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三维光学超分辨成像:打开活细胞观察新视野

“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。”沈括在《梦溪笔谈》中的一段描述,看出了人类对微观世界的探索欲。

到了现代社会,显微镜的出现,让人类更加清晰地洞察到微观世界。

近日,浙江大学光电科学与工程学院刘旭教授和匡翠方教授课题组提出了一种新颖的光学成像技术——多角度干涉显微镜(MAIM),实现了对生物体内活细胞的多色、长时程、高速和三维超分辨成像。

该成像技术为微管、内质网、线粒体和细胞膜等亚细胞器的生物动力学分析提供了有力的研究工具。这项研究发表在知名期刊《自然·通讯》上。

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,这项技术也有其弊端,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。

与此同时,在大多数情况下,成像需要很强的激发光,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。

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。

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。

刘旭介绍,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。

据了解,这一新颖的成像技术已经研制成仪器,正在产业化。

(作者:江耘 柯溢能)

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