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鬼影成像可加速超分辨率显微镜

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。新方法应该可以捕获活细胞中以前不可能的速度过程的细节。

超分辨率技术(通常称为纳米技术)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,但很难与活细胞一起使用,因为需要数百或数千个成像框架来重建图像-这个过程太慢,无法捕获快速变化的动力学。

鬼影成像可加速超分辨率显微镜

来自中国科学院的研究人员在光学学会(OSA)进行高影响力研究的期刊《Optica》中,描述了他们如何使用称为“鬼影”的非常规成像方法来提高纳米显微镜的成像速度。与传统的纳米技术相比,这种组合使用较少的成像框架可产生纳米级分辨率。

研究小组联合负责人王忠阳说:“我们的成像方法可以潜在地探测亚细胞结构中毫秒级尺度上发生的动力学,其空间分辨率为数十纳米,即发生生物过程的时空分辨率。”

结合技术以实现更快的成像

新方法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。获取数百或数千个快照,每个快照捕获在给定时间打开的荧光标记的子集,从而可以确定每个分子的位置并用于重建荧光图像。

新的显微镜方法涉及一种称为随机相位调制器的光学组件,该组件将来自样品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,可以使非常快的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。图片来源:中国科学院王忠阳

研究人员转向重影成像,以加快STORM成像过程。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。单独地,灯光图案不会携带有关物体的任何有意义的信息。研究人员还使用了压缩成像技术,这是一种计算方法,可以使用更少的曝光量重建图像,因为它使用一种算法来填充丢失的信息。

“尽管STORM需要低密度的荧光标记和许多图像帧,但是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,”研究团队的联合负责人韩申生说。“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,可以使非常快的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。结果是更有效的图像获取,并减少了形成高分辨率图像所需的帧数。

研究人员通过使用该技术对60纳米环成像来测试了该技术。新的纳米技术只能使用10个图像帧来解决环问题,而传统的STORM方法最多需要4000帧才能达到相同的结果。新方法还解决了带有100个图像帧的40纳米标尺。

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。” 研究人员还希望使该技术更快,以实现具有大视场的视频速率成像,并计划将其用于获取3D和彩色图像。

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