研究人員已使用先進(jìn)的成像方法以前所未有的速度實(shí)現(xiàn)超分辨率顯微鏡。新方法應(yīng)該可以捕獲活細(xì)胞中以前不可能的速度過程的細(xì)節(jié)。

超分辨率技術(shù)(通常稱為納米技術(shù))通過克服光的衍射極限來實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率。盡管納米顯微鏡可以捕獲細(xì)胞內(nèi)單個(gè)分子的圖像，但很難與活細(xì)胞一起使用，因?yàn)樾枰獢?shù)百或數(shù)千個(gè)成像框架來重建圖像-這個(gè)過程太慢，無法捕獲快速變化的動(dòng)力學(xué)。

來自中國(guó)科學(xué)院的研究人員在光學(xué)學(xué)會(huì)(OSA)進(jìn)行高影響力研究的期刊《Optica》中，描述了他們?nèi)绾问褂梅Q為“鬼影”的非常規(guī)成像方法來提高納米顯微鏡的成像速度。與傳統(tǒng)的納米技術(shù)相比，這種組合使用較少的成像框架可產(chǎn)生納米級(jí)分辨率。

研究小組聯(lián)合負(fù)責(zé)人王忠陽說：“我們的成像方法可以潛在地探測(cè)亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中毫秒級(jí)尺度上發(fā)生的動(dòng)力學(xué)，其空間分辨率為數(shù)十納米，即發(fā)生生物過程的時(shí)空分辨率。”

結(jié)合技術(shù)以實(shí)現(xiàn)更快的成像

新方法基于隨機(jī)光學(xué)重建顯微鏡(STORM)，它是2014年獲得諾貝爾獎(jiǎng)的三項(xiàng)超分辨率技術(shù)之一。STORM有時(shí)也稱為光激活定位顯微鏡(PALM)，場(chǎng)技術(shù)，使用熒光標(biāo)記在發(fā)光(打開)狀態(tài)和暗(關(guān)閉)狀態(tài)之間切換。獲取數(shù)百或數(shù)千個(gè)快照，每個(gè)快照捕獲在給定時(shí)間打開的熒光標(biāo)記的子集，從而可以確定每個(gè)分子的位置并用于重建熒光圖像。

新的顯微鏡方法涉及一種稱為隨機(jī)相位調(diào)制器的光學(xué)組件，該組件將來自樣品的熒光轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)的斑點(diǎn)圖案。通過這種方式對(duì)熒光進(jìn)行編碼，可以使非?？斓腃MOS相機(jī)的每個(gè)像素在單個(gè)幀中收集來自整個(gè)對(duì)象的光強(qiáng)度。為了通過重影成像和壓縮成像形成圖像，該光強(qiáng)度在單個(gè)步驟中與參考光圖案相關(guān)。圖片來源：中國(guó)科學(xué)院王忠陽

研究人員轉(zhuǎn)向重影成像，以加快STORM成像過程。鬼影成像通過將與對(duì)象交互的光模式與不相關(guān)的參考模式相關(guān)聯(lián)來形成圖像。單獨(dú)地，燈光圖案不會(huì)攜帶有關(guān)物體的任何有意義的信息。研究人員還使用了壓縮成像技術(shù)，這是一種計(jì)算方法，可以使用更少的曝光量重建圖像，因?yàn)樗褂靡环N算法來填充丟失的信息。

“盡管STORM需要低密度的熒光標(biāo)記和許多圖像幀，但是我們的方法可以使用很少的幀和高密度的熒光團(tuán)來創(chuàng)建高分辨率圖像，”研究團(tuán)隊(duì)的聯(lián)合負(fù)責(zé)人韓申生說。“它也不需要任何復(fù)雜的照明，這有助于減少可能損害動(dòng)態(tài)生物過程和活細(xì)胞的光致漂白和光毒性。”

提高成像效率

為了實(shí)施這項(xiàng)新技術(shù)，研究人員使用了一種稱為隨機(jī)相位調(diào)制器的光學(xué)組件，將樣品中的熒光轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)的斑點(diǎn)圖案。通過這種方式對(duì)熒光進(jìn)行編碼，可以使非?？斓腃MOS相機(jī)的每個(gè)像素在單個(gè)幀中收集來自整個(gè)對(duì)象的光強(qiáng)度。為了通過重影成像和壓縮成像形成圖像，該光強(qiáng)度在單個(gè)步驟中與參考光圖案相關(guān)。結(jié)果是更有效的圖像獲取，并減少了形成高分辨率圖像所需的幀數(shù)。

研究人員通過使用該技術(shù)對(duì)60納米環(huán)成像來測(cè)試了該技術(shù)。新的納米技術(shù)只能使用10個(gè)圖像幀來解決環(huán)問題，而傳統(tǒng)的STORM方法最多需要4000幀才能達(dá)到相同的結(jié)果。新方法還解決了帶有100個(gè)圖像幀的40納米標(biāo)尺。

Wang說：“我們希望這種方法可以應(yīng)用于各種熒光樣品，包括那些熒光強(qiáng)度比本研究中使用的熒光弱的樣品。” 研究人員還希望使該技術(shù)更快，以實(shí)現(xiàn)具有大視場(chǎng)的視頻速率成像，并計(jì)劃將其用于獲取3D和彩色圖像。