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《美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员比较了低温冷却器中振荡流量的三种测量方法》

  • 编译者： 张宇
  • 发布时间：2024-11-11

  • 近日，来自美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员表示为了研究低温冷却器和低温冷却器压缩机通常需要测量振荡质量流量。尽管在低温冷却器研究的相关文献中使用了许多测量技术，但缺乏详细的比较，因此实验人员可能很难决定哪种方法最适合他们。在这项研究中，工作人员使用三种不同的技术同时测量了流速幅度高达约 10 g/s 的振荡氦气：热线风速测定法、测量筛床上的压力差以及测量已知合规存储层中的压力振荡。结果表明，这三种流量测量方法彼此之间的最大流量偏差在个百分点之内；这种高度一致性验证了所有三种方法均可作为低温制冷机实验者的有效测量手段。基于储气罐顺应性的流量测量方法在考虑热边界层效应时最为准确。可在接近环境温度和1.4 Hz的频率下测量振荡流量。

    这项研究的结果已发表在《International Cryocooler Conference》会议录中。

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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员利用新型原子温度计实现更精确的温度测量》
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2025-03-26
    • 近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员开发了一种新型温度计，利用被激发到极高能级的原子，这些原子的体积比正常原子大一千倍。通过监测这些巨大的“里德堡原子”与周围环境中的热量如何相互作用，研究人员能够以极高的精度测量温度。这种温度计的灵敏度有望在从量子研究到工业制造等多个领域提升温度测量的准确性。 与传统温度计不同，里德堡温度计无需在工厂进行初始调整或校准，因为它依赖于量子物理的基本原理。这些基本的量子原理能够产生精确的测量结果，并且可以直接追溯到国际标准。 “我们正在开发一种温度计，它无需像现有温度计那样进行常规校准，就能提供准确的温度读数。”NIST的博士后研究员Noah Schlossberger表示。 革新温度测量技术 该研究于2025年1月23日发表于《Physical Review Research》期刊，是首次成功利用里德堡原子进行温度测量。为了制造这种温度计，研究人员在一个真空室内填充了铷原子气体，并使用激光和磁场将原子冷却至接近绝对零度，大约为0.5毫开尔文（千分之一度）。这意味着原子几乎处于静止状态。随后，研究人员利用激光将原子的最外层电子激发到非常高的轨道，使原子的体积比普通铷原子大了约1000倍。 在里德堡原子中，最外层电子远离原子核，因此对电场和其他影响因素更为敏感，其中包括黑体辐射，即周围物体发出的热量。黑体辐射可导致里德堡原子中的电子跃迁至更高轨道。温度升高会增加环境中的黑体辐射量，并加快这一过程。因此，研究人员可以通过跟踪这些能量跃迁随时间的变化来测量温度。 这种方法能够检测到极其微小的温度变化。尽管还有其他类型的量子温度计，但里德堡温度计可以在不接触被测物体的情况下，测量其周围环境从大约0到100摄氏度的温度。 这一突破不仅为新型温度计的开发铺平了道路，而且对于原子钟来说意义重大，因为黑体辐射会降低原子钟的精度。 “原子钟对温度变化极为敏感，这可能导致其测量结果出现微小误差。”美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究科学家Chris Holloway表示，“我们希望这项新技术能够帮助我们的原子钟变得更加精确。” 除了在精密科学领域之外，这种新型温度计还可能在极具挑战性的环境中得到广泛应用，例如航天器和先进制造工厂，这些地方都需要极其精确的温度读数。 凭借这一成果，NIST继续推动科学技术的边界。 “这种方法为一个温度测量与自然基本常数一样可靠的世界打开了大门。”Holloway补充道，“这是量子传感技术向前迈出的令人兴奋的一步。” 文章信息：Noah Schlossberger, et al. Primary quantum thermometry of mm-wave blackbody radiation via induced state transfer in Rydberg states of cold atoms. Physical Review Research. Published online Jan. 23, 2025. DOI: 10.1103/PhysRevResearch.7.L012020
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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员使用红外透射成像的新方法测量活细胞中的生物分子》
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2024-10-20
    • 近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家首次使用红外（IR）透射成像技术捕捉到水中单个活细胞中生物分子的清晰图像。IR技术使研究人员能够测量细胞中生物分子（如蛋白质）的质量。该方法使用简单的组件，有可能促进生物制药和细胞疗法等方面的进步。 为了加速生物科技的创新，例如研发拯救生命的药物疗法，科学家们正努力开发更快、更定量和更广泛可用的方法来观察活细胞中的生物分子。 NIST的研究人员开发了一种新方法，该方法可以通过红外（IR）光来捕捉细胞内生物分子的清晰图像，因为细胞中的水倾向于吸收红外辐射，所以这在以前的是不可能实现的。新方法消除了基于红外测量中水的模糊效应，并使研究人员能够确定细胞中关键生物分子的数量，例如指导细胞功能的蛋白质。能够测量活细胞中生物分子变化的能力可以加速生物制药和细胞疗法等方面的进步。 红外辐射是刚好超出人眼可见范围的光。虽然我们看不到红外光，但我们可以感觉到它的热量。在红外显微镜中，特定的材料会吸收红外光谱中一系列波长的辐射。科学家测量并分析样品的红外吸收光谱，产生一组“指纹”来识别分子和其他化学结构。然而，水是细胞内外最丰富的分子，它会强烈的吸收红外光，并掩盖细胞中其他生物分子对红外光的吸收。 理解这种光学掩蔽效果的一种方法是将其比作一架飞机从头顶经过太阳旁边时的情景。由于太阳的光芒太过耀眼，所以用肉眼很难看到飞机，但如果你使用一种特殊的太阳遮挡滤镜，那么你就可以很容易地在天空中看到飞机。 NIST 化学家 Young Jong Lee 表示：“在光谱中，水对红外线的吸收能力非常强，我们希望透过浓厚的水背景看到蛋白质的吸收光谱，因此我们设计了光学系统来消除水的模糊效应并揭示蛋白质信号。 Lee开发了一种获得专利的技术，该技术使用光学元件来补偿 IR 的吸水率。这种称为溶剂吸收补偿（SAC）的技术与手工制造的红外激光显微镜一起使用，可对支持结缔组织形成的细胞（称为成纤维细胞）进行成像。在 12 小时的观察期内，研究人员能够在细胞周期的各个阶段（例如细胞分裂）识别生物分子组（蛋白质、脂质和核酸）。虽然这看起来像是很长的时间，但该方法最终比目前的替代方案更快，后者需要在大型同步加速器设施中占用束流时间。 这种称为 SAC-IR（溶剂吸收补偿-红外）的新方法是无需标记的，这意味着它不需要任何染料或荧光标记物，这些染料或荧光标记可能会损伤细胞，并且在不同实验室之间产生的结果也不太一致。 SAC-IR的方法使 NIST 研究人员能够测量细胞中蛋白质的绝对质量，以及核酸、脂质和碳水化合物。该技术有助于为标准化测量细胞中生物分子的方法奠定基础，这项技术被证明在生物学、医学和生化技术研究中是大有可为的。 “例如，在抗癌细胞疗法中，从患者体内提取出的免疫细胞被训练后，达到可以更好地识别和杀死癌细胞的效果，然后再将这些免疫细胞重新注射到患者体内，人们不禁会问，'这些细胞安全有效吗？'我们的方法可以通过监测有关细胞内生物分子的更多形态变化来帮助评估细胞的健康状况，“Lee 表示。 其他潜在应用包括使用细胞进行药物筛选，无论是在研发新药还是评估候选药物的安全性和有效性方面。例如，这种方法可以通过测量大量单个细胞中各种生物分子的绝对浓度来帮助评估新药的效力，或者分析不同类型的细胞对药物的反应。 研究人员希望进一步开发这项技术，以便能够更准确地测量其他关键生物分子，例如 DNA 和 RNA。该技术还有助于为细胞生物学中的基本问题提供详细的答案，例如哪些生物分子特征与细胞活力相对应——换句话说，就是细胞是活着的、奄奄一息的、还是已经死亡的。 “一些细胞在冷冻状态下被保存数月或数年，然后解冻以备后用。我们还没有完全掌握在解冻细胞的同时保持其最大的活性的能力。但凭借我们新的测量能力，我们可能能够通过观察它们的红外光谱来帮助开发更好的细胞冻融流程，“Lee 表示。 相关研究成果已于2024年9月4日发表在《Analytical Chemistry》期刊上（DOI：10.1021/acs.analchem.4c02108）。
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