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苏州医工所在超分辨光学显微成像研究中取得突破
发表日期: 2016-03-24 作者: 姜杉
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  远场超分辨光学显微技术其具有非侵入性、活体细胞检测能力,是生物学领域中研究亚细胞精细结构和细胞内生命活动的重要工具。然而,现有的超分辨显微技术,大多存在时间分辨率较差、系统结构复杂等问题。近年出现的基于光学涨落信号的超分辨显微技术(Super-resolution Optical Fluctuation ImagingSOFI)),具有照明强度低、系统结构简单、适用范围广等特点,但大部分SOFI超分辨显微成像的时间分辨率较差,大多为几秒至几十秒,不利于对活体样本进行动态检测。 

  近期,苏州医工所张运海课题组的姜杉等研究人员,在国际上首先提出对传统SOFI算法的光学涨落信号提取过程进行改进,成功实现了时间分辨率的提高。该技术通过消除荧光量子点的不稳定性以及探测器读出噪声对SOFI处理结果的影响,提升了光学涨落信号的提取效率,大幅度提高了SOFI超分辨显微成像技术的时间分辨率,有利于推动超分辨显微技术在生物学领域的大规模应用。 

  图1普通宽场荧光显微成像和改进后的SOFI处理结果

  a) 平均25幅宽场显微图像;b) 改进后的4SOFI处理结果;

  c) 为图a)中标出区域的放大图片;d) 为图b)中标出区域的放大图片;

  e) c) d)中标出的线段位置对应的强度分布;

  f) 改进后的SOFI处理结果中粒子半高宽分布

  1中给出了检测利用量子点标记的生物样本时,平均25张原始图片和改进后的SOFI处理结果。该研究基于倒置荧光显微镜,使用商用荧光量子点QDot525对固定细胞内的微管进行标记,利用sCMOS相机记录宽场显微图像。对比图1中的 a)b)可以看出,利用改进后的SOFI算法处理25张原始图片时,可以产生一张信噪比较好的SOFI处理结果,SOFI的空间分辨能力提高比较明显,原始图片和处理后的图片相似度高。经过SOFI处理后的平均半高宽达到100 nm左右,同时能够分辨两个距离为130 nm的量子点。从以上结果可以看出,仅利用25张原始图片,就可以产生比较理想的SOFI处理效果。在时间分辨率方面,突破了此前利用商用量子点的时间分辨率记录4.5 s,达到了1.25 s 

  以上成果已经在Optics Express上发表: 

  Jiang Shan, Zhang Yunhai, Yang Haomin, Xiao Yun, Miao XIn, Li Rui, Xu Yiwen, and Zhang Xin,"Enhanced SOFI algorithm achieved with modified optical fluctuating signal extraction," Optics Express 24(3), 3037-3045 (2016). (IF3.488) 

  文章链接: 

  https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-24-3-3037 

  该工作得到了国家重大科研装备研制项目(超分辨显微光学关键部件及系统)以及江苏省六大人才高峰资助项目和苏州应用基础研究计划项目的支持。 

  超分辨项目自2014年启动以来,取得了一系列进展。目前,已经研制出第二代共聚焦显微镜,该仪器可进行三维层析共聚焦成像和多通道共聚焦光谱成像。另一方面,搭建了STED超分辨显微成像系统,并完成了样机设计、加工以及初步装调,横向空间分辨率达到50纳米左右。此外双光子显微镜实现销售,双光子STED显微镜实验验证方面也取得重要进展。 

  a) 共聚焦成像(分辨率200nm)        b) STED成像结果(分辨率可达50nm)

  2.STED超分辨显微样机对荧光小球的成像结果

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