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三维光学超分辨成像：打开活细胞观察新视野 研究从诺贝尔奖开始 沈复在《浮生六记》中曾写道，余忆童稚时，能张目对日，明察秋毫，见藐小之物必细察其纹理，故时有物外之趣。 到了现代社会，要看清楚微观世界，人们研究出了显微镜。 为满足纷繁复杂的实验要求，显微镜已经衍生出多个门类。以光学显微镜而言，就有便于测定矿物光学常数的红外显微镜，用于鉴定物质细微结构光学性质的偏光显微镜，适合观察活细胞、进行定点光漂白实验的双光子荧光显微镜等，它们在不同条件下各具优势，同时也有各自的技术局限。 2014年的诺贝尔化学奖颁发给了超分辨荧光显微技术的发明者，这一技术利用特定的荧光染料实现光学的超分辨，突破衍射极限，到达200纳米以下的尺度。科学家们可以通过光学显微镜，看到细胞的精细结构。 刘旭介绍，这项技术也有自己的弊端，比如对荧光染料有特殊的擦除或者开关效应要求，或需要获取成百上千张原始图像以重构超分辨图像，因此成像时间较长。“短则十几秒，长则几十分钟才能获得一张超分辨图像，对于捕捉活细胞的运动瞬间仍旧困难重重。” 刘旭还告诉记者，现有超分辨显微还有一个较大的瓶颈是，在大多数情况下，成像需要很强的激发光，这对细胞，尤其是活细胞来说很不友好，常常会将细胞杀死。而且强光照射也会导致荧光分子被快速漂白，无法对活细胞进行长时程成像。 因此，如何规避现有的瓶颈，捕捉到活体状态下亚细胞、蛋白的运动，成为了课题组要攻克的难题。 洞见新世界 探寻生命原理 课题组提出了一种基于非共轴干涉系统的新型光学成像技术。该方法结合了结构光照明显微技术和多角度全内反射照明显微技术，适用于任何荧光染料标记下的超分辨成像。 常规光学显微镜的分辨率具有极限，在可见光照明区域，横向极限分辨率是成像光波长的一半(250-300纳米) ，轴向上500-600纳米。而结构光照明显微技术只将横向和轴向分辨率上提升了一倍。 课题组巧妙地把多角度全内反射照明引入到结构光照明显微技术中，实现了横向分辨率~100纳米，轴向分辨率~40纳米的三维超分辨成像。 在成像速度提升方面，课题组通过利用变角度倏失场照明下的结构光成像，并结合计算成像模型，使得三维成像速度大大提升。同时由于所需光剂量低，成像速度快，减少了荧光漂白，有利于长时程观测。对活细胞内线粒体和微管的成像结果如图2所示，揭示了它们的三维动态变化。 “对细胞膜附近的细胞器进行三维快速超分辨成像，可以为亚细胞研究提供可能，揭示生命内在规律。”对此，刘旭举了如下例子：过去进行药物效果实验，大多只能通过整体的结果研究来了解药物疗效，而无法研究药物是如何穿透细胞膜，如何运动以及如何相互作用的。未来就可通过MAIM显微镜，了解这些动态过程，从而大大提高各种研究的效率。 这一新颖的成像技术已经研制成仪器，目前正在产业化过程中。（来源：科技日报 作者：江耘） 分享到：
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