医学操作提供新的思路。

活性浴中惰性粒子形状对有效作用力的影响

宁鲁慧，张雪，杨明成，郑宁，刘鹏，彭毅

物理学报, 2024, 73(15): 158202

DOI: 10.7498/aps.73.20240650

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摘要：活性物质是典型的非平衡态系统，其组成单元能够利用自身存储的能量或者周围环境的能量实现自驱动。在活性系统中，物体间的受力情况直接影响其结构和动力学行为，因此深入了解物体间的有效作用力是理解活性物质一切复杂现象的基础。本文通过光镊显微镜实验分别研究了活性大肠杆菌溶液中惰性球形聚苯乙烯胶体粒子间和板状粒子间的有效作用力，发现球形粒子间有效作用力的性质一直是短程排斥力，而板状粒子间的有效作用力则为长程吸引力，这说明惰性粒子间的有效作用力受粒子形状的影响。惰性粒子间的有效作用力主要来源于两部分的贡献，即细菌-惰性粒子间的直接碰撞，以及细菌运动产生的流场。在实验上通过对比粒子之间、粒子外侧细菌的浓度和取向有序性发现，球形粒子间的有效排斥力主要来源于细菌-粒子的直接碰撞，而板状粒子间的长程吸引力则主要源于细菌流场的贡献。本文通过光镊显微镜实验证明了惰性粒子间的有效作用力与惰性粒子的几何构型有关，为调控活性物质中的动态自组装提供了实验支撑。

粗糙和光滑椭球胶体的受限扩散

梁建，王华光，张泽新

物理学报, 2024, 73(14): 148202

DOI: 10.7498/aps.73.20240559

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摘要：复杂受限环境中的扩散研究在凝聚态物理领域中备受关注。胶体体系的出现，为定量研究微观粒子的受限扩散提供了卓越的实验模型系统。当胶体粒子的形状由球形变为椭球形时，体系展现出各向异性的扩散动力学特性。近年来，研究者们发现粗糙表面能够诱发球形胶体体系异常的旋转动力学。然而，由于实验体系的局限性，粗糙表面对椭球形胶体粒子的受限扩散的影响依然知之甚少。本文建立了胶体受限扩散的模型体系，由粗糙圆球胶体构成受限环境，研究了粗糙和光滑椭球在其中的受限扩散。当圆球的堆积分数较低时，粗糙表面未发挥作用，因此光滑和粗糙椭球的平动和转动扩散相近。随着圆球堆积分数的增高，粗糙表面之间发生互锁，导致粗糙椭球的平动扩散明显慢于光滑椭球；随着堆积分数的进一步增高，由于粗糙表面产生的空间位阻效应，粗糙椭球的转动扩散也显著慢于光滑椭球。该工作表明粗糙表面会改变椭球的受限扩散，为揭示复杂环境中具有粗糙表面物质的扩散规律提供了实验依据。

面向单分子检测的纳米孔传感特异性增强技术

潘钦杰，赵灿东，陈琪，何毓辉，缪向水

物理学报, 2024, 73(10): 108702

DOI: 10.7498/aps.73.20240159

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摘要：目前，基于纳米孔的传感器已经成为了分析生物标志物的重要工具，包括但不限于核酸，蛋白质以及其他在生命活动中发挥重要作用的分子。作为一种创新的单分子检测技术，纳米孔传感本身并不具有特异性，通过表面官能化以及分子探针技术可以提升纳米孔传感对样本中的目标生物标志物的响应灵敏度。本文首先介绍了纳米孔传感的原理、分类，然后讨论了纳米孔表面改性的方法以及近年来纳米孔传感中待测分子特异性增强技术的发展和应用，特异性增强技术主要包含表面官能化以及分子探针两种形式，其中表面官能化以官能化分子类别分类，分子探针以载体形式分类。最后，本文总结了纳米孔传感仍然存在的若干挑战，并对纳米孔未来发展提出了若干建议。

基于数字微镜器件的快速超分辨晶格结构光照明显微研究

杨浩智，聂梦娇，马光鹏，曹慧群，林丹樱，屈军乐，于斌

物理学报, 2024, 73(9): 098702

DOI: 10.7498/aps.73.20240216

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摘要：超分辨结构光照明显微成像技术(super-resolution structured illumination microscopy，SR-SIM)具有时间分辨率高、光漂白和光毒性低和对荧光探针的要求少等优点，适用于活细胞的长时程超分辨成像。采用二维晶格结构光作为照明光，可以实现更快的成像速度和更低的光毒性，但同时也增加了系统的复杂性。为了解决此问题，本文提出了一种基于数字微镜器件的快速超分辨晶格结构光照明显微成像方法(digital micromirror device-based lattice SIM，DMD-Lattice-SIM)，通过同步分时触发DMD和sCMOS相机的方式实现二维正交晶格结构光的产生，且只需要采集5幅相移原始图像即可重构出超分辨图像，相比于传统SR-SIM需要9幅相移原始图像的方法，图像采集时间减少了约44.4%。同时，在基于空域和频域联合的SIM重构算法(joint space and frequency reconstruction method-SIM，JSFR-SIM)的基础上，本文还发展了用于Lattice-SIM的JSFR超分辨图像重构方法(Lattice-JSFR-SIM)，先在频域对原始图像进行预滤波处理；然后，在空域对滤波后的图像进行超分辨重构处理。与传统频域图像重构处理对比，该方法在512 ×512 像素数的成像视场下重构时间减少了约55.6%，对于实现活细胞实时超分辨成像具有重要意义和应用价值。

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