正置微分干涉显微镜

p style="text-align: justify text-indent: 2em "Seeing is believing，光学显微镜自1590年由荷兰詹森父子创制伊始，即成为生命科学最重要的研究工具之一。进入21世纪，借助荧光分子，科学家将光学显微镜的分辨率提高了一个数量级，由约一半光波波长（250 nm）拓展至几十纳米，并兴起了超高分辨荧光成像技术，用于“看到”精细的亚细胞结构和生物大分子定位，相关工作荣膺2014年诺贝尔化学奖。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "9月9日，Nature Methods杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所徐涛院士研究组与科学研究平台纪伟正高级工程师研发团队合作研究论文，题为“Molecular resolution imaging by repetitive optical selective exposure”，为超高分辨光学显微镜家族再添新成员，使显微镜分辨率进一步被突破。该工作提出了一种基于激光干涉条纹定位成像的新技术，并据此研制出新型单分子干涉定位显微镜（Repetitive Optical Selective Exposure, ROSE），将荧光显微镜分辨率提升至3 nm以内的分子尺度，单分子定位精度接近1 nm，可以分辨点距为5 nm的DNA origami（DNA 折纸）结构。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 226px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/bcbdc347-2f8b-464e-9014-787a341c1e21.jpg" title="徐涛院士组与科学研究平台研发团队实现分子尺度分辨率光学成像.jpg" alt="徐涛院士组与科学研究平台研发团队实现分子尺度分辨率光学成像.jpg" width="450" height="226" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "strong图1 左侧，传统质心拟合定位方法，右侧，ROSE干涉定位方法/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "所谓干涉定位，是指采用不同方向和相位的激光干涉条纹激发荧光分子，荧光分子的发光强度与其所处条纹的相位有关，该技术即是通过荧光分子强度与干涉条纹的相位关系，来确定荧光分子的精确位置。为降低单分子发光时的闪烁和漂白对亮度和定位精度产生的不良影响，研发团队对显微镜光路进行了创造性地设计，分别为：基于电光调制器的干涉条纹快速切换激发光路，基于谐振振镜扫描的6组共轭成像光路，两种光路的同步实现了高达8 kHz的分时成像，确保在相机的单次曝光时间里把每个单分子发光状态均匀分配给6个干涉条纹，有效避免了荧光分子发光能力波动对定位精度的干扰。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "研发团队利用该技术对不同荧光位点间距的DNA origami阵列进行验证测试，证明干涉成像分辨率达到了3 nm的分子水平，可以解析5 nm的DNA origami阵列。后续的功能性实验结果显示，该技术在免疫标记的微管、CCP（clathrin coated pits，网格蛋白有被小窝）以及较致密的细胞骨架成像时展现出良好性能，该技术将为进一步解析精细亚细胞的组分和生物大分子的纳米结构提供有力工具。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 311px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/45780611-1a95-4748-a74e-d777d33bd780.jpg" title="分子尺度分辨率光学成像.jpg" alt="分子尺度分辨率光学成像.jpg" width="450" height="311" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "strong图2左侧，不同荧光位点间距的DNA origami成像，ROSE技术与传统的质心拟合方法进行对比验证。右侧，鬼笔环肽标记的微丝成像，ROSE技术与传统的质心拟合方法进行对比验证。/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "徐涛院士领衔的仪器研发团队近年来致力于显微成像仪器设备和技术方法的研究和开发，先后研制出偏振单分子干涉成像、冷冻单分子定位成像以及超分辨光电融合成像系统，开发了新的超分辨显微成像算法、探针和技术，申请有多项发明专利，上述成果被广泛应用于细胞生物学相关研究，支撑团队与合作者在该领域取得了系统性成果产出。纪伟正高级工程师所在的生命科学仪器研发中心是根据研究所发展新技术新方法的迫切需求而设立，隶属于科学研究平台，在提供技术服务的同时，聚焦生物显微成像仪器设备的研发与应用推广。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "徐涛院士和纪伟正高级工程师为该文章的共同通讯作者，谷陆生、李媛媛、张淑文为共同第一作者。李栋研究员、薛艳红、李尉兴参与了本课题。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "该工作受到中国科学院科研仪器设备研制项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金以及北京市科技计划等项目的资助。/p

自然界中一些最基本的过程发生在微观尺度上，远远超出了我们肉眼所能看到的极限，这推动了技术的发展，使我们能够超越这个极限。早在公元4世纪，人们发现了光学透镜的基本概念，并在13世纪，人们已经在使用玻璃镜片，以提高他们的视力和放大植物和昆虫等对象以便更好地了解他们。随着时间的推移，这些简单的放大镜发展成为先进的光学系统，被称为光学显微镜，使我们能够看到和理解超越我们感知极限的微观世界。今天，光学显微镜是许多科学和技术领域的核心技术，包括生命科学、生物学、材料科学、纳米技术、工业检测、法医学等等。在这篇文章中，我们将首先探讨光学显微镜的基本工作原理。在此基础上，我们将讨论当今常用的一些更高级的光学显微镜形式，并比较它们在不同应用中的优缺点。　　　　什么是光学显微镜?　　光学显微镜用于通过提供它们如何与可见光相互作用(例如，它们的吸收、反射和散射)的放大图像来使小结构样品可见。这有助于了解样品的外观和组成，但也使我们能够看到微观世界的过程，例如物质如何跨细胞膜扩散。　　显微镜的部件以及光学显微镜的工作原理　　从根本上说，显微镜包括两个子系统：一个用于照亮样品的照明系统和一个成像系统，该系统产生与样品相互作用的光的放大图像，然后可以通过眼睛或使用相机系统进行观察。　　早期的显微镜使用包含阳光的照明系统，阳光通过镜子收集并反射到样品上。今天，大多数显微镜使用人造光源，如灯泡、发光二极管(LED)或激光器来制造更可靠和可控的照明系统，可以根据给定的应用进行定制。在这些系统中，通常使用聚光透镜收集来自光源的光，然后在聚焦到样品上之前对其进行整形和光学过滤。塑造光线对于实现高分辨率和对比度至关重要，通常包括控制被照亮的样品区域和光线照射到它的角度。照明光的光学过滤，使用修改其光谱和偏振的光学过滤器，可用于突出样品的某些特征。图1：复合显微镜的基本构造：来自光源的光使用镜子和聚光镜聚焦到样品(物体)上。来自样品的光被物镜收集，形成中间图像，该图像由目镜再次成像并传递到眼睛，眼睛看到样品的放大图像。　　成像系统收集与样品相互作用的照明光，并产生可以查看的放大图像(如上图1)。这是使用两组主要的光学元件来实现的：首先，物镜从样品中收集尽可能多的光，其次，目镜将收集的光中传递到观察者的眼睛或相机系统。成像系统还可包括诸如选择来自样品的光的某些部分的孔和滤光器之类的元件，例如仅看到已从样品散射的光，或仅看到特定颜色或波长的光。与照明系统的情况一样，这种类型的过滤对于挑出某些感兴趣的特征非常有用，这些特征在对来自样本的所有光进行成像时会保持隐藏。　　总的来说，照明和成像系统在光学显微镜的性能方面起着关键作用。为了在您的应用中充分利用光学显微镜，必须充分了解基本光学显微镜的工作原理以及当今存在的变化。　　简单复合显微镜　　单个镜头可以用作放大镜，当它靠近镜头时，它会增加物体的外观尺寸。透过放大镜看物体，我们看到物体的放大和虚像。这种效果用于简单的显微镜，它由单个镜头组成，该镜头对夹在框架中并从下方照明的样品进行成像，如下图2所示。这种类型的显微镜通常可以实现2-6倍的放大倍率，这足以研究相对较大的样本。然而，实现更高的放大倍率和更好的图像质量需要使用更多的光学元件，这导致了复合显微镜的发展(如下图3)。图2：通过创建靠近它的物体的放大虚拟图像，将单个镜头用作放大镜。图3：左：简单显微镜。右：复合显微镜。　　在复合显微镜中，从底部照射样品以观察透射光，或从顶部照射样品以观察反射光。来自样品的光由一个由两个主要透镜组组成的光学系统收集：物镜和目镜，它们各自的功率倍增，以实现比简单显微镜更高的放大倍率。物镜收集来自样品的光，通常放大倍数为40-100倍。一些复合显微镜在称为“换镜转盘(nose piece)”的旋转转台上配备多个物镜，允许用户在不同的放大倍数之间进行选择。来自物镜的图像被目镜拾取，它再次放大图像并将其传递给用户的眼睛，典型的目镜放大率为10倍。　　可以用标准光学显微镜观察到的最小特征尺寸由所使用的光学波长(λ)和显微镜物镜的分辨率决定，由其孔径数值(NA)定义，最大值为NA =1空中目标。定义可区分的最小特征尺寸(r)的分辨率极限由瑞利准则给出：　　r=0.61×(λ/NA)　　例如，使用波长为550nm的绿光和典型NA为0.7的物镜，标准光学显微镜可以分辨低至0.61×(550nm)/0.7≈480nm的特征，这足以观察细胞(通常为10µm大小)，但不足以观察较小生物的细节，例如病毒(通常为250-400nm)。要对更小的特征成像，可以使用具有更高NA和更短波长的更先进和更昂贵的物镜，但这可能不适用于所有应用。　　在标准复合显微镜(如下图4a)中，样品(通常在载玻片上)被固定在一个可以手动或电子移动以获得更高精度的载物台上，照明系统位于显微镜的下部，而成像系统高于样本。然而，显微镜主体通常也可以适应特定用途。例如，立体显微镜(如下图4b)的特点是两个目镜相互成一个小角度，让用户可以看到一个略有立体感的图像。在许多生物学应用中，使用倒置显微镜设计(如下图4c)，其中照明系统和成像光学器件都在样品台下方，以便于将细胞培养容器等放置在样品台上。最后，比较显微镜(如下图4d)常用于法医。图4：复合显微镜。a)标准直立显微镜指示(1)目镜，(2)物镜转台、左轮手枪或旋转鼻镜(用于固定多个物镜)，(3)物镜、调焦旋钮(用于移动载物台)(4)粗调，(5)微调，(6)载物台(固定样品)，(7)光源(灯或镜子)，(8)光阑和聚光镜，(9)机械载物台。b)立体显微镜。c)倒置显微镜。　　光学显微镜的类型　　下面，我们将介绍一些当今可用的不同类型的光学显微镜技术，讨论它们的主要操作原理以及每种技术的优缺点。　　亮视野显微镜　　亮视野显微镜(Brightfield microscopy，BFM)是最简单的光学显微镜形式，从上方或下方照射样品，收集透射或反射的光以形成可以查看的图像。图像中的对比度和颜色是因为吸收和反射在样品区域内变化而形成的。BFM是第一种开发的光学显微镜，它使用相对简单的光学装置，使早期科学家能够研究传输中的微生物和细胞。今天，它对于相同的目的仍然非常有用，并且还广泛用于研究其他部分透明的样品，例如透射模式下的薄材料(如下图5)，或反射模式下的微电子和其他小结构。图5：亮视野显微镜。左图：透射模式-在显微镜下看到的石墨(深灰色)和石墨烯(最浅灰色)薄片。在这里，图像上看到的亮度差异与石墨层的厚度成正比。右图：反射模式-SiO2表面上的石墨烯和石墨薄片，小的表面污染物也是可见的。　　暗视野显微镜　　暗视野显微镜是一种仅收集被样品散射的光的技术。这是通过添加阻挡照明光直接成像的孔来实现的，这样只能看到被样品散射的照明光。通过这种方式，暗场显微镜突出显示散射光的小结构(如下图6)，并且对于揭示BFM中不可见的特征非常有用，而无需以任何方式修改样品。然而，由于在最终图像中看到的唯一光是被散射的光，因此暗场图像可能非常暗并且需要高照明功率，这可能会损坏样品。　　图6：亮视野和暗视野成像。a)亮视野照明下的聚合物微结构。b)与a)中结构相同的暗视野图像，突出显示边缘散射和表面污染。c)与a)和b)相似的结构，被直径为100-300nm的纳米晶体覆盖。仅观察到纳米晶体散射的光，而背景光被强烈抑制。　　相差显微镜　　相差显微技术(Brightfield microscopy，PCM)是一种可视化由样品光路长度变化引起的光学相位变化的技术.这可以对在BFM中产生很少或没有对比度的透明样品进行成像，例如细胞(如下图7)。由于肉眼不易观察到光学相移，因此相差显微镜需要额外的光学组件，将样品引起的相移转换为最终图像中可见的亮度变化。这需要使用孔径和滤光片来操纵照明系统和成像系统。这些形状和选择性地相移来自样品的光(携带感兴趣的相位信息)和照明光，以便它们建设性地干涉眼睛或检测器以创建可见图像。图7：人类胚胎干细胞群落的相差显微图像。　　微分干涉显微镜　　与PCM类似，微分干涉显微镜(differential interference contrast microscopy，DICM)通过将由于样品光路长度变化引起的光学相位转换为可见对比度，从而使透明样品(例如活的未染色细胞)可视化。然而，与PCM相比，DICM可以实现更高分辨率的图像，并且减少了由PCM所需的光学器件引入的清晰度和图像伪影。在DICM ，照明光束被线性偏振器偏振，其偏振旋转，使其分裂成两个偏振光束，它们具有垂直偏振和小(通常低于1µm)间隔。穿过样品后，两束光束重新组合，从而相互干扰。这将创建一个对比度与图像成正比的图像差在两个偏振光束之间的光相位，因此命名为“差”干涉显微镜。DICM产生的图像出现与采样光束之间的位移方向相关的三维图像，这导致样品边缘具有亮区或暗区，具体取决于两者之间的光学相位差的符号(如下图8)。图8：微分干涉对比显微镜。左：DICM的原理图。右图：通过DICM成像的活体成年秀丽隐杆线虫(C.elegans)。　　偏光显微镜　　在偏振光显微镜中，样品用偏振光照射，光的检测也对偏振敏感。为了实现这一点，偏振器用于控制照明光偏振并将成像系统检测到的偏振限制为仅一种特定的偏振。通常，照明和检测偏振设置为垂直，以便强烈抑制不与样品相互作用的不需要的背景照明光。这种配置需要一个双折射样品，它引入了照明光偏振角的旋转，以便它可以被成像系统检测到，例如，观察晶体的双折射以及它们的厚度和折射率的变化(如下图9)。图9：偏光显微镜。橄榄石堆积物的显微照片，由具有不同双折射的晶体堆积而成。整个样品的厚度和折射率的变化会导致不同的颜色。　　荧光显微镜　　荧光显微镜用于对发出荧光的样品进行成像，也就是说，当用较短波长的光照射时，它们会发出长波长的光。示例包括固有荧光或已用荧光标记物标记的生物样品，以及单分子和其他纳米级荧光团。该技术采用了滤光片的组合，可阻挡短波长照明光，但让较长波长的样品荧光通过，因此最终图像仅显示样品的荧光部分(如下图10)。这允许从由许多其他非荧光颗粒组成的样品中挑出和可视化荧光颗粒或已被染料染色的感兴趣细胞的分布。同时，荧光显微镜还可以通过标记小于此限制的粒子来克服传统光学显微镜的分辨率限制。例如，可以用荧光标记标记病毒以显示其位置在生物样品的情况下，可以表达荧光蛋白，例如绿色荧光蛋白。结合各种新颖形式的样品照明，荧光显微镜的这一优势实现了“超分辨率”显微镜技术，打破了传统光学显微镜的分辨率限制。荧光显微镜的主要限制之一是光漂白，其中标记物或颗粒停止发出荧光，因为吸收照明光的过程最终会改变它们的结构，使它们不再发光。图10：荧光显微镜。左：工作原理-照明光由短通激发滤光片过滤，并由二向色镜反射到样品。来自样品的荧光通过二向色镜，并被发射滤光片额外过滤以去除图像中残留的激发光。右图：有机晶体中分子的荧光图像(晶体轮廓显示为黄色虚线)。由于来自其他分子和晶体材料的荧光，背景并不完全黑暗。　　免疫荧光显微镜　　免疫荧光显微镜是主要用于在微生物的细胞内的生物分子可视化的位置荧光显微镜的具体变化。在这里，用荧光标记物标记或固有荧光的抗体与感兴趣的生物分子结合，揭示它们的位置。(如下图11)图11：免疫荧光显微镜。肌动蛋白丝(紫色)、微管(黄色)和细胞核(绿色)的免疫荧光标记的两个间期细胞。　　共聚焦显微镜　　共聚焦显微镜是一种显微镜技术，它可以逐点成像来自样品的散射或荧光。不是一次对整个样品进行照明和成像，而是在样品区域上扫描源自点状光源的照明点，敏感检测器仅检测来自该点的光，从而产生2D图像。这种方法允许以高分辨率对弱信号样本进行成像，因为来自采样点之外的不需要的背景信号被有效抑制。在这里，所使用的波长和物镜在所有三个维度上都限制了成像光斑的大小。这允许通过将物镜移动到距样品不同的距离，在样品内的不同深度处制作2D图像。然后可以组合这些2D图像“切片”以创建样本的3D图像，这是所讨论的其他宽视场显微镜技术无法实现的，并且还允许以3D方式测量样品尺寸。这些优势的代价是无法一次性拍摄图像，而是必须逐点构建图像，这可能非常耗时并阻碍样本的实时成像(如下图12)。图12：单分子荧光的共聚焦荧光图像。小点对应于单个分子的荧光，而较大的点对应于分子簇。此处的荧光背景比简单的荧光显微镜图像弱得多，如亮点之间的暗区所见。　　双光子显微镜　　双光子显微镜(Two-photonmicroscopy，TPM)是荧光显微镜的一种变体，它使用双光子吸收来激发荧光，而不是单光子激发。在这里，通过吸收两个光子的组合来激发荧光，其能量大约是单个光子激发所需能量的一半。例如，在该方案中，通常由单个蓝色光子激发的荧光团可以被两个近红外光子激发。在TPM中，图像是逐点建立的，就像在共聚焦显微镜中一样，也就是说，双光子激发点在样品上扫描，样品荧光由灵敏的检测器检测。与传统荧光显微镜相比，激发和荧光能量的巨大差异导致了多重优势：首先，它允许使用更长的激发波长，在样品内散射较少，因此穿透更深，以允许在其表面下方对样品进行成像并创建3D样品图像。同时，由于激发能量低得多，光漂白大大减少，这对易碎样品很有用。激发点周围的荧光背景也大大减少，因为有效的双光子吸收仅发生在激发光束的焦点处，因此可以观察到来自样品小部分的荧光(如下图13)。　　TPM的一个缺点是双光子吸收的概率远低于单光子吸收，因此需要高强度照明，如脉冲激光，才能达到实用的荧光信号强度。图13：双光子显微镜。花粉的薄光学切片，显示荧光主要来自外层。　　光片显微镜　　光片显微技术是荧光显微术的一种形式，其中样品被垂直于观察方向的薄“片”光照射，从而仅对样品的薄切片(通常为几微米)进行成像。通过在样品在光片中旋转的同时拍摄一系列图像，可以形成3D图像。这要求样品大部分是透明的，这就是为什么这种技术通常用于形成小型透明生物结构的3D图像，例如细胞、胚胎和生物体。(如下图14)图14：光片显微镜。左：工作原理。右：通过荧光成像用光片显微镜拍摄的小鼠大脑的荧光图像。　　全内反射荧光显微镜　　全内反射荧光(Totalinternal reflection fluorescence microscopy ，TIRF)是一种荧光显微技术，可通过极薄(约100nm厚)的样品切片制作2D荧光图像。这是通过照明光的渐逝场激发样品的荧光来实现的，当它在两种不同折射率(n)的材料之间的边界处经历全内反射时就会发生这种情况。消逝场具有与照明光相同的波长，但与界面紧密结合。在TIRF显微镜中，激发光通常在载玻片(n=1.52)和样品分散的水介质(n=1.35)之间的界面处发生全内反射。渐逝场的强度随距离呈指数下降来自界面，这样在最终图像中只能观察到靠近界面的荧光团。这也导致来自切片外区域的荧光背景的强烈抑制，这允许拾取微弱的荧光信号，例如在定位单个分子时。这使得TIRF非常适用于观察参与细胞间相互作用的荧光蛋白(如下图15)的微弱信号，但也需要将样品分散在水性介质中，这可能会限制可以测量的样品类型。图15：TIRF图像显示培养的视网膜色素上皮细胞中的蛋白质荧光。每个像素对应67nm。　　膨胀显微镜　　膨胀显微镜背后的基本概念是增加通常需要高分辨率显微镜的样品尺寸，以便可以使用标准显微镜技术(尤其是荧光显微镜)对其进行成像。这适用于保存的标本，例如生物分子、细胞、细菌和组织切片，可以使用下图16中所示的化学过程在所有维度(各向同性)均匀扩展多达50倍。扩展样本可以隔离感兴趣的个别特征通常是隐藏的，可以使它们透明，从而可以对它们的内部进行成像。图16：膨胀显微镜的样品制备。细胞首先被染色，然后连接到聚合物凝胶基质上。然后细胞结构本身被溶解(消化)，使染色的部分随着凝胶各向同性地膨胀，从而使染色的结构更详细地成像。　　光学显微镜中的卷积　　除了使光学系统适应特定用例之外，现代光学显微镜还利用了数字图像处理，例如图像去卷积。该技术通过补偿光学系统本身固有的模糊，可以提高空间分辨率以及光学显微镜拍摄图像的定位精度。这种模糊可以在校准步骤中测量，然后可以用于对图像进行去卷积，从而减少模糊。通过将高性能光学元件与先进的图像处理相结合，数字显微镜可以突破分辨率的极限，以更深入地观察微观世界。(如下图17)图17：图像解卷积。左：原始荧光图像。右：解卷积后的图像，显示细节增加。　　光学显微镜与电子显微镜　　光学显微术通常使用可见光谱中的光波长，由于瑞利准则，其空间分辨率固有地限制为所用波长的大约一半(最多约为200nm)。然而，即使使用具有高NA和高级图像处理的物镜，也无法克服这一基本限制。相反，观察较小的结构需要使用较短波长的电磁辐射。这是电子显微镜的基本原理，其中使用电子而不是可见光照亮样品。电子具有比可见光短得多的相关波长，因此可以实现高达10000000倍的放大倍数，甚至可以分辨单个原子。(如下图18)　　图18：同心聚合物结构中纳米晶体放大15000倍的扫描电子显微镜图像，即使是细微的细节，例如基材的孔隙，也能分辨出来。　　总结与结论　　光学显微镜是一种强大的工具，可用于检查各种应用中的小样本。通过调整用于特定用例的照明和成像技术，可以获得高分辨率图像，从而深入了解样品中的微观结构和过程。文中，我们讨论了各种光学显微镜技术的特点、优势和劣势，这些技术在光线照射和收集方式上有所不同。显微镜种类优点技术限制典型应用亮视野显微镜结构相对简单，光学元件很少低对比度、完全透明的物体不能直接成像，可能需要染色对彩色或染色样品和部分透明材料进行成像暗视野显微镜显示小结构和表面粗糙度，允许对未染色样品进行成像所需的高照明功率会损坏样品，只能看到散射图像特征细胞内颗粒成像，表面检测相差显微镜实现透明样品的成像复杂的光学设置，需要的高照明功率会损坏样品，通常图像较暗跟踪细胞运动，成像幼虫微分干涉对比显微镜比PCM更高的分辨率复杂的光学设置，需要的高照明功率会损坏样品，通常图像较暗活的、未染色的细胞和纳米颗粒的高分辨率成像偏光显微镜来自样品非双折射区域的强背景抑制，允许测量样品厚度和双折射需要双折射样品成像胶原蛋白，揭示晶体中的晶界荧光显微镜允许挑出样品中的单个荧光团和特定的感兴趣区域，可以克服分辨率限制需要荧光样品和灵敏的检测器，光漂白会减弱信号成像细胞成分、单分子、蛋白质免疫荧光显微镜使用抗体靶向可视化特定的生物分子大量样品制备，需要荧光样品，光漂白识别和跟踪细胞和蛋白质共聚焦显微镜低背景信号，可以创建3D图像成像速度慢，需要复杂的光学系统3D细胞成像，荧光信号较弱的成像样品，表面分析双光子显微镜样品穿透深度、背景信号低、光漂白少成像速度慢，需要复杂的光学系统和大功率照明神经科学，深层组织成像光片显微镜图像仅样品的极薄切片，可通过旋转样品创建3D图像成像速度慢，需要复杂的光学系统细胞和生物体的3D成像全内反射荧光显微镜强大的背景抑制，极精细的垂直切片成像仅限于样品的薄区域，需要复杂的光学系统，样品需要在水介质中单分子成像，成像分子运输膨胀显微镜提高标准荧光显微镜的有效分辨率需要对样品进行化学处理，不适用于活体样品生物样品的高分辨率成像　　参考：　　1. 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p　　屏幕上圆形立体的巨噬细胞正在慢慢地伸出“触角”，吞噬着周围的残骸，看上去有几分触目惊心……这一画面来自于南京理工大学电光学院研究生们发明的一种新型三维显微镜。由于彻底改变显微镜现有成像方式，该作品近日在第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品决赛中一举夺得特等奖。/pp style="text-align: center "img title="OArg-fxkwuwk9559544.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201511/noimg/6b5403c5-f630-42cf-8980-f2f4542441e1.jpg"//pp　　strong真实的巨噬细胞像个怪物/strong/pp　　记者昨天在现场看到，随着工作人员的操作，显微镜看到的影像显示在屏幕上，只见一个“张牙舞爪”的圆形家伙正在吞噬着周围的“杂物”，像极了卡通片里的怪物。“这就是巨噬细胞的真实模样，它是我们身体的护卫者，遇到细菌病毒就会消灭它们。”电光学院研二的林飞指着屏幕说。/pp　　这种新型显微镜叫SCscope。乍看之下，它和传统显微镜在外形上并没有太大区别。仔细观察才发现，原来它的照明光源与成像焦距都是可以通过软件灵活操控的。“显微镜通过可编程照明产生不同的光线照射样品，并采用电控变焦透镜快速扫描物体不同的焦面，配合软件中的图像重构算法，便可完成视野内所有细胞的同时三维成像。”/pp　　林飞告诉记者，传统显微镜成像是平面的，而通过三维显微镜，任一细胞的厚度、尺寸都可以随着鼠标的选取精确地获得。/pp　　strong千人合影可以看清脸上的痣/strong/pp　　“显微镜经过四百多年的发展，仍然没有摆脱‘可见即所得’的传统成像模式，而我们的作品革命性地采用‘计算成像’的全新概念，这为显微镜的功能与性能带来了跨越式的提升。”林飞说。/pp　　据了解，目前常用的细胞显微镜观测需要对细胞进行染色或标记，或通过外界激发光源对细胞成像进行分析，但这些标记以及长时间的曝光往往对细胞有一定的伤害，甚至导致细胞的死亡，无法获知细胞真实长生状况。/pp　　而SCscope显微镜不但不用把活细胞染色，而且可以看到三维立体的细胞，并且在任意视角观察，“可以生成高达2.8亿像素的‘全视场、高分辨’图像，这就好比在一张千人大合影中，可以看清每个人脸上的痣。”/pp　　值得注意的是，这个新型显微镜还在同一系统中集成了明场显微镜、暗场显微镜、相衬显微镜、微分干涉显微镜等现有多种专用显微镜的成像功能，且可以做到“一键切换”，使得显微镜功能更加多样，成本更加低廉。/ppstrong　　打破国外光学显微镜的垄断/strong/pp　　林飞说，这款显微镜成本8万多元，相当于现用显微镜的三分之一，可大大降低医疗检测的门槛。目前，已经在南京部分医院进行试用。/pp　　指导老师左超副教授说，SCscope改变了传统显微成像系统获取信息方式，提升其获取信息能力，有望在生物医学、材料科学、工业检测、科研教学等众多领域得到广泛应用。相关核心技术已申请国家发明专利4项。目前国内已有多家单位前来洽谈合作，如果该作品投入生产并在相关行业大力推广应用，将有望推动我国显微镜产业的技术革新，将打破国外高端光学显微仪器的长期垄断地位。/pp/p