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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量級
2023年06月26日 10:33:38
來源：化工儀器網 作者：宋池 點擊量：4552
近日，哈工大儀器學院研究團隊在生物醫學超分辨顯微成像技術領域取得突破性進展。研究成果在線發表于國際權威雜志《自然光子學》。
【化工儀器網 項目成果】近日，哈工大儀器學院研究團隊在生物醫學超分辨顯微成像技術領域取得突破性進展。團隊提出基于計算光學成像的新一代高通量三維動態超分辨率成像方法，突破了現有顯微成像技術在高通量視場、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高通量超分辨率成像》為題，在線發表于國際權威雜志《自然光子學》。
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以及新型熒光探針開發等相關領域的快速發展，超分辨顯微成像技術(SRM)快速發展，突破了光學顯微衍射極限，也為現代生物醫學研究提供了強有力的工具，使生物學家得以對病態細胞內的亞細胞結構進行精準的量化統計和直觀的可視化分析。
但是目前常見的超分辨技術需要復雜的圖像采集設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，使其難以在生物醫學中廣泛應用。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(SOFI)提出了相應的解決方案。
SOFI是一種經典的基于統計學的超分辨方法，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胞器瞬時動態等研究的高通量成像需求。團隊提出了自相關兩步解卷積超分辨成像（SACD）。SACD在計算超分辨統計量前對原始圖像進行預解卷積，這一獨特的處理增強了熒光信號的開關對比度，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量縮減兩個數量級以上，并使空間分辨率提升超過兩倍多。
在實驗中，SACD可在10分鐘內對包含超過2000個細胞的視場上實現了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的基礎上引入了之前開發的稀疏解卷積技術，克服了低信噪比與長時程的活細胞成像條件，使快速而復雜的細胞器動態過程得以可視化。
通過充分利用原始圖像中的熒光漲落信息，SACD打破了現有超分辨技術的通量限制以及需要特殊光學控制的設備限制，同時還能夠直接應用于現有商業化共焦熒光顯微鏡系統(或其他任何熒光系統)中，有助于低成本、高通量地進行相關生物醫學研究，有望成為生物學家分析細胞結構和瞬態動力學的常規儀器。
編輯點評：SRM技術突破了光學顯微衍射極限, 其取得的巨大發展為生物醫學研究提供了強有力的工具，但作為一種新興技術，在實際應用于生物醫學研究時仍面臨著許多亟待解決的問題，尤其是當研究對象是活的、具有一定厚度的、成分和結構復雜的細胞、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技術在生物醫學中的廣泛應用，是我國在高端儀器領域取得的重大成果。
(來源：哈爾濱工業大學)
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