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突破阿貝衍射極限,超分辨率顯微鏡毫秒成像,看到百萬分之壹毫米。

它可以使微小的細胞結構可見:尖端的光學顯微鏡提供了十分之幾納米的分辨率,換句話說,是百萬分之壹毫米。到目前為止,超分辨率顯微鏡比傳統方法慢得多,因為必須記錄更多或更精細的圖像數據。比勒費爾德大學的科學家與Jena的合作夥伴壹起,進壹步開發了超分辨率SR-SIM過程。學者研究表明,SR-SIM還可以實現實時和非常高的成像率,因此適用於觀察非常小的細胞粒子的運動,其研究成果發表在《自然通訊》上。

比勒費爾德大學生物分子物理學工作組組長托馬斯·胡澤教授說:這就是這種顯微鏡在生物學或醫學應用中真正有用的地方。目前的問題是,分辨率足夠高的顯微鏡無法以相應的速度顯示信息。SR-SIM項目由德國研究基金會(DFG)和歐盟通過Marie Sk?奧多夫斯卡-居裏行動提供了資金。

SR-SIM代表“超分辨率結構照明顯微術”,是壹種熒光顯微術。用激光照射物體,激發樣品中的特殊熒光分子,使其重新發出不同波長的光。然後顯微鏡圖像顯示重新發射的光,這與其他傳統的熒光顯微鏡方法不同。

SR-SIM不能均勻地照射樣品,但具有精細的網格圖案。這種特殊技術可以實現更高的分辨率。該過程包括兩個步驟:首先,在幾個單獨的圖像中記錄樣品的再發射光。比勒費爾德大學生物分子物理工作組成員、這項研究的主要作者安德烈亞斯·馬克沃斯(Andreas Markwirth)說:在計算機上從這些原始數據重建成品圖像花費了大量時間,尤其是第二步。因此,比勒費爾德大學的研究人員與萊布尼茨光子技術研究所和耶拿弗裏德裏希·席勒大學的Rainer Heintzmann教授合作,加快了研究進程,現在設計的顯微鏡可以更快地生成原始數據。

此外,由於在現代顯卡上使用並行計算機處理,圖像重建所花費的時間大大減少。在這項研究中,研究人員在生物細胞上測試了新方法,並記錄了線粒體的運動。細胞器的大小約為壹微米。Markwirth說:我們已經能夠每秒生成大約60幀,這比電影要高。測量和成像之間的時間小於250毫秒,因此這項技術可以實時記錄。迄今為止,超分辨方法往往與常規方法相結合:先用傳統的快速顯微鏡尋找結構。然後可以使用超分辨率顯微鏡詳細檢查這些結構。然而,有些結構太小,傳統顯微鏡無法發現,例如肝細胞中的特定孔。

新方法分辨率高,速度快,這使得生物學家能夠探索這種結構。新顯微鏡的另壹個應用是研究病毒粒子穿過細胞的方式。這使我們能夠確切地知道在感染期間發生了什麽。超分辨率顯微鏡只有20年左右的歷史。1873年,恩斯特·阿貝發現可見光的光學系統分辨率被限制在250納米左右。然而,近年來,已經開發了幾種光學方法來打破所謂的阿貝衍射極限屏障。2014年,美國的William E.Moerner和Eric Bettzuege以及德國的Stefan Hell因發展出約20至30納米的超分辨率而獲得諾貝爾化學獎。