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马尔默市科学技术局

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马尔默市科学技术局

作为生物医学研究的焦点和面向未来的前沿技术
香山科学会议呼吁加快太赫兹技术生物医学研究

揭开太赫兹的神秘面纱?美国将其评为改变未来世界的十大技术之一 太赫兹技术,在光学领域有一个近年来为大众所熟知的名字远红外线。近日,中国科学院院士姚建铨在接受中国科技网记者专访时介绍,人类社会存在诸如电磁波、震动波、伽马射线、X射线等各式各样的光波,而太赫兹波是人类迄今为止了解最少,开发最少的一个波段。 2004年,太赫兹(THz,10¹² Hz)技术首次被美国提出,并且美国政府将太赫兹技术评为 改变未来世界的十大技术之一;2005年,日本更是将其列为国家支柱十大重点战略目标之首,举全国之力进行研发。太赫兹,因此成为本世纪最为重要的新兴学科之一。 太赫兹指的是电磁频谱上频率为0.1~10THz的辐射,波长范围为0.03~3mm,介于无线电波和光波之间。姚建铨院士表示,太赫兹波具有穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高等技术特性,由于太赫兹释放的能量很小,不会在人体产生有害的光致电离。所以,相比X射线,太赫兹是一种更安全的安检技术。 除此之外,姚建铨表示,因为太赫兹的穿透能力很强,它不仅能探测到金属,人体携带的非金属、胶体、粉末、陶瓷、液体等危险物品都能被系统识别,安检的效率也大大提升了。目前太赫兹人体安检仪器已经在国内外投入使用了。 太赫兹技术是极为重要的前沿技术;可应用于国防、医疗等诸多领域 如果问伊拉克战争中美军最怕的是什么,那答案肯定是路边炸弹,防不胜防的路边炸弹,成了驻伊美军不寒而栗的头号杀手,以至于让美国海军陆战队司令迈克尔哈吉认为:这种相对低级的武器将成为未来战争的一个标志。 然而,太赫兹的穿墙术或许能够扭转这种局面。姚建铨院士介绍,它不仅能够探测隐蔽在墙后的武器、伪装埋伏的武装人员,还能够显示沙尘或烟雾中的坦克、火炮等装备,从而有效提高部队巷战能力。 不仅如此,太赫兹成像技术在塑料凶器、陶瓷手枪、塑胶炸弹、流体炸药和人体炸弹的检测和识别上,更是明察秋毫,利用强太赫兹辐射照射路面,还可以远距离探测地下的雷场分布。 姚建铨院士介绍,除了军用,太赫兹技术还可以应用于国土安全、天文、医疗、通信、科学研究等诸多领域,因此成为当前世界上一项极为重要的前沿技术。 国内首先被应用在安防领域;G20峰会太赫兹安检仪连蚂蚁都不放过 姚建铨院士认为,正是因为太赫兹射线展现出的诸多优越特性:包括能量低、对许多生物大分子表现出很强的吸收和谐振、能够以很小的衰减穿透物质、信噪比很高、带宽宽等,可以应用于国防、安全、天文、医疗、科研等诸多领域,具有巨大的市场价值。 为了加快安检场所速率,使用太赫兹安检仪,大约3秒时间就可以完成检测。北京航天易联科技发展有限公司太赫兹项目组负责人赵光贞博士在接受中国科技网记者采访时表示,相对于X光机安检仪、还有主动式毫米波安检仪这些设备,太赫兹安检仪主要是利用人体和物品不同的温度差来检测,整个过程太赫兹安检仪不是向外辐射电磁波,而是只是被动接收人体发射出的太赫兹波。因此是目前安检领域最安全、有效的方式,对人体是没有危害的。 也有媒体报道,太赫兹人体安检仪的问世,标志着我国在太赫兹安检领域已达到国际领先水平。尤其是成像技术,成像分辨率小于5毫米,即一个蚂蚁大小的物体都能被辨识。未来可广泛用于机场、海关、高铁、地铁等领域。 毫米波是否属于太赫兹;太赫兹安检技术与x射线安检仪相比谁更安全... 太赫兹安检仪有被动式和主动式的区分,被动的是检测仪器接收物体自己发出来的波来进行检测,主动式的需要发出太赫兹波看是否可以穿透或者反射回来。。太赫兹项目组负责人赵光贞博士介绍,毫米波比太赫兹的波段要低一些,波长长一些,太赫兹相对于毫米波,波长要短,频率高,分辨率要高一些。所以毫米波主要是主动式检测,从毫米波源打出毫米波到人体或者被检测物体上,然后再反射回来,机器接收反射回来的波。 两者的差异:主动式清晰度高一些,主动太赫兹波,发射多少不好把握。被动式,主要是看物体自己发出来的波,来进行测量,这个简单实用,清晰度也可以。 太赫兹安检仪与X射线安检仪并不是一回事。赵光贞博士介绍,X射线安检仪,被检测物体经过它时候,它是有一个发射源。X射线频率特别高,能量较强,用它来做安检,是穿透物体从另一端接收,是主动式的。而被动式太赫兹安检仪,是接收被检人员或者物体发射出的太赫兹波,这是两个概念。 铸就反恐新利器,让炭疽病、毒品、爆炸物等无处藏身 如果没有搜查许可,一般难以打开封装的邮件进行检查,所以犯罪分子有时使用装在厚纸袋内的国际邮件来走私毒品和兴奋剂。而利用太赫兹技术就可以让这些隐身毒品无所遁形。 太赫兹波是一种波长介于红外线与微波之间的电磁波,能够穿透塑料制品、衣物。姚建铨院士介绍,前段时间恐怖分子给美国国会议员写信,因为担心信件里携带炭疽病菌,日本专门研发生产了几十台机器给美国邮电局用来检查邮件,因为太赫兹技术不仅可以探测成像,而且还可以测量物质成分的特性,实现对多种物体的检测,比如毒品、爆炸物。 姚建铨院士介绍,太赫兹波有非常重要的学术和应用价值。由于太赫兹波所处的特殊电磁波谱的位置,它有很多优越的特性,在材料分子的特殊光谱信息分析、材料与结构的无损探伤及三维层析、违禁物品反恐检查、生物组织的活体检查、高精度保密雷达、卫星间宽带通信等方面的研究,在天体物理学、等离子体物理学、光谱学、材料学、生物学、医学成像、环境科学、信息科学等领域有着广阔的应用前景。 随着一系列新技术、新材料的发展,特别是超快技术的发展,使得获得宽带稳定的脉冲太赫兹源成为一种准常规技术,太赫兹技术得以迅速发展,并在实际范围内掀起一股太赫兹研究热潮。也必将成为改变未来世界的重要前沿科技。来源:中国科技网

发展。2012 年Sjors Scheres 开发的RELION 算法能更有效地处理低信噪比的图像,成为单颗粒结构解析的利器,该核心论文成为该热点前沿被引最高的,被引频次达到414 次。对生物大分子结构的解析,不仅具有深远的基础意义,而且具有广阔的应用前景。通过对核酸、蛋白质及其复合物的结构解析,人们对它们的功能的理解更加透彻,就可以根据他们发挥功能的结构基础有针对性地进行药物设计,基因改造,疫苗研制开发,甚至人工构建蛋白质等工作,从而对制药、

很多患者在医院检查病情时,需要做X光、CT、核磁共振等一系列检查。太赫兹波,一个尚未充分开发的电磁波段,或许将会改变这种状况。4月8日—9日,在以“太赫兹波在生物医学应用中的科学问题与前沿技术”为主题的第488次香山科学会议上,与会专家指出,由于太赫兹波具有反应物质结构与性质的指纹特性,并且光子能量低,远远小于X射线能量,不会对生物大分子、生物细胞和组织产生有害电离,特别适合于对生物组织进行活体检查。因此,相较于现有医学成像技术,太赫兹波光谱成像技术具有更独特、更适用的物理特征。太赫兹波是频率在0.1—10THz的电磁波,处于宏观电子学向微观光子学过渡的波段。国际上,太赫兹生物医学研究随着欧盟2000年设立的国际联合项目“THz-Bridge”正式启动。美国政府将太赫兹技术评为“改变未来世界的十大技术”之一,日本将其列为“国家支柱十大重点战略目标”之首,并将生物医学应用列为主要方向之一,欧洲也连续10年将生物医学应用作为首要研究方向。本次会议的执行主席之一姚建铨院士介绍说,围绕太赫兹技术生物医学应用研究,国际上已经开展了很多大型国际合作项目。目前,国内外在太赫兹技术生物大分子、细胞、组织、器官等生物监测及生物效应研究方面,已取得部分代表性成果。本次会议的执行主席之一杜祥琬院士指出,在所有物理技术中,电磁波技术对医学的促进作用尤其突出。从1901年X线获得第一届诺贝尔物理学奖开始,已有5项与生物医学相关的诺贝尔奖授予了X光谱技术领域。“这次会议就是研讨太赫兹技术和生物医学前沿的交叉,推动这个领域的深入研究与合作。”针对太赫兹技术在生物医学方面的应用,吉林大学教授崔洪亮介绍,生物大分子相互作用是重大生命现象与病变产生的关键动因,而太赫兹光子能量覆盖了生物大分子空间构象的能级范围。该频段包含了其他电磁波段无法探测到的直接代表生物大分子功能的空间构象等重要信息。因此,可以发展一种利用太赫兹探测和干预生物大分子相互作用过程的新理论和新技术,为当前重大疾病诊断、有效干预提供先进的技术手段。太赫兹技术最终应用到生物医学领域,还需要落实到具体的医疗设备上,在产业化上形成一定规模。“我国检验医学现有的核心技术和临床设备主要都被国外垄断,国产品牌市场占有率极低。”第三军医大学西南医院府伟灵教授对此忧心忡忡。他指出:“目前,太赫兹波侦检分子与细胞的检测理论和关键技术是我国第一个与全球同步开展的研究,将从新的视角为检验医学领域提供分子和细胞侦检的革命性科学手段,有望阐明和提供全新的检验医学理论与技术体系,形成太赫兹波—检验医学优势新学科和产业基础。”中国工程物理研究院流体物理研究所李泽仁研究员也表示,目前通过国家对太赫兹源、探测器及成像系统等关键技术与仪器设备的大力支持,我国已基本具备开展太赫兹生物医学研究的基础。“可以说,太赫兹技术在生物医学微观领域,将为揭示生物大分子之间、细胞之间的相互作用物质规律,呈现这些作用和活动的物性特征,最终解释各种生命现象提供革命性科学方法;在生物医学宏观层面,将为疾病的诊断、治疗、评估、监测和预警及后续药物设计、研发、生产和评价带来革命性改变。”对太赫兹技术的未来,天津大学教授姚建铨院士充满信心。然而,国内太赫兹波生物医学研究刚刚起步,缺乏学科间深入有效的交叉融合,缺乏全国性的学术战略发展规划,还不具备国际竞争力。在相关科研支持方面,目前我国只有6项与太赫兹波生物医学相关的国家自然科学基金项目。“国内目前有多个团队正在开展太赫兹波生物医学研究,但还缺乏交叉融合、联合攻关、体系研究的平台、团队和技术支撑,实现实质性突破任重道远。”会议执行主席之一、中国工程物理研究院刘仓理研究员呼吁,这不仅需要研究人员奋起直追,也需要在国家层面上给予规划、支持和协调。(科技日报北京4月12日电) (原标题《我国应加快太赫兹技术生物医学应用研究》)特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。

冷冻电镜技术之所以取得了革命性的进步,除了图像处理硬件的突破,还得益于图像处理软件的

生物科学领域位居前10 位的热点前沿主要集中于RNA 相关研究和技术方法的突破与应用,前者主要包括环状RNA、mRNA 和lncRNA 等相关研究,技术方法的突破与应用包括冷冻电镜技术、3D 生物打印方法和脑结构的光学成像技术等。从研究内容上看,生物科学领域仍聚焦于生命科学与人类健康研究。相比其他领域,生物科学领域的热点前沿核心论文的平均出版年最年轻,均是2014 年以来。

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从施引论文的分布来看,美国是最活跃的国家,参与的施引论文有867 篇,占总施引论文数的47.5%。其次是英国,参与了315 篇施引论文,占比17.3%。德国参与施引论文287 篇,占比15.7%,排在第3 名。中国以189 篇施引论文排在第四位,占总施引论文数的10.4%。施引论文总量排名前十的机构全部来自上述4 个国家,其中英国英国医学研究委员会分子生物学实验室和美国的霍华德休斯医学研究所分别贡献了114 篇和112 篇施引论文,几乎是随后几个机构的2 倍。中国入选Top10 的两个机构清华大学和中国科学院贡献的施引论文数与马普学会相当。

能解决的生物大分子的结构研究,有越来越多的冷冻电镜技术具有里程碑意义的方法学突破和重要生物大分子结构解析成果发表在高水平的期刊上。该热点前沿的38 篇核心论文记录了这些具有里程碑意义的成果。

近几年来,随着高通量测序技术的发展,科学家开发出一系列在分子水平研究细胞核中染色质高级结构的新技术,推动了染色质高级结构研究的快速发展。其中,染色质构象捕获技术及其衍生技术成为当前应用广泛的技术,并推动染色质的三维空间结构重建和染色质的调控功能研究成为研究热点。该热点前沿与2016 年重点新兴前沿“染色质环接原理及染色体域结构进化”密切相关,具有一定的演进性。

该热点研究的38 篇核心论文共来自9 个国家,其中英国和美国均为16 篇,遥遥领先于其他国家。

该新兴前沿还提供了有关一些种类亲缘关系的一些新见解,以及按蚊基因组动态进化如何促成它们能够灵活地适应新环境和找到人类血液的。随着新型测序技术和生物信息学分析技术的不断发展,这些新测序的基因组为丰富科学资源做出了重要的贡献,将增进对于蚊子不同生物学特征的了解,帮助消除对全球公共健康造成重大影响的疾病。

2014 年,英国医学研究委员会分子生物学实验室的Sjors Scheres 等通过改进电子显微镜技术,成功获得了酵母菌的线粒体核糖体大亚基的图像,分辨率达到3.2 Å。2015 年,清华大学生命学院施一公教授研究团队在该前沿中贡献了两篇核心论文,首次在世界上揭示了分辨率高达3.4 埃的人体γ- 分泌酶的电镜结构,为理解γ- 分泌酶的工作机制及阿尔茨海默症的发病机理提供了重要基础。随后的研究分辨率逐步提高到 2.8 Å,2.6 Å和2.2 Å。2016 年,美国国家癌症研究所的Sriram Subramaniam 等科学家们发布的谷氨酸脱氢酶结构的分辨率甚至已经达到了1.8 Å。

在《2017研究前沿》基础上,《2017研究前沿热度指数》评估了世界主要国家在上述前沿领域中的研究活跃程度。报告称,美国、中国、英国在这些前沿领域研究最为活跃。在10个领域中,美国在8个领域得分排名第一。中国在化学与材料科学领域和数学、计算机科学与工程学领域得分排名第一,显示出中国学者在这两个领域的研究前沿最为活跃。但中国在临床医学领域、天文学与天体物理领域和经济学、心理学及其他社会科学领域等3个领域得分较为靠后。

而来自马萨诸塞大学医学院和魏茨曼科学研究所的研究者分别在小鼠 X 染色体和果蝇基因组中发现了类似的拓扑结构域,支持了上述研究。此外,染色质成环位置和成环机制以及CTCF 蛋白对基因组结构的影响也是该研究前沿的重要内容,为进一步认识三维基因组的结构和功能以及疾病发生发展奠定了重要基础。

重点新兴前沿——蚊子的基因渗入及其网状系统发育模式

“基于高通量的染色质构象捕获及其衍生技术应用”研究前沿中施引论文的Top 产出国家和机构

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一直以来,按蚊的基因组资源的缺乏使得研究只能针对个别基因来调查影响按蚊传播疟原虫能力的关键特性。2015 年,博德研究所Daniel Neafsey 和圣母大学的Nora Besansky 联合领导的国际科学家小组对16 个按蚊基因组进行了测序,其团队中来自世界各地的科学家们分别检测了蚊子的生殖过程、免疫应答、杀虫药抗药性和化学感应机制相关的基因,揭示了某些按蚊物种特别擅于造成危及生命感染的显着基因差异。该核心论文是该新兴前沿中被引次数最高,达到76 次。2016 年,为了阐明跨基因组的渗入程度和模式,赖斯大学的研究人员设计出一种量化每个基因组区域在系统发育网络中使用网状分支的新方法。将该方法应用于蚊子数据集,揭示了所有染色体的进化历史。

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