哈工大突破高通量超分辨显微成像难题

近日，哈工大仪器学院青年教授李浩宇团队在生物医学超分辨显微成像技术领域取得突破性进展。针对目前超分辨显微镜所面临的成像通量限制，团队提出基于计算光学成像的新一代高通量三维动态超分辨率成像方法，通过计算成像技术增强荧光涨落探测灵敏度，使探测灵敏度提升两个数量级以上，突破了现有显微成像技术在高通量视场、高空间分辨率和高时间分辨率等难以兼顾的难题，将目前世界上超分辨显微镜中最高通量视场成像范围提升至毫米级，可在10分钟内对包含超过2000个细胞的视场上实现了128纳米的超高空间分辨率成像，为细胞学异质性和生物医学等研究提供新的科学影像仪器。

6月15日，该研究成果以《通过增强荧光涨落检测实现高通量超分辨率成像》（Enhanced detection of fluorescence fluctuations for high-throughput super-resolution imaging）为题，以长文形式在线发表于国际权威杂志《自然光子学》（Nature Photonics，2021年影响因子39.7，光学类最高），这是哈工大首次在该刊物上以第一通讯单位发表论文。

超分辨成像技术的出现标志着成像领域对于光学衍射极限的突破，也极大地推动了生物医学领域的发展。利用超分辨技术，生物学家得以对病态细胞内的亚细胞结构进行精准的量化统计和直观的可视化分析。然而，常见的超分辨技术往往需要复杂的图像采集设备和特定的成像控制，并且时间分辨率低，成像通量不足，这限制了超分辨成像在生物医学中的广泛应用。基于荧光涨落物理特性的超分辨成像技术（Super-resolution optical fluctuation imaging，SOFI）是一种经典的基于统计学的超分辨方法，可以在不借助额外光学元件的条件下突破衍射极限。但传统的SOFI技术往往需要1000帧以上的原始图像用于重建，自2009年提出至今仍然难以满足生物医学中对于大视场和细胞器瞬时动态等研究的高通量成像需求。

为了解决上述问题，李浩宇团队提出了自相关两步解卷积超分辨成像（Super resolution imaging based on Auto Correlation with two-step Deconvolution，SACD）。不同于传统SOFI需要统计大量的原始图像，SACD通过增强图像中的可探测荧光涨落特性，在每一帧图像中提取更多有效信息以实现超分辨成像。SACD在计算超分辨统计量前对原始图像进行预解卷积，这一独特的处理增强了荧光信号的开关对比度，更高效地利用信息，从而缩减了重建所需的原始图像数量。随后再将解卷积作为后处理步骤，进一步提升空间分辨率。最终，SACD可以将重建所需原始图像数量缩减两个数量级以上，并使空间分辨率提升超过两倍多，满足了生物医学研究的高通量成像需求。