打破模糊障碍：解决超分辨率成像的故障

医学研究者在光学显微镜下研究细胞时面临一个障碍——物理定律。获得小于特定大小的图像非常复杂；光学孔径和可见光的波长会造成清晰的破坏。它被称为衍射极限，它是德国物理学家恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）于1873年首次遇到的，它将分辨率最高限制为200纳米（nm）（即200亿分之一米）。

在过去的20年中，新的“超分辨率”技术克服了这一障碍，将物体成像到了几纳米。其中之一是STED（或受激发射损耗）显微镜，甚至获得了2014年诺贝尔物理学奖。但是超分辨率具有局限性：它需要复杂的工具或大量的计算机处理程序，这可能会增加模糊的毛刺。而且它经常使用分子染料作为荧光标签，在激光下很容易降解，因此无法长时间曝光。

在纳米生物光子学中心（CNBP），科学家们正在探索一种新的策略，该策略可以延长研究人员在显微镜下分析细胞的时间。它依赖于巧妙地使用另一种类型的荧光标记物，即上转换纳米颗粒或UCNP。

CNBP麦格理大学分校的博士后研究员Simone De Camillis博士说：“ UCNPs的光学性质为生物传感应用，尤其是超分辨率成像提供了很多机会。”

该团队开发了一种新型的UCNP，当被近红外光激发时，其亮度会突然改变。可以利用这种行为以一半衍射极限的分辨率对物体成像，以便可以更清晰地看到这些极小的粒子。而且，该方法可以应用于当今实验室中广泛使用的标准共聚焦显微镜。

由于该技术依赖于较低功率的光，因此该技术（称为上转换超线性激发发射（uSEE）显微镜）对活细胞相对无害，并且可以使更深的图像成像到组织中。

UCNP还可以与STED方法一起使用，允许成像低至60nm，与使用分子染料的传统STED的性能相当。

该团队现在正在完善新型UCNP的设计及其制造具有更高可靠性的能力。这些改进以及提高的成像能力接近单个纳米颗粒的大小，为“定量成像”铺平了道路：能够计算细胞中UCNP的实际数量，以及识别每个纳米颗粒探针的位置并了解他们在哪里。

De Camillis说：“目前，当它们非常靠近时，很难区分它们。因此，我们现在正在试验UCNP的组成和结构，以使它们能够真正解析单个UCNP，即使它们聚集在一起也能分辨得出。”

原文来源：https://phys.org/news/2020-05-blur-barrier-super-resolution-imaging-glitches.html