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新型高清显微镜

admin| 2020-1-6 14:02

尖端的显微镜可以使微小的细胞结构可见,它们能提供的分辨率达到几十分之一纳米,换句话说,几百万分之一毫米。到目前为止,超分辨率显微镜比传统方法慢得多,因为需要记录更多或更精细的图像数据。 ...
  

这张由新显微镜拍摄的照片显示了一个活体骨癌细胞,细胞核(蓝色),线粒体(绿色)和细胞骨架(品红)。图片来源:德国比勒菲尔德大学。

尖端的显微镜可以使微小的细胞结构可见,它们能提供的分辨率达到几十分之一纳米,换句话说,几百万分之一毫米。到目前为止,超分辨率显微镜比传统方法慢得多,因为需要记录更多或更精细的图像数据。来自比勒费尔德大学的研究人员与来自Jena的合作伙伴一起,现在进一步开发了超分辨率SR-SIM过程。学术界的研究表明,SR-SIM也可以实时成像,成像速度很高,因此适合于观察非常小的细胞粒子的运动。他们的研究结果已于近期发表在《自然通讯Nature Communications》杂志上。

“这正是使这种显微镜在生物学或医学应用中真正有用的原因。目前的问题是,提供足够高分辨率的显微镜无法以相应的速度显示信息,”比勒费尔德大学生物分子物理工作组负责人托马斯·休瑟(Thomas Huser)博士说。SR-SIM项目由德国研究基金会(DFG)和欧盟通过Marie Skłodowska-Curie Actions项目资助。

SR-SIM代表“超分辨率结构光照显微镜”,是一种荧光显微镜程序。物体被激光照射。这种光激发样品中的特殊荧光分子,使它们以不同的波长重新发光。显微图像随后显示出重新发出的光。“与其他传统的荧光显微镜方法不同,SR-SIM并不能均匀地照射样品,而是以精细的网格状模式照射。这种特殊的技术可以实现更高的分辨率,”Huser说。

该程序包括两个步骤:首先将样品重新发出的光记录在几个单独的图像中。然后在计算机上根据这些原始数据重建完成的图像。“尤其是第二步,到目前为止花费了大量时间,”安德烈亚斯·马克沃斯(Andreas Markwirth)说,他也是比勒菲尔德大学生物分子物理工作组的成员,也是这项研究的主要作者。因此,比勒费尔德的研究人员与莱布尼兹光子技术研究所和耶拿弗里德里希席勒大学的雷纳·海因茨曼教授合作,加速了这一过程。这种显微镜现在被设计用来更快地产生原始数据。此外,由于在现代图形卡上使用并行计算机处理,图像重建所需的时间大大减少。

在他们的研究中,研究人员在生物细胞上测试了这种新方法,并记录了线粒体、细胞器的运动,这些细胞器的大小约为一微米。“我们已经能够每秒产生大约60帧,比电影的帧速率高。测量和图像之间的时间不到250毫秒,因此这项技术允许实时记录显微图像。”

到目前为止,超分辨率方法经常与传统方法相结合:使用传统的快速显微镜首先发现结构。然后可以使用超分辨率显微镜对这些结构进行详细检查。“然而,有些结构太小,用常规显微镜是找不到的,例如肝细胞中的特殊孔。我们的方法既高分辨率又快速,这使得生物学家能够探索这种结构,”Huser说。“新显微镜的另一个应用是研究病毒颗粒穿过细胞的过程。”这使我们能够确切地了解在感染过程中发生了什么。他预计,这种显微镜将在来年在比勒菲尔德大学用于此类研究。

超分辨率显微镜只有大约20年的历史。1873年,恩斯特阿贝发现可见光光学系统的分辨率限制在250纳米左右。然而,近年来,人们发展了几种光学方法来打破所谓的阿贝衍射势垒。2014年,来自美国的威廉E.莫尔纳(William E. Moerner)和埃里克·贝茨(Eric Betzig)以及来自德国的斯特凡·赫尔因在约2030纳米范围内发展出超分辨率而获得诺贝尔化学奖。

来源:https://phys.org/news/2019-09-hd-microscopy-milliseconds.html

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