新技术提供更高分辨率的分子成像和分析

美国西北大学的一个研究小组开发了一种新的纳米光谱分析方法，这种方法可以帮助研究人员理解更复杂的生物分子相互作用，并在单分子水平上表征细胞和疾病。

新系统,称为不对称分散光谱单分子定位显微镜(SDsSMLM),以现有的sSMLM技术为基础开发的麦考密克工程学院提供更精确的光谱单分子分析来研究细胞在某些癌症,或疾病如糖尿病视网膜病变、函数的局部环境。

三维双平面SDsSMLM系统原理图。图片来：西北大学

虽然目前的光谱单分子定位显微镜技术同时实现了超分辨率成像和单分子光谱分析，但目前的sSMLM设计存在成像分辨率和光谱精度降低的问题。这是由于系统将有限数量的发射光子(传输电磁光的原子粒子)划分为两个独立的通道进行空间和光谱成像造成的。

领导这项研究的生物医学工程教授张浩(音)说:“我们不应该仅仅满足于知道一个特定的分子在哪里或者很多分子在哪里，而不区分它们的属性。”“我们的方法使我们能够充分利用每个发射的所有光子进行空间成像和光谱分析。因此，与现有的sSMLM技术相比，我们显著提高了空间成像的分辨率和光谱精度。

一篇题为“对称分散光谱单分子定位显微术”的论文发表在5月25日的《光:科学与应用》杂志上。机械工程教授孙成是这篇论文的合著者之一。

现有的sSMLM方法通常使用1:3的比例在空间通道和光谱通道之间分割照片，与此不同，SDsSMLM提交所有可用的照片来创建两个镜像光谱图像。这种方法以尽可能高的分辨率提取光谱信息。此外，由于图像是对称的，研究人员仍然可以通过识别两幅光谱图像之间的中点来识别空间信息。

研究人员发现，与使用相同数量照片的现有sSMLM相比，SDsSMLM的空间精度提高了42%，光谱精度提高了10%。

张说:“我们意识到，在现有的sSMLM技术中，光谱图像完全忽略了空间信息。”“这种方法允许我们应用所有可用的光子进行光谱分析，以提高分辨率，同时获得空间成像。”

当与光谱单分子成像技术一起使用时，SDsSMLM可以用于三维细胞成像，这是细胞生物学和材料科学中一个重要的工具，它允许研究人员跟踪细胞在其环境中如何相互作用。

张说:“这项技术适用于所有的分子，不管它们的发射光谱和微小的光谱变化，甚至在相同种类的分子中也是如此。”“随着空间分辨率和光谱精度的提高，sSMLM将在细胞的多分子成像和生物和化学研究中对单个纳米颗粒的三维跟踪方面得到更广泛的应用。”

除了该系统的先进成像能力，SDsSMLM的紧凑的性质，允许方便的集成和可靠的操作与传统的荧光显微镜系统。结合研究人员开发的一个名为“彩虹风暴”的开源插件，张希望生物研究领域的其他成员能将这种先进技术应用到他们自己的工作中。

“我们的设计是独立的，可以安装在大多数的显微镜系统，”张说。“我们希望其他研究人员能利用我们的研究成果。”

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