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“鬼影成像”技术实现移动物体的超高分辨率成像

发布:HPLlaser    |    2019-12-16 16:34    阅读:330
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超分辨率技术,也称为纳米显微技术,通过克服光的衍射极限来实现纳米级分辨率。尽管纳米显微镜可以捕获细胞内单个分子的图像,但很难应用于活细胞成像,因为这需要数百或数千个成像窗口来重建图像,因此这个过程速度太慢,无法捕获快速变化的动力学过程。现在,一项新的纳米技术有望捕获亚毫秒级速度下细胞内部发生的生物过程。研究人员已使用先进的成像方法以前所未有的速度实现超分辨率显微镜。新方法可以捕获活细胞中以前不可能获取的细节。

来自中国科学院的研究人员在“Optica“上发表了一篇使用“鬼影”非常规成像方法来提高纳米显微镜的成像速度的论文。与传统的纳米技术相比,这种组合使用较少的成像窗口可产生纳米级分辨率。本文的成像方法可以潜在地探测亚细胞尺寸的结构中发生生物过程的时间分辨率毫秒级,空间分辨率为数十纳米尺度上发生的动力学。

新技术实现更快的成像

新技术基于随机光学重建显微镜(STORM),它是2014年获得诺贝尔奖的三项超分辨率技术之一。STORM有时也称为光激活定位显微镜(PALM)场技术,使用荧光标记在发光(打开)状态和暗(关闭)状态之间切换。经过数百或数千次快照,每次快照在给定时间内捕获打开状态的荧光标记的子集,每个分子的位置可以确定并用于重建荧光图像。

研究人员将关注点放在如何利用重影成像加快STORM成像过程。单独的灯光图案不会携带有关物体的任何有意义的信息。而鬼影成像通过将与对象交互的光模式与不相关的参考模式相关联来形成图像。研究人员还使用了压缩成像技术,这是一种计算方法,它使用一种算法来填充丢失的信息,可以使用更少的曝光量重建图像。

研究团队的共同负责人Shensheng Han说:“尽管STORM需要低密度的荧光标记和许多图像帧,但我们的方法可以使用很少的帧和高密度的荧光团来创建高分辨率图像。它也不需要任何复杂的照明,这有助于减少可能损害动态生物过程和活细胞的光致漂白和光毒性。”

提高成像效率

为了实施这项新技术,研究人员使用了一种称为随机相位调制器的光学组件,将样品中的荧光转变为随机的斑点图案。通过这种方式对荧光进行编码,可以使快速CMOS相机的每个像素在单个帧中收集来自整个对象的光强度。为了通过重影成像和压缩成像形成图像,该光强度在单个步骤中与参考光图案相关,从而使图像获取更有效,并减少了形成高分辨率图像所需的帧数。

研究人员使用该技术对60纳米环进行成像测试。新的纳米技术仅使用10个图像帧来就能重建环结构,而传统的STORM方法最多需要4000帧才能达到相同的结果。新方法还使用100个图像帧对40纳米标尺进行了成像。

Wang说:“我们希望这种方法可以应用于各种荧光样品,包括那些荧光强度比本研究中使用的荧光弱的样品。” 研究人员希望使该技术速度能进一步提高,以实现具有大视场的视频速率成像,并计划将其用于采集3D彩色图像。(DOI:https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.001515)

来自中国科学院的Zhongyang Wang课题小组

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