导读： 酶的热效应对于研究生命现象、生理特征具有重要的价值。生命活动受到各种各样的生物酶调控，研究酶促反应过程中的热量释放具有重要意义。然而，单个酶分子释放的热量很少，同时热量会迅速地扩散到周围环境达到热平衡，现有的测量方法无法实时地检测酶分子的放热情况，缺乏微纳米尺度的热量监测的有力工具。近来，光学纳米温度计的发展为解决上述问题提供了思路。光学纳米温度计是指具有温度响应性的纳米粒子，通常其光学特性会随温度改变，通过测量纳米温度计光学特性变化获得被测物的温度变化。由于光学信号可以实时获得（采集间隔小于1秒），动态地监测整个放热过程，具有高的时间分辨率；而纳米温度计的粒径可以小于10 nm纳米，其尺寸与一些大分子蛋白质相当，可以实现高空间分辨率。因此纳米温度计具有在生物大分子（如酶）的微区域进行实时非平衡态的温度（热量）变化测量的潜力。图1 酶的微区域温度实时测量示意图 近日，西安交通大学生命学院生物医学影像与应用研究所吴道澄教授课题组提出了一种可以在微纳米尺度下准确、实时监测酶促反应中放热情况的新方法（图1）。文中合成了一种表面带有大量氨基的AgInS2量子点，该量子点的荧光强度具有显著的温度依赖，荧光强度接近线性地随温度升高而降低，灵敏度为-2.82%°C-1。通过化学交联将量子点紧密地接枝到被测物脂肪酶上，确保量子点检测的是酶周围的温度而不是溶液温度。在交联了量子点的脂肪酶溶液中加入底物，利用荧光分光光度计实时地检测溶液荧光变化，发现随着底物加入溶液荧光强度迅速减弱，经换算最大温差超过溶液6°C，直到底物消耗完才回复到初始值。该方法具有良好的重现性，最大误差约为4%，温度分辨率约为0.5°C，可以检测低至0.02 mg/mL的酶溶液。该体系的荧光信号直接代表了酶周围纳米尺度微区域的温度变化，实现了对酶促反应中的非平衡放热检测。这种酶周围热量分布的不均匀性对于研究纳米尺度生物体内的热行为和生物特性具有重要意义。该方法对于研究生物体内各种与热有关的酶过程、线粒体内的热释放、甚至肿瘤热疗中的温度反馈都有重要参考价值。 该成果以“基于温度敏感的氨基-AgInS2量子点的一种准确、实时的酶微区域放热检测方法”（Accurate and Real-time Detection Method for the Exothermic Behavior of Enzymatic Nano-microregions Using Temperature-sensitive Amino-AgInS2Quantum Dots）为题在国际著名学术期刊《小方法》(Small Methods IF=14.1)上在线发表，第一作者为西安交通大学生命学院博士生张慧，吴道澄教授为唯一通讯作者，生物医学信息工程教育部重点实验室和西安交通大学生命学院为该论文第一和唯一通讯作者单位。该研究成果是吴道澄教授课题组在纳米温度计生物应用方面的又一重要成果。该工作得到了国家自然科学基金和国家重大科学仪器设备项目的资助。西安交通大学分析测试中心为本工作提供了大量测试表征支持。 论文链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202100811

关键词：温度,纳米,检测,溶液,荧光,量子,热量,温度计,放热,变化

导读： 11月16日，西安交大人文社会科学学院社会学系/实证社会科学研究所博士生任围、朱晓文教授与杨江华副教授共同合作完成的研究论文“青少年数字技能和使用方式的阶层差异：基于家庭文化资本的解释”（The SES-based difference of adolescents’digital skills and usages: An explanation from family cultural capital）在线发表于爱思唯尔（ELSEVER）出版社旗下的SSCI期刊《计算机与教育》（Computers & Education）第177期上。该期刊2020年影响因子高达8.5，在教育学类264本SSCI期刊中排名第三，是教育学领域的国际顶级期刊。近年来，随着信息技术的飞速进步与普及，数字不平等受到国内外学者的高度关注。该研究聚焦于中国青少年的数字不平等问题，通过引入文化资本的理论视角，探索了家庭微观场域特征——家庭文化氛围与父母的媒介干预方式如何影响青少年的数字技能获得以及他们对于数字媒体的使用方式。论文数据来自朱晓文教授课题组于2020年12月—2021年2月实施的“中学生家庭与校园生活”调查，该调查涵盖了西安市9所中学29个班级共约1200名中学生。这项研究主要的创新点在于用文化资本理论解释青少年的数字不平等现象。在过往的研究中，这一经典理论往往被用于解释教育不平等，而本文则将其扩展至数字不平等领域。通过分析第一手的调研数据，阐释了家庭环境对于青少年数字实践的形塑机制，回答了不同家庭背景的学生为何在数字实践上存在显著的差异。 研究发现：中国青少年的数字技能与数字媒介使用方式存在显著的基于家庭社会经济地位的差异；家庭文化资源、文化实践以及父母积极媒介干预对青少年数字技能获得会产生积极的影响；拥有丰富家庭文化资本的青少年，更倾向于利用数字媒体进行学习方面的活动；家庭文化资本在家庭社会经济地位与青少年数字实践之间起着重要的中介作用。 该论文是西安交大人文学院社会学系/实证社会科学研究所团队的重要研究成果。任围为社会学系2020级博士研究生，主要研究方向为数字不平等、媒介效应与家庭资本；其导师为朱晓文教授，朱晓文主要研究方向为教育社会学、青少年研究与定量研究方法；杨江华主要研究方向为网络社会学与数字不平等研究。该研究得到了国家社科基金（20BSH149）与中国青少年研究会课题（20STC038）的资助。 论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360131521002591?via%3Dihub

关键词：数字,家庭,文化,平等,资本,实践,论文,期刊,技能,方式

导读： 近日，纳米光子学研究院李宝军、张垚、李宇超等在活细胞内部温度探测研究中取得重要进展，他们利用光力将细胞吞入的荧光纳米金刚石组装成探针，并实现了这种探针在细胞内部的精准定位和不同位置的温度探测。相关成果发表在国际学术期刊 Advanced Science 2021, 2103354 (IF: 16.806)，论文第一作者是纳米光子学研究院博士生武田丽。探测细胞内部不同细胞器的温度变化能够为细胞生理活动的监测提供非常重要的信息，具有高灵敏度、高空间精度的可控纳米温度计成为了给细胞测量“体温”的重要工具。一些温度敏感纳米材料（如量子点、荧光染料等）能够探测到细胞内部温度，但这些材料通常生物兼容性差，具有荧光漂白性，而且被细胞内吞后无法精确控制其探测位置；通过化学方法可制备一些特异性蛋白修饰的纳米颗粒，使其与细胞器结合，然而这种纳米颗粒通常只能探测特定位置和单一类别的细胞器温度。针对这些问题，李宇超副教授等提出了使用具有高度生物兼容性、荧光稳定性和温度灵敏度的荧光纳米金刚石作为温度传感材料构建细胞内温度计的思路，利用扫描光镊产生的光力将细胞内吞的纳米金刚石组装成微球状的探针，不仅使金刚石的荧光强度提高了7倍（相比于分散的纳米金刚石），还实现了探针在细胞内部的精准定位和实时温度探测，探测精度达到了单细胞器水平。该研究成果有望应用于监测活细胞内部的生命活动过程。全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202103354（纳米光子学研究院）责编：李伟苗

关键词：细胞,纳米,温度,探测,荧光,探针,位置,光子,研究院,细胞器

导读： 2021年中国工程院新增院士中，同济大学土木工程学院朱合华教授当选。朱合华，长期从事岩体强度理论及地下结构全寿命设计方法、地下空间防灾安全和智慧地下基础设施建设的研究，是国际上较早开展数字地下空间与工程（DUSE）研究的学者之一，被国际同行认为是“城市基础设施规划、设计、施工和维护信息集成方法的国际开拓者之一”。“数字化地下研究，源于工程，高于工程，服务于工程。”朱合华说。“与数字化结缘已经40多年” “年少时，我误打误撞地与数字化开始结缘。”朱合华介绍，1979年他考入重庆大学化学矿开采专业。那时的计算机技术相较于现在，就是石器时代，他学了一点计算机编程语言的粗浅知识。1983年9月成为重大硕士研究生后，才真正与计算机应用打交道，学习计算数学、有限元编程等，师从李通林教授完成了“围岩不连续面非线性效应对巷道稳定性影响分析”的硕士论文，主要研究手段为上世纪80年代非常热门的边界元数值方法。 1986年9月，朱合华考入同济，师从孙钧、杨林德两位恩师攻读结构工程专业（地下结构方向）博士，论文题目为“隧道掘进面时空效应研究——边界元法若干理论与工程应用”。从此，计算机技术、土木工程就成了形影不离的“伙伴”，后来渐渐演化为数字化研究方向，并坚持下来。 1993年7月，朱合华进入日本大阪土质试验所和京都大学从事软土地下工程研究，进一步运用有限元数值方法进行软土盾构隧道管片衬砌分析、地下工程施工动态反演等。朱合华说，上世纪90年代初日本快速发展的地下基础设施建设，为他的研究工作提供了大量的室内和现场试验的工程数据。两年多的研究历程，让他清楚了何谓软土地下工程的世界先进水平。令人印象深刻的是：该单位长期聘请几位短期工作人员，持续将大阪湾的三维地质数据输入计算机中，形成了大阪湾的地质、地震数据库信息系统，该信息系统在日本国内具有重要的影响。朱合华记住了大阪土质试验所所长岩崎先生“岩土工程师一定要与地层交朋友”的话，这一幕也促成他归国后迅即开展土木与信息学科交叉的研究，“当时国内稀见，当今已成热门研究方向。”朱合华说。采访获悉，朱合华在日本期间创建的用于管片衬砌设计分析的梁-接头（缝）不连续模型，被纳入了我国国家标准。从“数字地球”到“数字地层” 1995年8月，朱合华回国。他把硕、博阶段的研究成果，与人合作形成了《边界元法及其在岩土工程中的应用》一书。 下一步往哪里走？ 恰在此时，朱合华在同济附近的小书摊上发现了当时的畅销书《数字化生存》，“Digital（数字）、Digital，这么厉害，简直可以颠覆认知！”朱合华自言自语，那段时间，“数字”二字始终萦绕在他的脑海里；另一件对他产生定向领航作用的是1998年《文汇报》上发表的“数字地球”概念。于是，当友人约他为《岩土工程界》期刊撰文时，朱合华迅即撰写了《从数字地球到数字地层——岩土工程发展新思维》一文，从此打开地下空间与工程数字化研究的大门。 新的乘风破浪阶段开启。1999年，朱合华牵头的“城市三维地层信息管理系统的开发与应用”获批上海市教委曙光计划，经过三年的潜心研究，项目验收得到了专家们的高度评价，成为团队数字化研究工作布局的起点。朱合华说，我们的工作有力地助推了2004年上海先后启动的29个重大科技专项之—：城市地下空间信息平台建设和国土资源部与上海市联合资助的三维地质调查项目。 从此，地下空间与工程数字化成为朱合华团队的鲜明特色。从一开始研究数字地层、数字地下空间，到后来研究数字化工程，一步一个脚印，课题从工程中来，成果到工程中去。厦门翔安海底隧道是中国内地第一条海底隧道，全长8.695千米，跨海部分全长6.05千米，最大深度-70米，相当于18层楼高。多高？你往下看，底部的人就如一个土豆。可是，隧道还要在四周一片漆黑无方向的地下施工，所经之地地质状况极其复杂，陆域全强风化地段大断面浅埋暗挖施工、浅滩段透水砂层施工、海底风化深槽施工，个个都是难啃的骨头。有隧道专家曾在厦门召开的海底隧道修建技术研讨会上表示，翔安隧道难度极大，是具有国际意义的重大工程。建设方听说朱合华从事数字地下研究，很乐意”吃螃蟹”，积极开展数字海底隧道建设。朱合华团队的工作，使该项目成为了我国跨海隧道的一项示范工程。 团队的研究领域遍布数字地下空间、数字化工程两大园地，数字地下空间研究的足迹遍布上海世博地下空间、常州地下空间、延安新城地下基础设施等，数字化工程的研究遍布广州龙头山双洞八车道公路隧道、淮南望峰岗煤矿、上海长江隧道、世博500kV地下变电站和电力隧道、上海地铁一号线结构维护、上海中心深基坑、内蒙古林场公路隧道等。 围绕着这些工程，团队相继研究开发出“复合纤维和预应力管片结构技术”“盾构地层适应性理论和试验方法”“大断面、高水压、近间距下盾构施工微扰动控制技术”等一系列方法与技术，解决了复杂环境下地下建筑结构设计分析、施工安全与控制的一个又一个难题，主持的项目“软土盾构隧道设计理论与施工控制技术及应用”获2008年国家科技进步奖二等奖。 近年来，他又针对大规模、集群化的地下空间的建造难题，组织国内相关单位联合攻关。经过多年的艰苦努力，攻克了当前我国在城市高密集地区建造地下空间面临的周边环境控制、改扩建及安全穿越等难题，建立了以点状新建与改扩建、线状穿越、面上集成示范为主线的核心技术体系，成功应用于北京、上海、广州等大都市中多项重大工程，并被遴选为国家注册土木工程师（岩土）继续教育内容，培训了近万名注册工程师。得益于这些应用，他主持的项目“城市高密集区大规模地下空间建造关键技术及其集成示范”，2016年获国家科技进步奖二等奖，该成果为我国城市地下空间领域的第一个国家级科技成果。这样，在城市地下空间与地下工程领域，朱合华十年中两次以第一完成人身份获国家科技进步奖二等奖。数字化地下课题与工程的“比翼双飞”，团队实现了基础理论和前沿交叉研究的良性循环。他们提出了地下空间工程全寿命数据采集-表达-分析-服务的数字化范式，开辟数字地下空间工程新方向，攻克了“建造动态精细调控、运维快速精准评价”难题，创建地下三维动态信息表达与分析的理论方法；攻克了安全建造的动态精细调控技术；突破了高效运维的快速精准评价技术。研究成果成功应用于上海长江通道、贵州高速公路网、上海地铁网等重大工程，极大提高了工程安全、质量和效率，推动了工程建造和运维的数字化转型发展。朱合华因此受邀为英国剑桥大学智慧基础设施国际顾问、国际岩土工程联盟（FedIGS）数据标准委员会（JTC2）主席；创办了我国地下空间领域的第一本国际学术期刊Underground Space（地下空间）。2015年，他因在数字地下空间与工程方面的成就得到了德国洪堡基金会的认可，获得了第44届德国洪堡研究奖，是中国土木工程界目前的唯一获奖者；他还获得了第20届卞学鐄学术贡献奖。 首创基础设施智慧服务系统iS3 “感谢我们团队多年的共同坚守和辛勤付出！”朱合华深情地说。本世纪以来，“数字地下空间与工程”成为团队的主攻方向，团队围绕这一方向，先后完成了14篇博士学位论文、17篇硕士学位论文。经过近二十年的努力，团队成员们齐心协力构建起数字地下空间的理论体系、工程方法和数据库，初步完成了数字化地下体系建设，构建出“工程数字化”创新技术核心，已经在城市轨道交通、高速公路等领域得到广泛的应用。 BIM（建筑信息模型）是中国工程界耳熟能详的新工具。我们为什么老是跟着人家转？为什么不能提出自己的理念和平台？为此，朱合华团队经过长期思考和一年多的充分讨论，创建了基础设施智慧服务系统iS3 (infrastructure Smart Service System, 2013)，即基础设施全寿命数据采集、处理、表达、分析的一体化智慧决策服务系统。iS3系统是从广义工程应用场景出发，以信息流为主线，采用面向服务的组件式框架和微服务技术架构的系统平台，集先进性、开放性和实用性为一体，是国际上第一个开源的基础设施智慧服务系统。 “目前的应用状况良好，前景十分广阔。”朱合华说。 因为地下空间与工程数字化研究成绩突出，朱合华的影响日渐扩大。日本、新加坡、英国、美国、韩国等国都留下了他的“中国好声音”；2010年，他在上海创办了信息岩土工程技术国际学术会议，已在英国、葡萄牙召开了第二、三届会议，接下来将在新加坡举办第四届，该会议现已成为国际信息岩土工程领域的重要系列会议；2017年值同济110年校庆之时，成立了中国智慧基础设施联盟暨全球研究中心，目前已吸引世界170多家单位参与。 大数据、云计算、数字孪生等信息新技术不断涌现。在数字化转型和智能建造的大潮中，如何借助现代信息技术手段，在人迹罕至的高山峻岭地区修建地下交通基础设施？朱合华提出开展岩体隧道动态设计的远程诊断分析，即将iS3平台作为数字底座，实现了基于数字孪生技术的岩体隧道支护的三维动态设计技术。三维动态设计技术成功应用于四川峨汉大峡谷隧道(最大埋深1940米，世界最深的公路隧道)施工中，仅用10分钟完成了现场三维远程实时动态支护设计，这在国际上首次实现，是隧道动态设计的重大技术突破。目前该技术已在在国内外引起广泛的注目，并逐渐在公路、铁路交通领域得到推广应用，有力助推了地下空间与工程的数字化转型发展。朱合华说，iS3系统的生态化建设和推广应用永远在路上。他率领团队在地下数字化道路上不断攻坚克难、砥砺前行，正在开展交通地下工程的智能建造和智慧运维，以及城市地下基础设施的智慧化管控等相关技术研究和产品研发。他主编的“土木信息工程”已成为《中国大百科全书》第三版土木工程学科的分支之一，更期待数字化转型背景下的“土木信息工程”学科得以茁壮成长！（程国政）

关键词：地下,工程,空间,数字化,数字,隧道,基础设施,国际,施工,动态

导读： 近日，中国科学院沈阳自动化研究所在海洋温度预测方法研究中取得新进展，提出的基于立体空间-时间的四维卷积模型高精度应用于海水温度预测。相关研究结果发表在IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters上，并申请相关专利。海洋温度预测在全球变暖、渔业和海洋环境保护等海洋相关领域占据关键地位，是海洋学方面的重要研究内容。目前，基于深度学习的预测方法均以时序预测为主，忽视了海洋内部的空间联系，以点预测点的方式导致特征提取不充分。此外，海洋内部不定期存在温跃层，温度变化趋势在温跃层位置发生骤变，这加大了海洋温度预测的难度，因而目前对海水温度的研究多集中于海表。沈阳自动化所数字工厂研究室大数据课题组提出一种基于时空四维卷积网络的模型。该模型由四维卷积网络、残差网络、再校准模块三部分构成。研究利用四维卷积将海洋温度同时从立体空间、时间维度提取双重特征；之后紧接残差单元，利用三维卷积进一步探索海洋的空间特征；运用再校准模块，探索、量化各个区域特征的贡献程度，由此提高模型的质量。实验表明，该模型对海洋0-2000m的水平及剖面预测均取得了高精度结果，温跃层的位置及形状也可准确捕捉。科研人员将其与主流算法对比，在均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）、预测精度（ACC）、决定系数（R-Square）等指标上均为最优。该研究为海洋温度预测提供了新的研究思路，可为海洋环境感知相关项目提供核心技术支持。四维卷积网络预测模型

关键词：预测,海洋,温度,模型,卷积,空间,相关,网络,特征,方法

导读： 近日，北京食品安全政策与战略研究基地首席专家白军飞教授作为共同作者在学术期刊《江苏大学学报(社会科学版)》上发表题为“电子商务助推小农发展的中国例证”的文章。文章指出，农村电子商务的发展有力地助推了中国小农户与大市场的连接,帮助小农更好地进入市场，有助于促进中国新型农食系统的转型，但是"数字鸿沟"成为在发展农产品电商过程中带来外部区域失衡和内部农户差异的重要影响因素。该论文的第一作者为浙江大学的郭红东教授，其他合作者包括浙江大学的博士研究生刘晔虹、中国农业大学的王晶晶博士，浙江大学中国农村发展研究院曲江。研究发现,电子商务通过降低信息和交易成本,推动小农进入全球价值链,帮助小农更好地进入市场。物流和通讯基础设施、对小农具有包容性的数字商业平台以及新农人是发展农村电子商务的前提条件。农村电子商务发展需要构建一个由网商、政府、服务商或公共服务主体共同组成的、适合小农发展的电商生态系统。网商是电商发展的主力,负责整体的网络市场运作;政府是电商发展的助力,负责道路、通信等基础设施建设,营造发展氛围,政策引导和统筹协调;服务商则提供代运营、网商孵化、人才培育、资源整合、园区运营等一系列电子商务公共服务。此外,电子商务也可能将无法参与数字经济或缺乏所需技能的小农排除在市场之外,因此,"数字鸿沟"成为在发展农产品电商过程中带来外部区域失衡和内部农户差异的重要影响因素。本研究也为政策提供了一些有用信息：第一，电子商务是发展中国家小农户对抗贫困、改善市场准入和促进就业机会的有效途径，广大发展中国家要充分发挥电子商务在助推小农户发展中的作用。第二，中国农村电子商务发展需要构建一个适合小农户发展的电商生态系统，这个农村生态体系由网商、政府、服务商或公共服务主体这三个重要角色组成，三个角色间高效互动、相辅相成，是农村电子商务能够健康持续发展的关键。第三，为应对“数字鸿沟”的挑战，政府要改善信息基础设施，填平农村信息接入的沟壑，随之再解决农户能否“有效利用”问题。要理顺利益分配机制，为小农户发展提供适合的发展模式，保障和增强小农户参与电子商务的收益能力。编辑/排版：张展

关键词：发展,电子商务,农户,农村,小农,电商,数字,网商,政府,助推

导读： 9月29日，《光明日报》刊发浙师大非洲研究院党总支书记王珩教授、非洲研究院科研助理柳喆勐撰写的文章《数字创新合作为中非合作高质量发展注入新动能》。本文系“研究阐释党的十九届五中全会精神国家社科基金重大项目〔21ZDA129〕”成果之一。文章从近期“中非互联网发展与合作论坛”开幕式上提出的“中非数字创新伙伴计划”切入，指出该计划是对中国提出的中非共同拓展数字经济、智慧城市、清洁能源、5G等新业态合作，促进非洲发展振兴倡议的具体贯彻。文章认为，数字创新合作作为中非务实合作的新兴领域，将进一步推动技术进步，为中非合作高质量发展注入新动能。作者从“发展数字创新合作符合中非双方发展需求”“数字创新合作稳步推进助力中非关系高质量发展”“中非数字创新合作前景广阔，为中非命运共同体赋能”等三方面阐述数字创新合作对于中非合作高质量发展的重要意义。相关链接：《光明日报》——数字创新合作为中非合作高质量发展注入新动能编辑：赵菡婧

关键词：合作,中非,发展,数字,创新,高质量,非洲,动能,文章,注入

导读： 加密墨水、隐形指纹识别、余辉显示屏…… 黄维院士团队实现高效蓝色室温磷光及一光多用提起夜明珠，人们都不会觉得陌生，它在黑暗中发的光正是磷光。随着技术的发展，人们不仅可以“炮制”像夜明珠一样的磷光材料，而且赋予它照明以外的多种用途。近日，西北工业大学黄维院士、南京工业大学教授安众福联合新加坡国立大学教授刘小钢提出“发色团限域”策略，利用最简单的分子实现最优异的磷光性能。研究团队还“一光多用”，开发出具有多重应用价值的磷光材料器件。冲破“瓶颈”抑制猝灭蓝光，作为光的三原色之一，是固态照明和全彩显示的核心组分，同时在生物医学、光通讯等领域也展现出广阔的应用前景。2014年诺贝尔物理学奖就颁给了“高亮度蓝色发光二极管（LED）”的三位发明者。目前，各种蓝光材料广泛得到研究开发，有机室温磷光材料正是其中炙手可热的热点前沿领域之一。磷光材料，是一种在某种波长的入射光（如紫外可见光，X、β、γ等高能射线等）照射下能发出磷光的材料，且激发停止后仍然可发光（激发停止后不能发光的为荧光）。因此，长余辉是磷光材料的一大特点。不过，构筑长寿命、高效率的蓝色室温磷光一直存在瓶颈。“通常，获得高效率的室温磷光需要满足两个基本条件：有效促进单/三线态激子间系间窜越，这主要依赖于分子结构设计；有效抑制三线态激子的猝灭，即让光子产生的数量在短时间内难以衰减或消失。”文章共同通讯作者、中科院院士黄维向《中国科学报》解释。他表示，目前晶体工程是一种有效抑制三线态激子猝灭的策略。但晶体中的一种弱相互作用——分子间π-π堆积，却成为构筑高效蓝色磷光的主要瓶颈。一方面，它非常容易导致三线态激子间的猝灭，给效率提高造成很大困难；另一方面，它还会使发色团共轭度增加，发光红移，难于实现蓝色磷光。针对这一挑战，联合团队前期对聚集态磷光的理解和对低温77K下溶液单分子态磷光现象的思考，利用强作用力的离子键，创造性地提出了“发色团限域”策略，成功构筑了具有分子态高效室温磷光的有机离子晶体材料。“笼锁”发色团 创造新记录在8月23日发表于《自然—材料》的研究中，黄维等以均苯四甲酸（PMA）多羧酸化合物为研究模型，合成了均苯四甲酸四钠盐（TSP）的高效蓝色室温磷光离子晶体材料。他们发现，光激发后，有机离子晶体TSP呈现肉眼可视的明亮蓝色长余辉现象，余辉持续时间3秒有余（通常是指关闭激发光后，发光物质能持续发光超过100毫秒以上的发光现象）。其稳态光致发光光谱和磷光光谱几乎完全重叠，仅在325纳米处出现一个极小的荧光峰，磷光效率高达66.9%。实现这一成绩，是因为研究者独辟蹊径，找到一种办法“对付”发色团——能对光辐射产生吸收、具有高的激子跃迁速率的芳香功能基团。“由于离子键没有方向性和饱和性，使得分子周围可以结合众多的抗衡离子。离子化的发色团被抗衡离子完全包围，如同孤立在一个笼子当中，与周围发色团完全隔离，限域在一个刚性、孤立的环境中。”论文共同通讯作者安众福比喻说，“同时，羧酸基团不仅可以形成离子键，而且还有利于促进激子的系间窜越。”对此，一位审稿人评价称，“这项研究以一种极好的方式，一种新的策略，解释了在室温下从纯有机化合物中获得高效的蓝色磷光。作者对利用离子键将磷光分子限制成刚性结构进行了有趣的研究。”在进一步研究中，作者发现离子晶体TSP拥有类似低温稀溶液单分子态磷光的性质。通过单晶分析，他们确认离子化的发色团被抗衡离子完全包围。理论计算也表明，离子化后的结构，其自旋轨道耦合常数得到了显著的提高，为实现高效磷光提供条件。为了证实这一猜想，研究者又合成了均苯四甲酸二钠盐（DSP），从侧面论证了刚性、孤立的分子态模式对磷光性能提升的重要性。单晶分析再次表明，发色团之间存在明显的π-π堆积，以及π-π堆积会使发色团共轭度增加，DSP发黄绿光余辉，并且效率非常低，难于实现高效的分子态蓝色磷光。以此为基础，黄维等进一步验证了“发色团限域”策略实现分子态高效室温磷光的普适性。该团队调整抗衡离子和发色团单元，设计合成了5个蓝色磷光材料、2个绿色磷光材料和5个黄色磷光材料，均实现了长寿命、高效室温磷光。其中，他们实现了高达96.5%的世界纪录级的蓝色室温磷光发光。“蓝光，作为光的三原色之一，是照明和全彩显示方面至关重要。但绿光和红光其他颜色也必不可少，尤其在构筑白光方面。我们一直致力于实现高效、长寿命的白色磷光和全彩余辉显示，这就需要各个颜色的材料按照比例混合实现。”黄维希望，未来能够实现全彩余辉显示。创意应用 撬动未来创新科技，研有所用。除了理论创新，黄维等还实现了新材料在多个领域的创意应用，有助用技术撬动未来。余辉显示屏是其中一大创举。利用新型磷光材料的高效长余辉特性，研究团队首次实现了这一材料在余辉显示领域的应用。据安众福介绍，在日常生活中，这种新型显示屏可应用于信息显示（包括数字、文字、图案、动画等）、路径追踪、路标警示灯、信号灯等，以及生活中闪烁灯光的装饰。在科技前沿乃至国防军工方面，余辉显示器件在雷达显示屏、以及深海或太空的极端环境下的显示方面都有巨大的应用潜力。同时，研究团队基于离子晶体TSP制备了加密墨水。普通日光下，它不能显示加密信息；关掉光源后，会呈现出“材料”加密信息。该材料还具有优异的喷墨打印加工性能，可以快速、高精度的进行数字、文字、图案、条形码、二维码等的打印，有望应用于信息加密、信息传输、智能识别和商标防伪等场景。此外，由于这类离子化合物能够与指纹中的油脂等富羟基结构结合，该团队成功将其应用到了指纹识别中，其识别程度极高，甚至指纹中的呼吸孔均能成功识别。值得一提的是，该材料黏附指纹的能力极强，在鼠标、手机、水杯、档案袋、金属等日常生活中常见物体上，对指纹均能很好的显示出来，有望应用到刑侦案件的指纹提取中。高效蓝色磷光材料的信息加密、指纹识别和余辉显示器件的应用。a，喷墨打印实现加密应用的流程图。b，喷墨打印技术实现信息“材料”的加密。c，复杂图案的清晰打印。d，指纹识别应用。e，均匀的TSP薄膜。f，余辉显示器件的数字显示。g，余辉显示器件的路径显示。h，余辉显示器件模拟雷达应用。黄维等供图“新增的应用令人印象深刻，使有机磷光材料的范围更加明确。”一位审稿人评价称。另有审稿人指出，作者研究了一些性质非常有趣的极简化合物，“相信它会引起广大读者的兴趣”。正如审稿人的评价，作者表示，这项研究对理解有机磷光材料分子结构、堆积方式与发光性能的关联机制具有重要意义，同时为纯有机室温磷光材料迈向新应用奠定了基础。相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-021-01073-5

关键词：磷光,蓝色,高效,室温,显示,分子,离子,发光,加密,发色团

导读： 数字微流控（Digital microfluidics）是一种通过电极阵列，在芯片上利用电信号对微量液体运动进行精准操纵的技术，现今已广泛应用于化学合成、生物分析、疾病诊断等领域。该技术利用了半导体技术及消费电子的设计理念，在手掌大小的微流控芯片上，无需外设的辅助，即可自动实现快速在场体外诊断（POCT）。芯片具有高度兼容性，可用于定量分析多种蛋白质和生物分子。该技术的原理是通过改变芯片电极的电压来对应地改变其表面的亲疏水性，进而使液滴在相邻电极表面的接触角产生差异，从而使液滴在不同方向存在表面张力的差异，以此操纵液滴产生定向移动、分裂、合并等现象。其中，如何高效、稳定地生成微液滴是数字微流控技术的核心，也是其难点所在。在实际操作中，当芯片间隙与电极的尺寸比值超过某一阈值时，液滴撕裂成为更小的液滴将十分困难。该因素的存在导致当芯片结构和尺寸固定时，可生成液滴的最小体积也被限制。如果能突破这一限制，生成体积更小的液滴，则可以在有限的芯片区域内实现更多检测，提高系统的检测通量。此外，由于产生的液滴进一步缩小，片上样品稀释、磁珠清洗等具体实验的灵活性将显著提高，极大拓宽数字微流控技术在POCT方向的应用潜力。近日，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所研究员马汉彬课题组与长春理工大学等合作，创新性地提出名为“One-to-three”的数字微流控液滴生成新方法。该方法基于液滴对称撕裂可在几何中心位置保持表面张力平衡的原理，将一个大液滴分成三个液滴，包括一个在不改变数字微流控芯片几何尺寸的情况下高效分离出“高纵横比”的小液滴。该液滴撕裂方法超出了介电润湿数字微流控的几何极限。结合“One-to-three”液滴生成的优势，科研人员整合了磁吸模块、光学检测模块、三轴操控模块、液滴驱动系统等开发出一套具备全自动路径编译、检测数据读取、三轴定外控制的软件。通过对系统不断测试优化，构建了整套全自动数字微流控化学发光免疫分析平台。该高度集成的平台可快速完成高效的磁珠洗涤，实现了在一个芯片上可以同时并行检测5个B型利钠肽样本，整个免疫测定过程仅约需10分钟，完成了从理论突破、功能设计及工程化开发的全流程。该研究成果可应用于人类血清中B型利钠肽的定量快速检测，对心衰的诊断、预后评估、病情监测、指导治疗等方面具有一定价值。相关研究成果以“One-to-three” droplet generation in digital microfluidics for parallel chemiluminescence immunoassays为题，发表在Lab on a chip上，并被选为内封面论文，收录于2021热点论文集。论文链接 图1.“One-to-three”微液滴生成原理与过程图2.论文封面

关键词：液滴,芯片,微流,数字,检测,生成,One,three,电极,高效

导读： 核酸检测逐渐成为病原体诊断的“金标准”，随着新型冠状病毒疫情的持续蔓延，核酸检测的重要性正不断被大众认知和认可。作为高灵敏度、绝对定量、高耐受性的新一代核酸检测技术，数字化聚合酶链式反应（数字PCR，dPCR），在稀有突变检测、拷贝数变异检测、液体活检、单细胞分析、转基因检测、病毒载量检测、微生物定量分析、NGS文库制备等应用领域发挥着重要作用。 苏州医工所周连群课题组聚焦生物传感器领域，深耕十余年，在生物传感方法开发、生物芯片设计加工、生命科学仪器研制等方面积累了坚实基础。在数字PCR研发方面，基于隔离稳定性高、温度均匀性好、检测速度快的芯片式数字PCR（cdPCR）方法，自主研发了高通量数字化芯片及高通量数字化核酸分析仪，围绕高通量数字化核酸检测方法、芯片、试剂和仪器等方面取得了一系列重要进展。 在高通量数字化芯片的加工与改性方面，周连群课题组的李金泽、邱亚军等人在Analyst上发表题为Heterogeneous modification of through-hole microwell chips for ultralow cross-contamination digital polymerase chain reaction的论文，提出了针对数字化芯片三维异质性改性的新策略，通过内壁亲水、表面疏水的异质性化学改性，实现了高填孔率、低残留的数字化样品分割。通过深硅刻蚀可以得到高密度蜂窝状微孔阵列，如何保证待测生物样本能高效的填充入微孔，并且降低液体在表面残留导致的孔间连通，是数字化样品分割的关键。针对该问题科研人员提出了对于均质硅材料的三维异质性改性策略，即通过微接触印刷只在特定的空间位置发生化学修饰，进而在均质材料的三维空间上形成具有不同化学性质的界面。通过工艺优化消除了样本挥发导致的扩散效应，实现了芯片表面的选择性疏水修饰。三维异质性改性后的芯片可以达到91%以上的填孔率以及小于5%的液体残留率，优于商业化的数字PCR芯片。利用该芯片可以实现高效准确的dPCR检测，定量结果的线性相关性达到0.999以上。该核心技术的突破为自研cdPCR的精准定量奠定了坚实基础。 图1 高通量数字化核酸检测芯片的三维异质性改性效果图 在样本的数字化分配与封装方面，周连群课题组的高旭等人在Biomicrofluidics上发表题为High filling rate digital PCR through-hole array chip with double independent S-shaped flow channels的论文，提出了针对数字化芯片的微流控进样封装方法，通过双S型流道夹心数字化芯片的结构，有效提高的样品的填孔率和装载重复性。传统的刷样方式，受限于操作的繁琐性，存在耗时长、重复性差、易污染的问题，限制了芯片式数字PCR的应用。通过微流控结合标准化仪器设备，可以实现进样封装的标准化和自动化，简化用户的手动操作步骤和整体样品装载和封装时间。本文主要通过流体力学仿真结合试验验证，解决了流体样本与微孔相互作用过程中的稳定性、均匀性和重复性问题，通过合理的结构设计和优化的进样条件，实现了填孔率大于99%、填孔液体体积CV达6%的高效、高均匀性进样与封装。该成果的突破有效提升了自研cdPCR的易用性，为产品的临床应用推广奠定了良好基础。 图2 数字化芯片的微流控进样封装结构：（a）结构装配图；（b）结构爆炸图 在芯片式数字化核酸检测的应用方面，周连群课题组与华山医院检验医学科关明课题组合作在Sensors & Actuators: B. Chemical（中科院I区）上联合发表题为Establishment of scalable nanoliter digital LAMP technology for the quantitative detection of multiple myeloproliferative neoplasm molecular markers的论文，对骨髓增殖性肿瘤（MPN）的多重标志物实现了超敏、多靶标、定量检测，从而为这种罕见病的早期诊断和靶向治疗提供新的方法。Ph染色体（费城染色体）阴性的经典骨髓增殖性肿瘤是以一系或多系分化相对成熟的骨髓造血干细胞持续克隆性增殖为特征的恶性血液疾病。随着分子生物学技术的迅速发展，越来越多的分子标志物被不断发现。根据世界卫生组织（WHO）最新的骨髓增殖性肿瘤诊断标准，JAK2、MPL 和CALR三个基因的突变已被作为骨髓增殖性肿瘤诊断的重要参考指标。周连群研究员课题组与关明教授课题组“医-工”结合，将环介导等温扩增（LAMP）技术快速等温扩增的优势、微流控技术高通量的优势和数字PCR技术准确定量的优势进行整合，成功开发了一款数字LAMP检测平台，并基于纳米粒子的特殊功能，对现有的LAMP检测体系进行了改良，可在60分钟内实现骨髓增殖性肿瘤CALR-1、CALR-2和JAK2 V617F分子标志物的准确定量检测，检测灵敏度分别为0.5%、0.1%和0.5%突变水平。与现有的商业化数字PCR平台相比，本项目开发的数字LAMP平台具有检测成本低、检测速度快等优势，具有良好的应用前景。论文的第一作者为曹国君博士和李金泽博士。 图3 多靶标数字LAMP检测平台检测流程示意图 芯片式数字PCR的研发工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院项目的支持，形成了高耐受高扩增效率试剂（CN201811098669.3）、三维异质性改性（CN201810568211.3）、进样封装一体化（CN201910377557.X）、物理分区式多靶标检测（CN201710560138.0）、均匀快速热循环（CN201910911821.3）、高分辨率多色荧光成像（CN201910049908.4）、自适应图像处理算法（CN201910600118.0）等一系列核心技术，实现了方法、芯片、试剂和仪器的全链条自主知识产权创新。相关仪器入选《中国科学院自主研制科学仪器2021》目录，并完成了二类医疗器械的型式检验，进入医疗器械注册证申报流程；已经在华山医院、北京基因组所等多家医院、科研院所等单位开展了应用示范。 图4 芯片式高通量数字化核酸分析芯片及仪器论文链接： [1] Jinze Li#, Yajun Qiu#, Zhiqi Zhang, Chuanyu Li, Shuli Li, Wei Zhang, Zhen Guo, Jia Yao, Lianqun Zhou*. Heterogeneous modification of through-hole microwell chips for ultralow cross-contamination digital polymerase chain reaction. Analyst, 145 (2020), 3116-3124. https://doi.org/10.1039/D0AN00220H [2] Xu Gao#, Jinze Li, Chuanyu Li, Zhiqi Zhang, Wei Zhang, Jia Yao, Ming Guan, Zhen Guo, Chao Li, Lianqun Zhou*, High filling rate digital PCR through-hole array chip with double independent S-shaped flow channels. Biomicrofluidics 14 (2020), 034109. https://doi.org/10.1063/5.0006374 [3] Guojun Cao#, Jinze Li#, Zhifang Xing, Zhiqi Zhang, Wei Zhang, Chuanyu Li, Longhui Li, Zhen Guo, Shuli Li, Xu Gao, Yanchun Ma, Lianqun Zhou*, Ming Guan*. Establishment of scalable nanoliter digital LAMP technology for the quantitative detection of multiple myeloproliferative neoplasm molecular markers. Sensors & Actuators: B. Chemical 346 (2021) 130493. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130493

关键词：检测,芯片,数字化,数字,PCR,核酸,LAMP,改性,封装,课题组