我國突破高通量超分辨顯微成像難題 探測靈敏度提升兩個數(shù)量級
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】近日，哈工大儀器學(xué)院研究團隊在生物醫(yī)學(xué)超分辨顯微成像技術(shù)領(lǐng)域取得突破性進展。團隊提出基于計算光學(xué)成像的新一代高通量三維動態(tài)超分辨率成像方法，突破了現(xiàn)有顯微成像技術(shù)在高通量視場、高空間分辨率和高時間分辨率等難以兼顧的難題。研究成果以《通過增強熒光漲落檢測實現(xiàn)高通量超分辨率成像》為題，在線發(fā)表于國際權(quán)威雜志《自然光子學(xué)》。
近年來，隨著高強度激光、高靈敏探測器等光電器件研制技術(shù)以及新型熒光探針開發(fā)等相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展，超分辨顯微成像技術(shù)(SRM)快速發(fā)展，突破了光學(xué)顯微衍射極限，也為現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)研究提供了強有力的工具，使生物學(xué)家得以對病態(tài)細(xì)胞內(nèi)的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)進行精準(zhǔn)的量化統(tǒng)計和直觀的可視化分析。
但是目前常見的超分辨技術(shù)需要復(fù)雜的圖像采集設(shè)備和特定的成像控制，同時存在時間分辨率低、成像通量不足等問題，使其難以在生物醫(yī)學(xué)中廣泛應(yīng)用。為此，哈工大研究團隊針對基于熒光漲落物理特性的超分辨成像技術(shù)(SOFI)提出了相應(yīng)的解決方案。
SOFI是一種經(jīng)典的基于統(tǒng)計學(xué)的超分辨方法，其限制主要在于需要1000幀以上的原始圖像用于重建，因此難以滿足對于大視場和細(xì)胞器瞬時動態(tài)等研究的高通量成像需求。團隊提出了自相關(guān)兩步解卷積超分辨成像（SACD）。SACD在計算超分辨統(tǒng)計量前對原始圖像進行預(yù)解卷積，這一獨特的處理增強了熒光信號的開關(guān)對比度，更高效地利用信息，從而縮減了重建所需的原始圖像數(shù)量。隨后再將解卷積作為后處理步驟，進一步提升空間分辨率。最終，SACD可以將重建所需原始圖像數(shù)量縮減兩個數(shù)量級以上，并使空間分辨率提升超過兩倍多。
在實驗中，SACD可在10分鐘內(nèi)對包含超過2000個細(xì)胞的視場上實現(xiàn)了128納米的超高空間分辨率成像，將目前世界上超分辨顯微鏡中最高通量視場成像范圍提升至毫米級。
此外，團隊還在SACD的基礎(chǔ)上引入了之前開發(fā)的稀疏解卷積技術(shù)，克服了低信噪比與長時程的活細(xì)胞成像條件，使快速而復(fù)雜的細(xì)胞器動態(tài)過程得以可視化。
通過充分利用原始圖像中的熒光漲落信息，SACD打破了現(xiàn)有超分辨技術(shù)的通量限制以及需要特殊光學(xué)控制的設(shè)備限制，同時還能夠直接應(yīng)用于現(xiàn)有商業(yè)化共焦熒光顯微鏡系統(tǒng)(或其他任何熒光系統(tǒng))中，有助于低成本、高通量地進行相關(guān)生物醫(yī)學(xué)研究，有望成為生物學(xué)家分析細(xì)胞結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)動力學(xué)的常規(guī)儀器。
編輯點評：SRM技術(shù)突破了光學(xué)顯微衍射極限, 其取得的巨大發(fā)展為生物醫(yī)學(xué)研究提供了強有力的工具，但作為一種新興技術(shù)，在實際應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究時仍面臨著許多亟待解決的問題，尤其是當(dāng)研究對象是活的、具有一定厚度的、成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的細(xì)胞、組織等生物樣品時。哈工大團隊的研究成果突破了高通量超分辨顯微成像難題，進一步推動了SRM技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的廣泛應(yīng)用，是我國在高端儀器領(lǐng)域取得的重大成果。
(來源：哈爾濱工業(yè)大學(xué))
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