超分辨显微成像迎来新突破！新国大苏研院陈南光团队在《先进光子学通讯》发表科研成果

近日，新加坡国立大学苏州研究院（以下简称“新国大苏研院”）生物医学工程创新中心高级研究员陈南光及团队成员在超分辨显微成像技术领域取得研究新进展，相关成果发表于《先进光子学通讯》（Advanced Photonics Nexus）杂志。研究人员开发了一种基于共聚焦狭缝检测的高速共聚焦结构光照明显微镜系统。该系统在增强三维成像能力的同时能保持接近百帧每秒的成像速度，在生物医学领域具有重要意义。

研究背景

光学显微镜是实验室中最常用的工具。在生物实验室中，使用比较广泛的是宽场荧光显微镜，它操作简单，成像速度快，但通常局限于观测较薄的样本如贴壁的培养细胞和组织薄切片。为了克服这一缺点，许多不同类型的显微镜被提出，如激光扫描共聚焦显微镜，多光子显微镜，光片显微镜和结构光照明显微镜。这四种显微镜各有应用特点和使用优势，但同时也存在一定的不足，例如光片显微镜成像速度快，切片能力好，光漂白率低，但样品台的安装相当复杂，同时需要光片位置对准才能获得最佳性能；结构光照明显微镜可以在传统宽场显微镜的基础上实现超分辨成像以及更好的切片能力，但其三维成像能力对于厚样品仍然不足。

研究结果

为此，陈南光团队开发了一种基于共聚焦狭缝检测的高速共聚焦结构光照明显微镜系统。该系统在增强三维成像能力的同时能保持接近百帧每秒的成像速度，还延续了结构光照明实现超分辨成像的特点，并使用图像多重扫描技术实现了各向同性的超分辨。与传统的结构光照明模式不同，这套系统的条纹结构光是采用沃拉斯顿棱镜的双光束干涉来实现。这样的结构成本低并且光效率更高，配合电光调制器可以快速、准确地实现条纹相移。此外，针对光学切片和超分辨的功能，该系统优化了结构光条纹重建算法，完成了对模拟的小球散射厚样本、荧光染色的海拉细胞和绿色荧光蛋白标记的小鼠脑组织的三维成像实验，验证了厚组织成像能力能达到500微米深，分辨率最高达到150纳米，可以实现超分辨成像。

应用前景

这项工作提出了一种结构光显微镜的新方案，在不影响成像速度的情况下，同时实现了背景抑制和超分辨，从而允许在大规模生物组织中扩展三维成像应用，为生命科学基础研究和应用研究提供了新的显微成像模式。

▲共聚焦多重扫描结构光照明显微镜系统可以实现高速线扫描图像采集，同时具备超分辨和光学切片能力。

▲共聚焦多重扫描结构光照明显微镜系统(CR-SIM):(a)光路结构图和线扫描照明示意图;(b) Thy1-EGFP转基因小鼠大脑切片的传统共聚焦图像(左)和CR-SIM图像(右)的并排比较;(c)放大图(b)中蓝色方框所在区域，边长为2.4 μm。(d)沿(c)中水平(蓝色)和垂直(绿色)实线的强度分布曲线图;(e)厚度为209微米的小鼠大脑神经元的三维结构渲染图。