西安光机所光学超分辨成像研究取得重要进展

提要：超分辨光学成像技术是目前国际上光学领域的一个重要研究方向，在此领域的取得的研究成果使西安光机所在超分辨光学显微成像技术方面跻身于世界前列。该技术的成果转化将改变我国在超分辨光学显微镜市场没有自主知识产权高端科学仪器的局面。该技术通过与生物医学、材料化学等学科的交叉合作，将大大提高我国在该领域的研究水平。

　　众所周知，光学成像技术在人类探索和发现未知世界奥秘的活动中扮演着重要的角色。大到宇宙，小到分子，看得更远、更细、更清楚是人们不断追求的目标。但受限于光的衍射特性，传统光学系统的空间分辨率不可能无限小，存在着瑞利-阿贝物理极限。能否突破这个极限，继续提高光学系统的成像分辨率?成为当今光学领域公认的一个重大研究课题。

　　虽然电子显微镜、原子力显微镜等技术可以获得更高的分辨率，但由于各种原因和限制(如不能活体实时成像，样品制备复杂)，光学显微镜仍然是当前生物医学、材料化学等学科研究中的主要观测设备。但普通光学显微镜的横向分辨率极限约为200nm，这对亚细胞结构和分子生物学研究还不够精细。为了突破衍射极限，近年来涌现出了不少光学超分辨方法，如光激活定位法(PLAM)，随机光学重构法(STORM)、受激发射损耗法(STED)等。但受限于单分子定位算法或点扫描成像方式，这几种超分辨技术成像速度较慢，而且需要一些特殊染料标记样品。另外一种方式就是使用结构光照明的显微技术(SIM)，它使用特殊调制的光场照明样品，通过空间频谱处理的方式获得超分辨图像。由于它属于宽场成像方式，因此成像速度很快。SIM技术目前只有美国、德国、英国、瑞士、日本等几个国家掌握，我国在这方面的研究相对滞后。

　　中科院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室姚保利研究组长期从事光学微操纵技术和光学超分辨成像等生物光子技术的研究工作(其中光镊技术已产品化)。自2010年开始SIM成像技术以来，在科技部重大科学研究计划项目和国家自然科学基金项目支持下，开展了深入细致的理论和实验研究工作，掌握了其中的关键技术，并创新性地提出了与现有激光干涉照明SIM技术不同的方案(已申请国家发明专利)，首次提出并实现了基于数字微镜器件(DMD)和LED照明的SIM技术。该技术与激光干涉照明SIM技术相比，具有更高的空间分辨率，更快的成像速度和更好的图像质量，而且大大降低了装置的复杂性和成本。经标定，系统的横向分辨率达到了90nm，这也是目前国际上同类技术的最好水平。

　　为了验证该技术和样机装置在生物医学上的实际应用效果，研究组与国内第四军医大学和德国康斯坦茨大学进行了联合实验研究，利用该系统成功获得了牛肺动脉内皮细胞(BPAE)线粒体和小鼠脑神经元细胞的超分辨图像，并且还实现了小鼠脑神经元细胞和植物花粉的三维光切片成像，其成像深度和成像速度比当前同类切片显微技术均提高了约十倍，这对深层生物样品的大面积快速三维成像提供了一种新的技术手段。该研究成果发表在1月23日出版的Nature子刊Scientific Reports上，论文题为DMD-based LED-illumination Super-resolution and optical sectioning microscopy。

　　超分辨光学成像技术是目前国际上光学领域的一个重要研究方向，本研究取得的成果使西安光机所在超分辨光学显微成像技术方面跻身于世界前列。该技术通过与生物医学、材料化学等学科的交叉合作，将大大提高我国在该领域的研究水平。同时该技术的成果转化将改变我国在超分辨光学显微镜市场没有自主知识产权高端科学仪器的局面。