时间:2022-03-26 16:58:09来源:
固定细胞样品中微管的图像。固定3T3细胞中微管的3微米x 3微米共聚焦扫描,用两种方法分析量子点。左上:图像扫描显微镜(ISM),右下:傅立叶加权后的超分辨率光学波动图像扫描显微镜(SOFISM)。(资源:UW Physics,A。Makowski)。
华沙大学物理系和魏茨曼科学研究所的波兰-以色列团队在荧光显微镜方面取得了另一项重大成就。在Optica期刊的页面上,团队提出了一种新的显微镜方法,从理论上讲,它没有分辨率的限制。在实践中,研究小组设法证明了比衍射极限提高了四倍。
生物科学和医学的不断发展要求能够检查越来越小的物体。科学家需要研究例如细胞中蛋白质的结构以及它们之间的相互关系。同时,观察到的样品不应与生物有机体中天然存在的结构不同,这排除了使用侵蚀性程序和试剂的可能性。
尽管经典光学显微镜彻底改变了自然科学,但今天显然还不够用。由于光的波状性质,光学显微镜不允许成像结构小于约250纳米。结果,不能辨别出比光波长的一半(绿光约为250nm)更近的物体。长期以来,科学家一直试图克服这种现象,即衍射极限,这是观察最小的生物结构的主要障碍之一。
电子显微镜可提供更好的分辨率,但只能检查无生命的物体,这些物体必须置于真空中并受到电子束的轰击。因此,电子显微镜不能用于研究生物体及其中发生的自然过程。
这是荧光显微技术的介入之地,因此超分辨率荧光显微技术作为物理科学领域的发展迅速,并已在2008年和2014年获得两项相关研究的诺贝尔奖。
如今,有几种荧光显微镜技术可用,其中一些已在生物成像中得到广泛应用。某些方法,例如PALM,STORM或STED显微镜,具有超高分辨率的特点,可以分辨彼此之间只有十几纳米的物体。但是,这些技术需要较长的曝光时间和生物标本制备的复杂程序。其他技术(例如SIM或ISM显微镜)易于使用,但分辨率的提高非常有限,仅能识别衍射极限尺寸一半的结构。
华沙大学物理学院量子光学实验室的Aleksandra Sroda,Adrian Makowski和Radek Lapkiewicz博士与以色列魏兹曼科学研究所的Dan Oron教授团队合作,介绍了一种新的超级技术分辨率显微镜,称为超分辨率光学波动图像扫描显微镜(SOFISM)。
在SOFISM中,荧光标记物发射强度的自然波动用于进一步增强图像扫描显微镜(ISM)的空间分辨率。ISM是一种新兴的超分辨率方法,已经在商业产品中实现,并被证明对生物成像界很有价值。很大程度上,由于它在横向分辨率(x2)方面实现了适度的改进,因此光学设置几乎没有变化,并且没有长时间曝光的常见障碍。因此,它可以自然扩展标准共聚焦显微镜的功能。ISM使用共聚焦显微镜,其中单个检测器替换为检测器阵列。
在SOFISM中,计算由多个检测器检测到的强度的相关性。原则上,相对于衍射极限,n阶相关性的测量可以导致分辨率提高2n倍。实际上,可以通过测量的信噪比来限制可用于高阶相关的分辨率。
“ SOFISM是易用性和分辨率之间的折衷。我们相信,我们的方法将填补复杂的,难以使用的技术(提供非常高分辨率)和易于使用的较低分辨率的方法之间的利基市场。SOFISM没有理论分辨率极限,在我们的文章中,我们证明了比衍射极限好四倍的结果。我们还表明,SOFISM方法在三维生物结构成像中具有很高的潜力,” Radek Lapkiewicz博士说。
至关重要的是,从技术角度而言,SOFISM十分容易获得,因为它只需要对广泛使用的共聚焦显微镜进行少量修改即可—用SPAD阵列检测器代替其光电倍增管。另外,有必要稍微增加测量时间并改变数据处理程序。“直到最近,SPAD阵列检测器价格昂贵,而且其规格还不足以进行基于相关的显微镜检查。这种情况最近已经改变。去年推出的新型SPAD探测器消除了技术和价格方面的障碍。这使我们认为,诸如SOFISM之类的荧光显微技术可能会在几年后广泛应用于显微检查领域。” Lapkiewicz博士强调说。
参考:“ SOFISM:超分辨率光学波动图像扫描显微镜”,Aleksandra Sroda,Adrian Makowski,Ron Tenne,Uri Rossman,Gur Lubin,Dan Oron和Radek Lapkiewicz于2020年9月29日在Optica.DOI:
10.1364 / OPTICA.399600
该项目是在波兰科学基金会的FIRST TEAM计划下进行的。
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