提要：超分辨光學(xué)成像技術(shù)是目前國(guó)際上光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，在此領(lǐng)域的取得的研究成果使西安光機(jī)所在超分辨光學(xué)顯微成像技術(shù)方面躋身于世界前列。該技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化將改變我國(guó)在超分辨光學(xué)顯微鏡市場(chǎng)沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)高端科學(xué)儀器的局面。該技術(shù)通過(guò)與生物醫(yī)學(xué)、材料化學(xué)等學(xué)科的交叉合作，將大大提高我國(guó)在該領(lǐng)域的研究水平。
眾所周知，光學(xué)成像技術(shù)在人類探索和發(fā)現(xiàn)未知世界奧秘的活動(dòng)中扮演著重要的角色。大到宇宙，小到分子，看得更遠(yuǎn)、更細(xì)、更清楚是人們不斷追求的目標(biāo)。但受限于光的衍射特性，傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率不可能無(wú)限小，存在著瑞利-阿貝物理極限。能否突破這個(gè)極限，繼續(xù)提高光學(xué)系統(tǒng)的成像分辨率?成為當(dāng)今光學(xué)領(lǐng)域公認(rèn)的一個(gè)重大研究課題。
雖然電子顯微鏡、原子力顯微鏡等技術(shù)可以獲得更高的分辨率，但由于各種原因和限制(如不能活體實(shí)時(shí)成像，樣品制備復(fù)雜)，光學(xué)顯微鏡仍然是當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)、材料化學(xué)等學(xué)科研究中的主要觀測(cè)設(shè)備。但普通光學(xué)顯微鏡的橫向分辨率極限約為200nm，這對(duì)亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和分子生物學(xué)研究還不夠精細(xì)。為了突破衍射極限，近年來(lái)涌現(xiàn)出了不少光學(xué)超分辨方法，如光激活定位法(PLAM)，隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)法(STORM)、受激發(fā)射損耗法(STED)等。但受限于單分子定位算法或點(diǎn)掃描成像方式，這幾種超分辨技術(shù)成像速度較慢，而且需要一些特殊染料標(biāo)記樣品。另外一種方式就是使用結(jié)構(gòu)光照明的顯微技術(shù)(SIM)，它使用特殊調(diào)制的光場(chǎng)照明樣品，通過(guò)空間頻譜處理的方式獲得超分辨圖像。由于它屬于寬場(chǎng)成像方式，因此成像速度很快。SIM技術(shù)目前只有美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、瑞士、日本等幾個(gè)國(guó)家掌握，我國(guó)在這方面的研究相對(duì)滯后。
作為明美光電的客戶，中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姚保利研究組長(zhǎng)期從事光學(xué)微操縱技術(shù)和光學(xué)超分辨成像等生物光子技術(shù)的研究工作(其中光鑷技術(shù)已產(chǎn)品化)。自2010年開(kāi)始SIM成像技術(shù)以來(lái)，在科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目支持下，開(kāi)展了深入細(xì)致的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，掌握了其中的關(guān)鍵技術(shù)，并創(chuàng)新性地提出了與現(xiàn)有激光干涉照明SIM技術(shù)不同的方案(已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利)，首次提出并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字微鏡器件(DMD)和LED照明的SIM技術(shù)。該技術(shù)與激光干涉照明SIM技術(shù)相比，具有更高的空間分辨率，更快的成像速度和更好的圖像質(zhì)量，而且大大降低了裝置的復(fù)雜性和成本。經(jīng)標(biāo)定，系統(tǒng)的橫向分辨率達(dá)到了90nm，這也是目前國(guó)際上同類技術(shù)的最好水平。
為了驗(yàn)證該技術(shù)和樣機(jī)裝置在生物醫(yī)學(xué)上的實(shí)際應(yīng)用效果，研究組與國(guó)內(nèi)第四軍醫(yī)大學(xué)和德國(guó)康斯坦茨大學(xué)進(jìn)行了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)研究，利用該系統(tǒng)成功獲得了牛肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞(BPAE)線粒體和小鼠腦神經(jīng)元細(xì)胞的超分辨圖像，并且還實(shí)現(xiàn)了小鼠腦神經(jīng)元細(xì)胞和植物花粉的三維光切片成像，其成像深度和成像速度比當(dāng)前同類切片顯微技術(shù)均提高了約十倍，這對(duì)深層生物樣品的大面積快速三維成像提供了一種新的技術(shù)手段。該研究成果發(fā)表在1月23日出版的Nature子刊Scientific Reports上，論文題為DMD-based LED-illumination Super-resolution and optical sectioning microscopy。
超分辨光學(xué)成像技術(shù)是目前國(guó)際上光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，本研究取得的成果使西安光機(jī)所在超分辨光學(xué)顯微成像技術(shù)方面躋身于世界前列。該技術(shù)通過(guò)與生物醫(yī)學(xué)、材料化學(xué)等學(xué)科的交叉合作，將大大提高我國(guó)在該領(lǐng)域的研究水平。同時(shí)該技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化將改變我國(guó)在超分辨光學(xué)顯微鏡市場(chǎng)沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)高端科學(xué)儀器的局面。
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