超分辨率显微镜

德国哥廷根大学医学中心纳米专家Ali Shaib和Silvio Rizzoli团队开发了一种用于普通光学显微镜的方法——ONE显微镜的技术，这项技术记录了单个蛋白质图像和从未见过的细胞结构图像，其细节程度甚至超过了价值数百万美元的“超分辨率”显微镜。相关研究结果发表于预印本网站bioRxiv。“显微镜技术应该有某种形式的民主。” Rizzoli指出，该新技术的高分辨率适用于很多人，而不是少数富裕的实验室。传统光学显微镜的能力受到光学定律的限制，这意味着小于200nm的物体观测是模糊的。Rizzoli说，研究人员已经开发出了超越物理的超分辨率方法，可以将这一极限降低到10nm左右。这种方法获得了2014年诺贝尔化学奖，它使用光学技巧来精确定位附着在蛋白质上的荧光分子。2015年，研究人员提出了另一种规避光学限制的方法。美国麻省理工学院神经工程师Edward Boyden领导的研究小组表明，充气组织（使用尿布中的一种吸收性化合物）可以使细胞物体彼此远离。这种被称为膨胀显微镜的技术使显微镜分辨率有了飞跃，可以分辨20nm左右的结构。Shaib和Rizzoli的技术融合了这两种方法，以达到1nm以下的分辨率。这种清晰度足以揭示单个蛋白质的形状，而此前通常使用更昂贵的结构生物学方法，对这些蛋白质进行更详细的成像，如冷冻电子显微镜。膨胀显微镜的简单性是其吸引力的一部分，Boyden估计，超过1000个实验室已经采用了这项技术。样品经过化学物质处理，将蛋白质固定在一种聚合物上，加入水后，聚合物膨胀到原来的1000倍，使分子分离。ONE显微镜技术也利用热或酶来分解蛋白质，这样单个片段在膨胀过程中就会被拉伸到不同的方向。研究人员已经使用他们的方法记录了一种神经分子GABAA受体的图片，这与蛋白质的高分辨率低温电子显微镜和X射线晶体学图非常相似。他们还捕捉到了一种名为耳铁蛋白的大块蛋白质的轮廓，这种蛋白质的结构尚未确定，它有助于在大脑中传递音频信号。这个形状类似于AlphaFold深度学习网络做出的结构预测。虽然该方法无法与低温电镜的分辨率相匹配，后者在某些情况下可以揭示小于0.2 nm的近原子级细节，但是低温电镜技术既小气又昂贵。Rizzoli说，相比之下，ONE显微镜可以提供一种快速而简单的方法来了解几乎任何分子的结构。Rizzoli说，开发这项技术的部分动机是扩大尖端光学显微镜的可及性。ONE显微镜方法很简单，适用于20世纪90年代过时的荧光显微镜。开罗德国大学制药技术专家Salma Tammam计划今年夏天派一名博士生学习这项技术。她的实验室研究纳米颗粒如何在细胞中移动，他们想要看到粒子及其运载物的细节。但与低收入和中等收入国家的许多研究人员一样，他们无法获得昂贵的超分辨率显微镜。德国莱布尼茨分子药理学中心突触生物学家Noa Lipstein说，扩大超分辨率显微镜的应用范围对资金雄厚机构的科学家也很重要。她最近成立了一个独立的研究小组，并选择将ONE显微镜应用于他们对神经突触细节的研究。

通过采用独特的分子设计，我国光电国家实验室朱明强教授课题组近日研发了一种超级荧光分子开关，将基于二芳基乙烯的荧光分子开关比提高了4个数量级，达到1万倍以上，响应速率也大幅度提高。并且，课题组还利用这种超级荧光分子开关的新特性，制作出具有超级光敏感和应用潜力的全光晶体管，这对我国研制新型超分辨率荧光显微镜意义重大。相关成果的论文日前已经在国际知名的《自然· 通讯》杂志上发表。 　　据介绍，在过去很长一段时间，世界各国科学家认为光学显微镜有一个极限，即无法获得比半光波长更好的分辨率。但在&ldquo 荧光分子&rdquo 的帮助下，科学家可以突破这种极限。2014年，美国及德国三位科学家就是因为&ldquo 研制出超分辨率荧光显微镜&rdquo ，将光学显微镜带入了纳米维度，获得诺贝尔化学奖。 　　在&ldquo 纳米&rdquo 级的超分辨率荧光显微镜下，科学家可以实现活体细胞中单个分子通路的可视化，能够观察到分子是如何在大脑神经细胞之间生成神经突触，可以追踪帕金森病、阿尔兹海默症和亨廷顿症患者体内相关蛋白的累积情况，还能跟踪受精卵在分裂形成胚胎时蛋白质的变化过程等。

p 　　中科院膜生物学国家重点实验室联合华中科技大学发明了一种超灵敏结构光超高分辨率显微镜-----海森结构光显微镜 （Hessian SIM)，实现了活细胞超快长时程超高分辨率成像，能辨清囊泡融合孔道和线粒体内嵴动态。在每秒钟得到188张超高分辨率图像时，海森结构光显微镜的空间分辨率可以达到85纳米，能够分辨单根头发的1/600到1/800大小结构，而所需要的光照度小于常用的共聚焦显微镜光照度三个数量级。同时，该显微镜也实现了细胞“能量工厂”线粒体的超快超分辨成像，首次在活细胞中解析线粒体融合、分裂时内嵴的活动，及线粒体内嵴自身的重组装过程，并能够观察内质网与线粒体发生相互作用时的动态变化。 /p p 　　与获得2014年Nobel化学奖的受激辐射损耗超高分辨率显微镜（STED）相比，其具有极高的时间分辨率、极低的光毒性，在活细胞超高分辨率成像方面优势显著。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/235ade60-4b77-42b8-bfd2-21c083b4ea5d.jpg" title=" 640-2.jpeg" / /p p 　　海森结构光显微镜解析囊泡融合孔道形成全过程。上图：实际的动态过程解析；下图：由实验结果得到的囊泡融合的四个中间态。 /p p 　　灵敏海森结构光超高分辨率显微镜的成功验证，一方面基于新偏振旋转玻片阵列、高精度的时序控制程序以及高数值孔径物镜等硬件的自主研制；另一方面是重构算法的创新，首次提出将生物样本在多维时空上连续，而噪声是完全随机分布的先验知识用于构建海森矩阵，指导超高分辨率荧光图像的重建。 /p p 　　超灵敏海森结构光显微镜适用于各种细胞、不同探针的荧光成像。可以说，所有应用点扫描共聚焦显微镜的场景都可以使用海森结构光显微镜，因而具有广泛的应用前景。 /p p 　　此项研究成果以题为“Fast, long-term, super-resolution imaging with Hessian structured illumination microscopy” 以全文形式于近日在线发表于《Nature Biotechnology》 上。 /p p 　　论文链接：https://www.nature.com/articles/nbt.4115 /p p br/ /p

1873年，德国科学家阿贝（Abbe）根据衍射理论首次推导出衍射分辨极限，即能够被光学分辨的两点间的距离总是大于波长的一半。换句话说，传统的光学显微镜分辨率有一个物理极限：它不可能突破0.2微米，这也被称之为“阿贝魔咒”。而艾力克贝齐格（Eric Betzig）、斯特凡W赫尔（Stefan W. Hell）和WE莫尔纳尔（W. E. Moerner）于2014年被授予诺贝尔化学奖，正是因为突破了这个极限。由于他们的成就，光学显微镜现在可以进入纳米世界了。相较于另一种大家熟悉的超高分辨率成像技术——电子显微镜，超分辨率光学显微镜有其独特的优势，譬如通过它可以对单个活体细胞内部的结构和生理活动进行观察，而电子显微镜是无法做到这一点的。 这三位科学家可能没有想到的是，他们的获奖也极大促进了中国超分辨率显微镜市场的发展。 通过日前在中国科学技术大学生命科学学院召开的第八届中国生命科学公共平台管理与发展研讨会显微成像技术论坛，笔者近距离接触了许多来自中国顶级科研机构的生命科学实验平台显微成像部门的一线管理及技术人员，也近距离感知了超分辨率显微技术的热度。 尽管传统的激光扫描共聚焦显微镜依然是当前细胞生物医学成像领域的主力仪器，但得益于2014年诺贝尔化学奖的结果，中国相关领域的越来越多的研究人员已开始把目光投向了更加先进的超高分辨率光学显微镜。而徕卡、尼康、蔡司等主流光学显微镜厂商也及时把握商机，纷纷加大了相关产品在华的推广力度。据笔者了解，实际上在2014年之前，基于不同超分辨率原理的商业化产品在市场上已经可以看到，只是由于价格较为昂贵，没有引起大家太多的注意。到2014年，这一市场才开始真正发力，据保守估计，去年中国市场相关产品的销售数量至少在10台以上。本次会议上不少单位对该类产品也表现出了浓厚的兴趣，纷纷流露出购买意向。 与此同时，中国的一些科研单位（譬如：浙江大学，中科院苏州医工所等）也在进行超分辨率光学成像技术的研究工作。我们期待这项技术能够帮助纳米工程、生物工程、医学、材料学等相关研究领域的科学家获得更多的发现。（主编当班） 显微成像技术论坛来自科研机构的报告嘉宾分别是：浙江大学医学院 吴航军中科院上海生化细胞所细胞分析技术平台 王艳国家蛋白质科学中心（上海） 于洋南京医科大学分析测试中心 胡凡中国科学技术大学 吴旭

p 　　北京大学陈良怡团队联合华中科技大学谭山团队发明了一种超灵敏结构光超高分辨率显微镜 -- 海森结构光显微镜 （Hessian SIM）。此项成果近日以全文形式在线发表于Nature Biotechnology （影响因子41.67），论文题目为“Fast， long-term， super-resolution imaging with Hessian structured illumination microscopy”。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201804/insimg/9733f7f5-ffa5-4262-9ca6-a6f439e01233.jpg" title=" 1.png" / /p p style=" text-align: center " 图1：海森结构光显微镜解析囊泡融合孔道形成全过程。上图：实际的动态过程解析；下图：由实验结果得到的囊泡融合的四个中间态。 /p p 　　在每秒钟得到188张超高分辨率图像时，海森结构光显微镜的空间分辨率可以达到85纳米，能够分辨单根头发的1/600到1/800大小结构，而所需要的光照度小于常用的共聚焦显微镜光照度三个数量级。由于极低的光漂白以及光毒性，实现了100 Hz超高分辨率成像下连续采样10分钟得到18万张超高分辨率图像，或者是在1 Hz超高分辨率成像下连续1小时超高分辨率成像基本无光漂白。 /p p 　　与获得2014年Nobel化学奖的受激辐射损耗超高分辨率显微镜（STED）相比，海森结构光显微成像以极高的时间分辨率、极低的光毒性在活细胞超高分辨率成像方面占显著优势。例如，在观察细胞内囊泡与细胞质膜融合释放神经递质和激素过程中，海森结构光显微镜与STED显微镜（分辨率60纳米，每秒5幅左右； 巫凌钢实验室2018年3月Cell上线的文章）都可以观察到囊泡融合形成的孔道；但是，海森结构光显微镜还解析出囊泡融合时四个不同中间态，包括囊泡打开3纳米小孔、囊泡塌陷、融合孔道维持和最后的囊泡与细胞质膜完全融合的过程，真正可视化膜孔道形成的全过程（图1）。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201804/insimg/a8d935d2-2f07-4d3a-bfc4-18cf43e9c1ae.jpg" title=" 2.png" / /p p style=" text-align: center " 图2、海森结构光显微镜显微镜下观察到COS-7细胞中的内质网和线粒体相互作用的动态过程，蓝色的线粒体用MitoTracker Green标记，可以清楚辨识内嵴结构；品红色的是用SEC61-mCherry标记内质网结构。 /p p 　　此项突破一方面是基于硬件自主设计的新偏振旋转玻片阵列、高精度的时序控制程序以及高数值孔径物镜的应用；另一方面是创新的重构算法，借鉴了人眼区分信号和噪声的机制，首次提出将生物样本在多维时空上连续、而噪声是完全随机分布的先验知识用于构建海森矩阵，指导超高分辨率荧光图像的重建。 /p p 　　超灵敏海森结构光显微镜是目前活细胞成像时间最长、时间分辨率最高的超高分辨率显微镜，适用于各种细胞、不同探针的荧光成像 – 可以说，所有应用扫描共聚焦显微镜的场景都可以使用海森结构光显微镜，因而具有广泛的应用前景。 /p p 　　该论文的第一作者为北京大学黄小帅、华中科技大学范骏超和北京大学李柳菊，通讯作者为北京大学陈良怡、华中科技大学谭山。工作得到了国家自然科学基金委重大仪器研制基金、重大研究计划专项、科技部国家重点研发计划基金、重点基础研究发展计划和北京市自然科学基金委重点项目的资助。陈良怡、黄小帅等主创成员参与了早先发表于Nature Methods的高分辨率微型化双光子显微镜的研制，荣获2017年中国十大科学进展等荣誉。未来，他们将进一步实现微型化海森结构光的显微在体成像。 /p

瑞典皇家科学院８日宣布，将２０１４年诺贝尔化学奖授予美国科学家埃里克· 贝齐格、威廉· 莫纳和德国科学家斯特凡· 黑尔，以表彰他们为发展超分辨率荧光显微镜所作的贡献。 诺贝尔化学奖评选委员会当天声明说，长期以来，光学显微镜的分辨率被认为不会超过光波波长的一半，这被称为&ldquo 阿贝分辨率&rdquo 。借助荧光分子的帮助，今年获奖者们的研究成果巧妙地绕过了经典光学的这一&ldquo 束缚&rdquo ，他们开创性的成就使光学显微镜能够窥探纳米世界。如今，纳米级分辨率的显微镜在世界范围内广泛运用，人类每天都能从其带来的新知识中获益。 声明还说，黑尔于２０００年开发出受激发射损耗（ＳＴＥＤ）显微镜，他用一束激光激发荧光分子发光，再用另一束激光消除掉纳米尺寸以外的所有荧光，通过两束激光交替扫描样本，呈现出突破&ldquo 阿贝分辨率&rdquo 的图像。贝齐格和莫纳通过各自的独立研究，为另一种显微镜技术&mdash &mdash 单分子显微镜的发展奠定了基础，这一方法主要是依靠开关单个荧光分子来实现更清晰的成像。２００６年，贝齐格第一次应用了这种方法。因此，这两项成果同获今年诺贝尔化学奖。 今年诺贝尔化学奖奖金共８００万瑞典克朗（约合１１１万美元），将由三位获奖者平分。

光学显微镜至今已有三百多年的历史，从观察细胞的初代显微镜发展到如今打破分辨率极限的超分辨显微镜。近年来，生命科学领域蓬勃发展，对显微成像技术不断产生新的需求，光学显微镜不断向更高分辨率、快速成像、3D成像等高端技术方向发展。 我国高端光学显微镜市场长期处于被国外产品垄断的局面，许多关键核心部件依赖进口。令人欣喜的是，近五年来，市场上涌现出多种国产高端光学显微镜，包括超分辨显微镜、双光子显微镜、共聚焦显微镜、光片显微镜等，逐渐打破当前市场格局。基于此，仪器信息网特别制作“破局：国产高端光学显微镜技术‘多点开花’” 专题，并向国产光学显微镜企业广泛征稿（投稿邮箱：lizk@instrument.com.cn），了解各企业主要高端光学显微镜产品技术特点和发展进程。本篇为宁波力显智能科技有限公司供稿，公司主要产品为INVIEW iSTORM超高分辨率显微镜，其采用的STORM技术是目前国内鲜少有的超分辨技术类型。撰稿人：宁波力显智能科技有限公司副总经理张猛博士人类的历史，也是一部工具的历史。人类发展的历程就是关于如何对世界了解的更多，将人类生活变的更好更先进的历程。从旧石器时代，原始人拿起第一块石头当作工具开始，就开启了用工具进行未知世界探索和创造性改变的历程。从古至今，人类都是工具发明和使用的种族，新工具的问世也反哺人类的成长和进步，让人类一次次突破原有认知边界看到更多的未知，解决更多的问题，取得更多的成就。显微镜，正是一项帮助人类认识微观世界从而改变世界的革命性工具，也是人类探索微观世界不可缺少的工具。显微镜问世之前，人类仅可用感官来把握世界，所能认识到最小世界就是“目所能及”的常规世界，人的肉眼仅能分辨约0.1毫米尺度的物体，因而相关科学的发展缓慢。当罗伯特胡克使用显微镜观察到软木塞上的“小室”，并将其命名为细胞时，可能还没有意识到他这次实践将为人类开启微观世界的大门。人类对未知领域无限的好奇心是推动科学技术前进的动力之一，为了解析关乎生命基本结构，回答有关物质与生命等基本问题，为此人类不断开发出更为精密、分辨率更高的显微镜来探寻这些问题的答案。经过400多年的发展，近几年国际上出现了超高分辨率显微镜这一工具，一经面世就引起了众多科学家的关注和极大兴趣。那么什么是超高分辨率显微镜，为什么它能让科学家如此感兴趣呢？我们一起往下看。超高分辨率显微镜的诞生，是生命科学史上的一座里程碑简单的讲，超高分辨率显微技术是通过应用一系列物理原理、化学机制和算法“突破”了光学衍射极限，把光学显微镜的分辨率提高了几十倍，使得人类能在200nm以下以前所未有的视角观察生物微观世界的技术，具有超高分辨成像技术和实现超高分辨率成像能力的显微镜就是“超高分辨率显微镜”。那么什么是光学衍射极限呢？所谓光学衍射极限，是1873年德国科学家恩斯特阿贝提出的，由于光是一种电磁波，存在衍射，一个被观测的点经过光学系统成像后，不可能得到理想的点，而是一个衍射像，每个物点就像一个弥散的斑，如果这两个点靠得很近（小于可见光波长大约一半，约200nm），弥散斑就叠加在一起，看到的就只能是一团模糊的图像，也就无法清晰观测到衍射极限以下物体的微观空间结构。并且光学衍射极限此前长期被认为是限制光学显微镜技术通向更微观的“拦路虎”和“绊脚石”，甚至被科学界一度认为是无法突破或绕开的。直到2000年，几位世界知名科学家先后发明了几种不同技术路线的的超高分辨率显微技术。其中，Stefan Hell、Eric Betzig和W.E. Moerner三位科学家就是因其在超高分辨率显微成像技术领域的突出贡献，获得了2014年诺贝尔化学奖。至此，人类才得以突破光学衍射极限这一横亘在前、不可逾越的“大山”，实现了200nm以下超高分辨率显微成像，以光学的方法观测到纳米尺度世界的真实样貌。超高分辨率显微镜可用来研究分子定位与空间分布、分子相互作用、分子复合物的构成，并可实现分子的计数。除具有200nm以下卓越分辨率性能外，对生命样品结构也可进行精准成像定位，还具备对活体细胞进行微观观察的可能性，对于生物、生命科学、医药、医学等的领域都有着重要意义，因此吸引了全球科学家的持续研究和关注。通常来说，超高分辨率显微镜主要有两大类技术策略，一类是通过特定模式照明对分子受激荧光差异化调制实现超高分辨率成像。代表产品有受激发射光耗损显微镜(Stimulated Emission Depletion, STED)和结构光照明显微镜(Structured Illumination Microscopy, SIM)。另一类，是利用荧光分子的“开关”特性，使其随机闪烁，从而能够对单个分子分别记录，实现超高分辨率成像。随机光学重构显微镜（Stochastic Optical Reconstruction Microscopy, STORM）就是这类技术路线的代表。第一大类中，STED及其衍生都是利用“甜甜圈”状的空心光束来修饰位于中间激发光的点扩散函数（Point Spread Function, PSF），从而达到直接超分辨成像的目的。而SIM则是利用了结构光照明，以获得包含样本的结构信息的干涉图案“摩尔条纹”，加上后期的图像重构，达到超分辨成像的目的。第二大类中，STORM是利用了荧光染料分子“光控开关”（photo-switchable）性质，达到在一个衍射极限空间内（200~300 nm）随机“点亮”单个荧光分子并进行高精度定位的目的。既然叫超高分辨率显微镜，最为重要的就是对空间分辨率的提升。其实无论哪一类技术，理论上空间分辨率都是可以实现无穷小，但是受限于样本、荧光染料特性、标记密度、激发光效率等原因，实际拍摄中能实现的空间分辨率是几十纳米。从遍地洋货到国货崛起众所周知，高端显微镜市场被“洋货”所长期垄断，不仅在国外如此，在中国也是如此，国货“芳踪难觅”，这对于我们这样一个大国来说可算是“一言难尽”。当然，也有令人感到振奋的信息，那就是在超高分辨率显微镜这个细分领域，除了“洋货”最近也已见到了国货产品的身影。宁波力显智能科技有限公司（INVIEW）的超高分辨率显微镜产品INVIEW iSTORM就是一款国产超高分辨率显微产品。宁波力显智能科技有限公司是专业从事超高分辨率显微技术和产品研发的科技企业，依托复旦大学的自动控制、新一代信息技术及香港科技大学的生物、光学、图像处理等的技术，拥有光学、生物、自控、机械、信息技术等多领域交叉学科技术团队，将2014年诺贝尔化学奖得奖技术产业化，推出了INVIEW iSTORM超高分辨率显微产品，以帮助人类以前所未有的视角观察微观世界，突破极限，见所未见。INVIEW iSTORM超高分辨率显微镜产品采用dSTORM技术路线，具有20nm超高分辨率、2-3通道同时成像、界面友好、简单易用、系统稳定性好、环境适应性高等的特点。技术先进，20nm超高分辨率，3D成像采用STORM随机光学重构技术，加入柱面镜设计，在XY轴分辨率达20nm、Z轴分辨率达50nm，具备3D成像功能。多通道同时成像光路设计，稳定性高采用专有的多通道同时成像的光路设计，提供稳定的光路。自主开发的成像分光光路，可保证通道间的光学路径相对独立，使得样品发出的荧光最大效率地被探测器接收，最大限度降低通道间的串扰。并配合以最佳染料方案和最佳成像缓冲液配方，以多通道同时成像的方式，在几秒到十几分钟的时间范围内实现20nm的超高分辨率成像。物理样品锁定设计，锁定精度1nm采用纳米级实时动态锁定技术，以实时物理补偿方式纠正样品漂移，无需预热，即开即用，操作简便，免受如气流、温度变化、噪音、机械振动等的环对样品位置的影响，在高楼层、嘈杂、震动、常温常态的环境下也能稳定成像，因而具有高效、简便、对环境适应性好的特性，友好易用。 “傻瓜式”操作，易学易用软件集成了多种成像算法，并在采集数据时实时呈现超高分辨图像重构结果和详细参数，“所见即所需”，操作流程化，简单易用。具有拍摄过程简单易用、参数优化实时透明、超分辨图像实时重构、自动化用户数据管理、图像数据后分析功能等五大特点。此外，经过优化的样本制备方案更易于实验人员的掌握和实际操作。即便是技术新手，经过简单的技术讲解，2个小时以内就可操控系统并获得理想的超分辨率成像结果。以上，INVIEW iSTORM超高分辨率显微产品所具备的综合特点和优势，使得它能够帮助到更多科学家进行衍射极限尺度以下的生物分子组织与相互作用等的尖端科学研究。另外，值得一提的是，INVIEW iSTORM产品还以优异的光路、较低强度的照明、多通道同时成像所支持的较短成像时间等的综合性能，结合合适的荧光探针及根据探针特性调整的探测器拍照频率等，实现活细胞的超高分辨率成像，这将更大程度上帮助到科学家在生物学基本问题与机制上的科学研究。随着人类对自然的认识向更加微观的时空尺度，传统的科研手段已经不能完全胜任，没有高端科研仪器，要想做出重大原始创新科研成果很困难。力显智能科技将继续立足于超高分辨率显微镜技术研究及产品开发，不断推出新技术、新品，从而推动高端显微技术在中国的产业化和应用，努力为我国生命科学、医学、药学等领域的科学研究提供强大助力。INVIEW iSTORM超高分辨率显微产品超高分辨率显微技术的未来可期作为一种新兴荧光显微成像技术，超高分辨率显微成像正受到科学家们的广泛关注，实验室中不断产生着振奋人心的数据。围绕着超高分辨率核心，主要研究方向为不断提高显微镜成像性能，使其分辨率更高，成像速度更快，成像深度更深，视野范围更大，及更低的光毒性光漂白。而我们也可以清晰的看到，由于不同的超高分辨率成像技术提升分辨率的技术路径差异，很难有“面面俱到”的技术可以满足差异化样品的全部成像需求，“精准成像”，也就是针对不同的样品特点，而选择最适合这类样品的显微成像技术，是进行生命科学等领域研究的最优解，这也促使生物，光学，算法，图像处理等领域的研究人员不断深入跨学科合作，共同探索生命的奥秘。即便有了更快、更高、更深、范围更大，更低光毒性光漂白的超高分辨率显微镜，扩展应用仍有诸多挑战。细胞内有成千上万的转录本，有数以万计的蛋白分子。超高分辨率显微镜能否用来实现组学水平的多分子检测？能够找到或开发出足够多样的荧光染料以匹配更多分子吗？或者能找到奇方妙法可以实现多重、多轮检测吗？ 能否开发出新型的荧光染料，使其具有更高的光子预算，更好的光稳定性、光激活、光开关以及转换速率等特性；研制更快更灵敏的光子探测器、输出功率更高的激光器；更稳定、高效、智能的光学系统；更加高效的算法以及不同超高技术路线的联合应用；开发组学水平的多重检测方法等等，正有许多的科学家、研究者们正在进行着有益的尝试。相信未来超高分辨率技术应可应用于实现细胞内的原位测序、原位转录组与蛋白质组分析，并最终获得全景的、多组学、全时空细胞全部分子组织及相互作用图像，真正实现分子生物学与细胞生物学的新融合，让人类有更全面、更精细的视角来理解生命的基本分子组织及其运行的基本机制！超高分辨率技术和产品应用前景巨大，未来可期，令人振奋！

微球透镜（SMAL）成像技术，突破传统光学显微镜光学衍射分辨率极限（200nm），将用户带入全新的显微镜时代。　　 微球成像专利技术提高了光的功率，横向分辨率可达50nm，SMAL物镜可放大到400x。　　 通过SMAL成像技术，用户能够得到超高分辨率图像并保留光学显微镜所有优势——快速、简单、无损、完整、真实颜色。我们致力于为所有人能获得超高分辨率图像，无需昂贵的设备和严格的使用环境也无需大量的样品，只需光源、透镜和相机。　　 定制软件算法将高分辨率的微球图像拼接在一起，机械台会将样品移动到镜头下方。使用户能够快速的得到全彩色和超高分辨率的大区域样品图像。创新点：微球透镜（SMAL）成像技术，突破传统光学显微镜光学衍射分辨率极限（200nm），将用户带入全新的显微镜时代。 　　微球成像专利技术提高了光的功率，横向分辨率可达50nm，SMAL物镜可放大到400x。 　　通过SMAL成像技术，用户能够得到超高分辨率图像并保留光学显微镜所有优势——快速、简单、无损、完整、真实颜色。我们致力于为所有人能获得超高分辨率图像，无需昂贵的设备和严格的使用环境也无需大量的样品，只需光源、透镜和相机。 　　定制软件算法将高分辨率的微球图像拼接在一起，机械台会将样品移动到镜头下方。使用户能够快速的得到全彩色和超高分辨率的大区域样品图像。

p style=" text-indent: 2em " 对物质进行原子级别的观测，是很多前沿性科研的基础。然而，在追踪单个原子时，轻微的抖动也会让追踪变得困难，让追踪原子消失在视野中。 /p p style=" text-indent: 2em " 近期，中科院合肥物质科学研究院陆轻铀研究员团队使用新技术，在国际上首次研制出混合磁体极端条件下的原子分辨率扫描隧道显微镜，可在强震动环境中获取高质量的原子分辨率图像。 br/ /p p style=" text-indent: 2em " 强磁场是探索科学前沿的一种极端实验条件，在发现新现象、催生新技术方面具有不可替代的作用，自1913年以来在高温超导、量子材料、生命科学等领域屡有重大发现，已有19项相关成果获得诺贝尔奖。 /p p style=" text-indent: 2em " 2017年我国在合肥建成重大科技基础设施“稳态强磁场实验装置”，该装置拥有3台场强创世界纪录的水冷磁体，以及场强排名全球第二的混合磁体。但由于混合磁体运行过程中产生的强震动干扰，只能用其开展宏观尺度的观测，难以实现微观尺度的观测。 /p p style=" text-indent: 2em " “追踪一个原子，要求观测仪器极其稳定，稍微晃动一下，原子就会在茫茫的微观世界中消失难觅。”陆轻铀说。 /p p style=" text-indent: 2em " 近期，陆轻铀团队基于小尺寸的“蜘蛛马达”，用新方法设计出一种新型原子分辨率扫描隧道显微镜。它采用蓝宝石绝缘材料加工，外径仅8.8毫米，可直接插入到混合磁体的孔径中并真空密封。经测试，他们成功地在混合磁体30特斯拉的超强磁场下，获得了石墨的高品质原子分辨率图像。 /p p style=" text-indent: 2em " 以上技术方案是在真空环境下实现的，难以对活性生物体进行观测。为此，陆轻铀团队进一步深入研究，又成功搭建出一套室温大气环境下的抗恶劣条件扫描隧道显微镜。经测试，可在27.5特斯拉的混合磁体超强磁场下实现原子分辨率成像。 /p p style=" text-indent: 2em " 日前，国际知名学术期刊《超显微术》和《科学仪器评论》分别发表了这两项研究成果。 /p

显微镜技术经过长期发展，加之近年来物理学界接二连三出现的重大科研进展，终于，在2008年，显微镜发展史上的新成果&mdash &mdash 超高分辨率荧光显微镜为科学家所研制出。人们预言，它定会成为生物学家的好帮手。 　　Stefan Hell打破了物理学界的传统看法 　　自从1873年Ernst Abbe第一次发现光学成像具有衍射限制现象以来，物理学界就公认，显微镜的分辨率具有极限，该极限与光源的波长有关。直到一个多世纪之后，罗马尼亚物理学家Stefan Hell推翻了这一观点。他是首位不仅从理论上论证了，而且用实验证明了使用光学显微镜能达到纳米级分辨率的科学家。 　　罗马尼亚物理学家Stefan Hell，现任德国马克斯· 普朗克生物物理化学研究院(Max Planck Institute of Biophysical Chemistry)主任。 　　早在上世纪80年代中期，当时师从德国海德堡大学(University of Heidelberg)一位低温固态物理学家的Stefan Hell就已经发现，如果不是像常规那样使用一个透镜聚焦，而是将两个大孔径的透镜组合在一起聚焦，就可以提高光学显微镜的分辨率。Stefan Hell是首位发现这一现象的研究人员。 　　Hell于1990年顺利完成了他的博士学业，但同时，这也意味着他将无法再凭借奖学金的资助进行研究了。Hell最终决定独自一人继续在家研究以上的发现，并最终成功发明了4Pi显微镜。 4Pi显微镜，超高分辨率成像中的一个步骤 　　时任美国马萨诸塞州坎布里奇市哈佛大学(Harvard University)化学系教授的Sunney Xie遇到了Hell，当他了解了Hell发明的4Pi高分辨率显微镜时，Xie对Hell勇敢地对传统物理学观点提出挑战的精神表示赞许。 　　随后，Hell带着他的发明来到了位于德国海德堡的欧洲分子生物学实验室(European Molecular Biology Laboratory, EMBL)，并获得了德国科学基金会提供的奖学金。1991年，Hell在该实验室开始他的博士后研究工作。 　　起初，许多科学家，包括那些声名显赫的物理学家都认为Hell的工作对于提高光学显微镜的分辨率没有太大的意义。他们认为，Hell仅用他那少得可怜的科研经费来从事这项研究简直就是在冒险。但Hell却始终坚信他能够打破衍射极限。 　　Hell的努力没有白费，他的冒险终于获得了回报。1992年，Hell第一次用他的4Pi高分辨率显微镜证明了他的确能将传统光学显微镜的分辨率提高3~7倍。然而，尽管Hell提高了Z方向的分辨率，他还是没能突破衍射极限的限制。 　　此后不久，Hell又在芬兰土尔库大学(University of Turku)得到了他的第二个博士后职位。一个星期六的早晨，Hell正躺在研究生公寓的床上看一本有关光学量子理论的书，突然，灵光一闪，Hell脑海里浮现了一个想法：如果使用一种合适的激光，仅激发一个点的荧光基团使其发光，然后再用一个面包圈样的光源抑制那个点周围的荧光强度，这样就只有一个点发光并被观察到了。Hell给他的这项发明取名STED，即受激发射损耗显微镜(stimulated emission depletion)。有了这个想法后，Hell立即行动，冲进实验室进行相关实验。每当回想起当时的心情，Hell都会觉得那是他科研生涯中最激动的时刻。 　　曾在EMBL与Hell共事，并共同研发4Pi显微镜的Pekka Hanninen指出，Hell在土尔库大学进行研究工作时非常刻苦。那时，他经常被许多问题困扰。尽管如此，研究过程中还是有许多快乐萦绕着他们。Hell不仅是一名严谨的科学研究者，还是一名音乐爱好者，每当工作至深夜时，实验室走廊总会回响起Hell吹奏萨克斯风的动听乐声。 由共聚焦显微镜(左图)和STED(右图)成像的一个神经元。 　　1994年，Hell在《光学快报》(Optics Letters)上发表了他关于STED的理论文章。不过直到多年以后，这项理论才得以在实践中被证实。在那段时间里，Hell一面继续研究工作，一面四处奔走筹集科研经费，还卖掉了他4Pi 显微镜的专利。 　　但是那个时候Abbe的衍射极限理论仍然在学界占统治地位，许多物理学家对Hell的理论都持怀疑甚至批评态度，因此他们也都将研究重点放在其它的成像技术上。尽管如此，Hell还是在1997年与马普生物物理化学研究所签订了一份长达5年的合同，以继续他的STED研究。 　　1999年，Hell将他的研究成果分别投给了《自然》(Nature)杂志和《科学》(Science)杂志，不过都被退稿。当时两位杂志的主编都没有意识到他的研究成果将会改变整个显微镜领域。 　　直到2000年，事情才终于有了转机&mdash &mdash 《美国国家科学院院刊》(PNAS)发表了Hell的科研成果。采用 Hell的STED技术，人们第一次得到了纳米级的荧光图像。Hell的工作由此获得了广泛的肯定，2002年，他获得了马普研究所的终身职位。从此，Hell一直在马普研究所从事成像技术的研究工作。 　　紧随STED这项开创性工作之后，世界各地实验室等研究机构内陆续出现了一批高分辨率的显微镜技术。例如，由珍妮莉娅法姆研究学院(Janelia Farm Research Campus)的物理学家兼工程师Mats Gustafsson领导的研究团队开发出了结构光学显微镜(structured-illumination microscopy, SIM)。 果蝇卵母细胞内的肌动蛋白的3D SIM成像，该照片拍摄于完整的卵泡内。 　　SIM技术的原理是通过一系列光成像的图案对低分辨率莫尔条纹形式的精细结构进行成像，此类图像是采用其它技术所无法观察到的。然后再由计算机处理、分析这些条纹中包含的信息，最终就可以获得高分辨率的图像。 　　同年，Gustafsson小组得到了HeLa细胞中肌动蛋白细胞骨架的图像，他的图像相比传统显微镜的图像来说，在测向上的分辨率提高了2倍。随后，Gustafsson小组又使用非线性技术将整体分辨率提高了4倍。 　　科研竞赛 　　2006年，超高分辨率显微镜研究行业翻开了新的篇章。Eric Betzig、Harald Hess以及Lippincott-Schwartz小组、Samuel Hess小组以及庄晓威(音译)科研小组几乎同时报道了他们提高显微镜分辨率的科研成果，下面分别介绍这三个小组的研究情况。 　　Eric Betzig、Harald Hess以及Jennifer Lippincott-Schwartz小组 　　2005年夏天，细胞生物学家Jennifer Lippincott-Schwartz卸下了她在美国马里兰州贝塞斯达美国国立卫生研究院(HIV)暗室里的红色灯泡。Lippincott-Schwartz正在为赋闲在家的两位物理学家Eric Betzig和Harald Hess腾出空间，筹备实验室。正是这两位物理学家研制出了光敏定位显微镜(photoactivated localization microscopy, PALM)，他们的这种新产品能将荧光显微镜的分辨率提升至纳米级水平。 　　接下来的整个冬天，Eric Betzig、Harald Hess以及Lippincott-Schwartz等人都一直在那间狭小的没有取暖设备的实验室里工作。现在就职于美国弗吉尼亚州阿士伯恩霍华德休斯医学研究所珍妮莉娅法姆研究学院(Howard Hughes Medical Institute&rsquo s Janelia Farm Research Campus in Ashburn, Virginia)的Hess承认，自己与Betzig对生物学的认识都不深。不过近15年来，他们一直都在努力，希望能运用生物学知识获取高分辨率的显微图像，但是没有取得明显进展。然而，当Hess和Betzig了解到Lippincott-Schwartz和George Patterson在2002年发明的光敏绿色荧光蛋白(photoactivatable green fluorescent protein)后，他们知道他们已经找到了解决问题的关键所在。 　　回想起当时的情形，Lippincott-Schwartz指出：&ldquo 他们当时非常激动。我还记得当我们得到第一张显微图像时，你根本无法看出那是什么东西。直到我看到他们将荧光图像和电镜图像叠加之后的结果才相信，我们成功了。我当时觉得这一切真是太神奇了。&rdquo 　　2006年，Eric Betzig、Harald Hess以及Lippincott-Schwartz小组在《科学》(science)杂志上发表了他们的PALM研究成果。使用PALM可以清楚得看到细胞黏着斑和特定细胞器内的蛋白质。 　　Samuel Hess小组 　　Samuel Hess小组是上述三个小组之一。Hess是美国缅因州立大学(University of Maine)物理系的助理教授。2005年夏天，Hess一直在和他们学校的化学工程师和生物学工程师，就如何提高观察活体细胞脂筏结构的分辨率等问题进行交流。 　　2005年的一个夏夜，Hess被邻居家举办舞会的声音吵醒。半睡半醒的Hess走下楼来，随手画了一副设计图，他的这种设计是需要借助荧光标记的蛋白质来显示细胞形态的。第二天早上，当Hess重新翻看这幅非清醒状态绘制的潦草的设计图时，不由得大笑起来。不过令人吃惊的是，他的这幅设计图竟然没有一点问题。于是他把这幅图拿给物理系的同事检查，但同事也没有发现任何问题。 　　接下来，Hess就按照他的设计图开始制作显微镜了。此时，他的科研经费所剩不多，而结题时间转眼就到。因此，Hess等人以最快的速度组装好显微镜，并进行了试验。同时，在不到两天的时间里，缅因州立大学表面科学技术实验室的同事就为Hess制备好供检验显微镜效果的蓝宝石晶体样品。 　　对于同事们的帮助，Hess总是不胜感激。 　　2006年，《生物物理学期刊》(Biophysical Journal)刊登了Hess小组的科研成果。他们将这项研究成果命名为荧光光敏定位显微镜(fluorescence photoactivation localization microscopy, FPALM)。2007年，Hess小组证明了FPALM可以分辨细胞膜脂筏上的蛋白质簇。 　　庄晓威科研小组 　　与此同时，另一个研究小组&mdash &mdash 哈佛大学霍华德休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Investigator at Harvard University)的研究员庄晓威科研小组也在研究高分辨率成像技术。 　　通过3D STORM观察到的一个哺乳动物细胞内线粒体网状系统。传统荧光成像(左图) 3D STORM成像(中图)，其中，采用不同颜色标记出z的位置 3D STORM成像中xy维图像(右图)。 　　其实，这三个小组都有一个共同的也是非常简单的理念，那就是先获得单分子荧光图像，再将成千上万个单分子图像叠加在一起，获得最终的高分辨率的图像。 　　早在2004年初，庄等人就已经意外发现了有一些花青染料可以用作光敏开关。这也就意味着这些染料既可以被激活发出荧光，也可以被关闭不发光，人们可以使用不同颜色的光束来随意控制这些花青染料的开和关。 　　从那以后，庄等人就一直在研究如何用光敏开关探针来实现单分子发光技术。他们希望能用光敏开关将原本重叠在一起的几个分子图像暂时分开，这样就能获得单分子图像，从而提高分辨率。Eric Betzig小组和Samuel Hess小组也都采用了同样的策略，只不过他们使用的不是光敏开关而是一种可以先被荧光激活继而被漂白失活的探针。 　　2006年，庄的科研成果在《自然-方法》(Nature Methods)杂志上发表，他们将这项成果命名为随机光学重建显微镜(stochastic optical reconstruction microscopy, STORM)。使用STORM可以以20nm的分辨率看到DNA分子和DNA-蛋白质复合体分子。 　　此后几年，超高分辨率荧光显微镜又得到了进一步的发展。现在，生物学家已经能够使用超高分辨率荧光显微镜在纳米水平上观察细胞内部发生的生化变化了。以往那些大小在200nm至750nm之间的模糊泡状图像再也无法对他们造成困扰了。尽管早在上世纪80年代，科研机构里就已经出现了超高分辨率显微镜的构思，但只是最近几年里这项技术才伴随着它的商业化进程获得了快速发展。现在，已经有几十家实验室安装了这种最新型的显微镜并投入了使用。正像Lippincott-Schwartz所说的，超高分辨率显微镜正在以飞快的速度被科研界接受，在生物学界更是如此。 　　超高分辨率显微镜的成绩 　　已经开始使用这些显微镜的生物学家对这项技术都表示出了极高的热情。Jan Liphardt这位在美国劳伦斯伯克力国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)工作的生物学家，还清楚地记得他2006年第一次在《科学》(science)杂志读到Betzig的那篇有关PALM技术的论文时的激动心情。当他看到那幅线粒体蛋白的图像时立刻想到了该技术可以用于他自己的微生物研究领域。 　　Liphard说道：&ldquo 通常，我们得到的大肠杆菌荧光图像都只有20像素，甚至更低，现在突然有一幅几千像素的图片摆在你面前，你可以想象那是一种什么感觉。&rdquo 　　Liphard现在正与Betzig以及其他一些研究人员一起研究大肠杆菌的趋化现象(chemotaxis)。Liphard还提到：&ldquo 我从没想到这项技术达到的分辨率有这么高，可以如此清楚地看到细胞内单个蛋白质分子的定位，甚至还能定量。而对我来说，每天的工作实际上就是在弄清楚这些蛋白质在什么位置，什么时候存在。而之前我们的研究主要采用间接方法。但超高分辨率显微镜这项新技术是我从事科研工作这么长时间以来，感触最深，获益最大的一项科技成果。&rdquo 　　美国丹佛市科罗拉多州立大学医学院(Medicine at the University of Colorado Denver)的助理教授Nicholas Barry也正在和Betzig合作，他们使用了一台蔡司的全内反射荧光成像系统(total internal reflection fluorescence imaging, TIRF)来研究肾细胞顶端胞膜上的蛋白质簇。 　　Barry指出，只需要一台蔡司显微镜和普通电脑，差不多就足够了。此外，他们还花费3万美元添置了两台激光发射器。现在，Barry等人可以在8分钟内得到一幅图像，这幅图像由10000帧图像合成，每一帧图像上显示10个分子。最后的图像文件大小大约是0.3GB。Barry等人还使用Perl语言自己开发了一套免费程序。Barry表示：&ldquo 这里面包含了每帧图像的资料信息，客户可以根据这些信息进行相关计算。&rdquo Barry充满信心地提到，很快就会有人为NIH的那套免费图像分析软件ImageJ开发出一套运算程序作为插件使用。 　　美国斯坦福大学(Stanford University)化学及应用物理系教授W.E. Moerner曾于1989年第一个在试验中使用光学显微镜得到了单分子图像。W.E. Moerner教授表示，这几年来，超高分辨率显微镜研究领域已经取得了巨大的进展，终于达到了纳米级单分子分辨率。他兴奋地说：&ldquo 经过了近20年对单分子成像课题的研究，我们终于取得了完美的成果。&rdquo 　　展望 　　自从2006年STORM技术和PALM技术问世以来，科技工作者就一直在不断努力，对它们进行改进、完善和提升。2008年，Lippincott-Schwartz的研究团队将PALM技术和单颗粒示踪技术(single-particle tracking)结合，成功地观测到活体细胞胞膜蛋白的运动情况。同年，庄小威研究组在《科学》(science)杂志上也发表了他们的3D STORM成像成果，该技术的空间分辨率比以往所有光学3D成像技术的分辨率都要高出10倍。论文中，他们展示了用3D STORM成像技术拍摄的肾细胞内微管结构图和其它的分子结构图。随后，他们又进一步将该技术发展成了多色3D成像技术(multicolor 3D imaging)。Gustafsson，还有其他一些科研工作者使用3D SIM技术(该技术使用3束干涉光，而不是常见的2束)观察到了共聚焦显微镜(confocal microscopes)无法观测到的哺乳动物细胞核内结构。位于德国的世界知名光学仪器制造公司蔡司公司进一步发展了SIM和PALM技术，不过他们将PALM称为PAL-M。蔡司公司预计将于2009年末推出全新的成像产品。 　　2008年，Hell小组使用STED技术通过抗体标记目标蛋白，观察到了活体神经元细胞中突触小泡(synaptic vesicles)的运动过程。同年稍晚些时候，他们又使用4Pi显微镜和STED技术得到了固定细胞内线粒体的3D图像，分辨率达到了40至50nm。最近，他们又使用超高分辨率显微镜成像技术对脑切片组织中的形态学变化进行了研究，并得到了活体神经元细胞树突棘(dendritic spines)的3D图像。 PALM在哺乳动物细胞内拍摄到的粘附复合物。 　　由于最近几年这些新技术的不断涌现，现在可以对活体细胞进行三维观察了。Gustafsson指出，随着PALM技术和STORM等新技术的出现，以前很多看起来不可能的事情现在都变得可能了。 　　尽管已有许多科学家从这项技术进展中获益，但是仍然可以进一步提高，以使更多的研究人员能够在自己的工作中使用它。到目前为止，那些成功应用此项技术的实验室都采取了正确的技术组合：研究人员可以很好地将物理学与生物学相结合&mdash &mdash 他们将显微镜装配并做适当的调节，然后用它对生物学样品进行检测。Moerner指出，软件的编写也不容小觑：对检测到的光子进行定位和报告需要进行准确计算，从而得到合适的分辨率。 　　仅仅是显微镜的价格就已经限制了它的普及性，Leica&rsquo s TCS STED显微镜高达100万美元。因此，如何获得相应的资金来购置显微镜仍然是摆在研究人员面前的一个难题，位于丹佛市的科罗拉多大学(University of Colorado)光学显微镜组主任Bill Betz这样说道。 　　Betz曾申请用于显微镜购置的资金，但遭到了拒绝。但他表示，他们已经计划再次申请相关资金。而Stefan Hell曾指出，激光领域的技术进展已经可以使得研究人员自己在实验室内构建一个STED平台，花费只需不到10万美元。 　　除了要将这一技术方法普及，使生物学家能够加以利用之外，该项技术的研发人员还表示，他们已经开始致力于研究更宽范围及更多样的荧光探针了。更好的探针当然能够为我们带来更高的分辨率及更快速的图像处理。美国纽约阿尔伯特&bull 爱因斯坦医学院(Albert Einstein College of Medicine)解剖学及结构生物学副教授Vladislav Verkhusha说到：&ldquo 为了对活体哺乳动物细胞进行研究，你就需要有一整套的荧光标记蛋白和可通过光控开关控制的蛋白质。&rdquo 他本人在荧光蛋白领域的研究工作就受益于PALM的出现。 　　庄晓威的众多项目之一便是与Alice Ting及其在麻省理工学院(MIT)的实验室合作，对蛋白标记技术进行研究，希望能够找到一种方法可以将小和明亮的光控开关可控的探针标记于细胞的特异蛋白上，从而可以对活细胞进行成像。她提到：&ldquo 将遗传标记方法与小而明亮且可被光控开关控制的探针结合在一起，将是今后发展分子级别超高分辨率成像的十分理想的一种方法。&rdquo 　　尽管研发人员还将继续努力，以进行相应技术的提高，但是超高分辨率荧光显微镜更加广泛的应用还是毫无疑问地成为新的一年的标志。Harald Hess说：&ldquo 这一技术的确会为生物学家的工作带来很大的帮助。同时，我们也在不断询问，&lsquo 你们想要用它做什么精彩的实验?&rsquo 事实上，我们也得到了许多精彩的答案。&rdquo

项目编号：HZ20220202-0139项目名称：中南大学高等研究中心受激发射损耗（STED）光学超分辨率显微镜采购项目预算金额：670.0000000 万元（人民币）采购需求：包号包名称是否核心产品分项项目名称(标的名称)是否接受进口产品数量交货要求代理服务收费标准时间地点1中南大学高等研究中心受激发射损耗（STED）光学超分辨率显微镜采购项目是受激发射损耗（STED）光学超分辨率显微镜是1台合同生效后，从合同签订之日起 6个月以内，或延迟到采购人指定时间中南大学湘雅医院教学科研楼采购人指定地点具体收费标准详见本项目招标文件“投标须知前附表”否软件系统及工作站是1台否活细胞培养系统是1套否主动式防震台是1台否UPS电源否1台否除湿机否1台否电脑桌否1个合同履行期限：具体内容详见本项目招标文件第五章“采购需求”。本项目( 不接受 )联合体投标。

超高分辨率荧光显微镜正在不断改变我们对细胞内部结构及运作的认识。不过在现阶段，显微镜技术还是存在着种种不足，如果人们希望显微镜能在生物研究领域发挥重要作用，就必须对其加以改进和提高。 　　光学显微镜的出现及其影响 　　自荷兰博物学家、显微镜创制者Antonie van Leeuwenhoek(1632-1723)在17世纪第一次将光线通过透镜聚焦制成光学显微镜并用它观察微生物(microorganisms or animalcule)以来，显微镜就一直是生物学家从事研究工作、探寻生命奥秘必不可少的利器。正是因为有了Leeuwenhoek的这项伟大发明及其后继者对显微镜技术的不断改进和发展，人们才能够对细胞内部错综复杂的亚细胞器等结构的形态有了初步的了解。 　　此后，研究人员对显微镜技术的追求从未停歇过，他们总是希望能得到分辨率更高的显微镜，从而更好地观察细胞内部更细微的结构。最近，《自然-方法》(Nature Methods)杂志上报道的超高分辨率成像技术(super-resolution imaging, SR imaging)终于使得人们可以在单分子水平上进行观察研究。 　　SR技术的发展过程 　　在达到今天SR技术水平的过程中，承载了许许多多研究人员辛勤劳动的汗水，也面临着诸多亟待解决的难题。 　　在以上这些光学SR成像技术中有两种技术&mdash &mdash 受激发射减损显微镜(stimulated emission depletion microscopy, STED)和饱和结构光学显微镜(saturated structured illumination microscopy，SSIM)最受关注。 　　最近，基于探针SR成像技术的光敏定位显微镜(PALM)和随机光学重建显微镜(STORM)，以及借助荧光基团随机激活特性的荧光光敏定位显微镜(FPALM)都已经取得了成功。 　　通过基于探针的SR成像技术，可以获得多张原始图像。在每一张原始图像中，细胞内只有一部分被荧光标记的分子能发出荧光，即这些荧光分子都处于不断激活和灭活的交替状态，每一次都只有部分分子能被观察并成像。而且由于每次发出荧光的分子都分散得较为稀疏，因此相互之间不会受到影响，也就避免了因相邻分子发出荧光而无法分辨的问题。最后将这些原始图片叠加、重合在一起就得到了最终的高分辨率图像。这样，就能使得那些以前由于荧光点太密以至于无法成像的结构的分辨率达到纳米级水平，而且成像的分子密度也相当高，可以达到105个分子/&mu m2。 　　这种分辨率对于生物学家来说，意味着现在可以在分子水平上观察细胞内的结构及其动态过程了。 　　虽然显微镜技术已经发展到了如此高度，但它仍然只是生物学家研究中使用的一种工具。因此还需要将显微镜获得的图像与其它的试验结果互相参照，才能获得准确的结果。人们需要认清SR显微镜的优势与劣势，为操作以及判断SR图像制定出标准化的操作规范，只有这样才能最大限度地发挥SR显微镜的作用。 　　现在，由于人们对细胞内各组份的组织结构以及它们的动态变化过程都只有一个概念上的认识，因此，借助显微镜从纳米水平上对这些结构及过程进行真实的观察能让人们发现许多以往所不了解的东西。例如，以前人们通过电镜发现细胞骨架是由大量丝状网格样组织构成时，就有人对此现象持怀疑态度。那些认为细胞骨架是一种用来稀释细胞内生化物质浓汤这样一种结构的细胞生物学家把这种观测结果称作僵化的人为试验结果。 　　除非最新的SR显微镜图像或者其它的试验结果都能证明细胞骨架是由大量的丝状网格样组织构成的，否则还会有人持上述的怀疑观点。不过已经有其它的生化试验结果证实了早期的电镜观察结果是正确的。当然新兴的SR技术也需要其它传统的生化试验结果予以佐证才有价值，同时还需要电镜的辅助。因为电镜能提供纳米级的观察结果，这对于佐证具有同样分辨率的SR显微镜观测结果来说是最有价值的。 　　今后，大家在逐步了解、接受和广泛使用SR显微镜的同时，需要注意将会出现的各种问题，以下的表格列出了部分与SR显微镜使用相关的缺点及其目前的解决方法。 　　最近几年，就如何处理图像已经有了非常严格的操作规范。不过迄今为止，对于怎么处理SR图像还没有一个标准的操作规范。尤其需要指出的是，PALM和STORM数据在某些重要因素上，graph方面的共性要多于image方面。在一张SR图像上，分子的不确定性和密度都能用颜色表示出来，这种图像把细胞内该分子有可能出现的任何地点都标示出来了。而且只有被标记的分子按照一定的标准(发出的光子数)判断它的确是一个单分子并且定位准确之后才显示出来。必须对获得的图像进行这样的标准化处理之后才能分析结果。同样，对于试验数据也需要如此进行标准化处理。要提高分辨率不仅需要分子定位、分布得比较好，还需要分子数目够多，以致能达到尼奎斯特判断法(Nyquist criterion)的要求，即分子间的平均距离要小于显微镜分辨率的一半。虽然上述问题都不会影响SR显微镜的应用，但由于存在这些问题，所以我们应该时刻提醒自己，一定要仔细判读、分析SR显微镜的图像结果，只有这样才能得到有价值的生物学结论。 　　SR荧光显微镜在生物学研究中的应用 　　到目前为止，人们还很难得知，SR荧光显微镜会对生物学界的哪一个领域带来重大变革，但已经有几个领域出现了明显的改变。这些研究领域是动态及静态的细胞组织结构研究领域、非均质分子组织研究领域、蛋白动态组装研究领域等。这几个领域都有一个共同的特点，那就是它们研究的重点都是分子间如何相互作用、组装形成复合物。因此，能在纳米水平观察这些分子对它们来说具有重大的意义。 　　通过观察蛋白质之间的组合关系来了解它们的作用，并能为后续的细胞功能试验打下基础 　　结构生物学研究在这方面已经取得了很大的进展，目前已经发现了4-8纳米大小的分子间相互作用组装成细胞微管、肌丝、中间丝这些超过10微米大小聚合物的机制。不过对于核孔复合体、中心体、着丝点、中间体、粘着斑这些由许多不同蛋白经过复杂的三维组装方式组合起来的复合体，还需要更好的办法来进行研究。目标就是要达到分子水平的分辨率，这样就可以观察大复合体形成过程中的单个分子，也就能对这些分子的化学计量学有所了解了。要得到更多的生物学信息就需要SR显微镜这样的三维成像技术，例如可以使用活体细胞SR成像捕捉细胞骨架的动态重构过程等等。 　　SR成像有助于人们更好地了解分子间的差异 　　细胞膜蛋白组织方式的经典模型已经从随机分布的液态镶嵌模型转变成了脂筏模型、穴样内陷模型或特殊蛋白模型。这种差异与细胞不同功能相关，例如在高尔基体、cargo蛋白和高尔基体酶蛋白之间必须发生相互作用，但最终它们会按照各自的功能分开，发挥各自的作用。有很多试验手段，例如免疫电镜技术、荧光共振能量转移技术(FRET)等都已经被用来研究这种膜不均一性问题了。多色PALM技术(Multicolor PALM)为人们提供了一种新的手段用来观察膜蛋白集合、组织的过程，并且还能定量分析不同蛋白间的空间距离关系。因为有了PALM提供的单分子信息，人们就可以清楚地了解蛋白分子间的空间关系，甚至有可能计算出相隔某一距离的分子之间发生相互作用的可能性。这种方法除了用于研究膜蛋白之外，还能用于许多非随机分布的生物系统研究，例如研究微管上的马达蛋白。 　　SR成像技术还能用于在单分子水平研究蛋白动态组装过程 　　细胞对外界刺激信号的反应起始于胞膜，在胞膜上受体蛋白之间发生动态的集合，用来调节细胞的反应活性。像HIV这种有被膜病毒也是在细胞膜上完成病毒颗粒组装过程的病毒，也是利用了细胞的物质转运机制。尽管现在蛋白组装的物理模型还远远没有完成，但研究人员知道膜蛋白的动态组装过程是不均一的，所以通常使用荧光试验手段很难获得分子水平上的信息。同样，单分子测量技术(Single molecule measurements)也存在着类似的局限，因为单分子测量技术只能观察细胞内的几个分子，所以缺乏整体的信息。因此由于缺乏空间分辨率，很难动态地研究蛋白质组装过程。SR荧光成像技术与活细胞成像技术和单分子示踪技术(sptPALM)结合就能解决这一问题。我们可以借助分子密度准确地看出PALM图像中的蛋白质簇，蛋白质簇动态的统计数据和形态学数据能帮助我们了解蛋白质动态组装的机制。 　　上面只是选了生物学研究中的3个方面来说明SR技术的用途，但这已经很好的展示了我们是如何从Leeuwenhoek最初对于生命组成的假设一步一步走到了今天，使用SR显微镜来证实构成生命体的最基本材料&mdash &mdash 分子的组合过程。STED和PALM的商业化产品已经上市了，这标志着SR显微镜的时代来临了。我们相信SR显微镜在充满创造力的生物学家们手中，一定会充分发挥它的作用，帮助我们发现更多生命的奥秘。 　　原文检索： 　　Jennifer Lippincott-Schwartz & Suliana Manley. Putting super-resolution fluorescence microscopy to work. Nature Methods, 17 December 2008 doi:10.1038/nmeth.f.233

2014年诺贝尔化学奖授予了荧光超分辨显微技术，利用荧光分子的化学开关特性（PALM/FPALM/STORM）或者物理的直接受激辐射现象（STED），实现超越衍射极限的超分辨成像。尽管如此，活细胞中的超分辨率成像仍然存在两个主要瓶颈：（1）超分辨率的光毒性限制了观察活细胞中精细生理过程；（2）受限于荧光分子单位时间内发出的光子数，时间和空间分辨率不可兼得。受限于这个瓶颈，为了在活细胞上达到60 nm空间分辨率极限，现有超分辨率成像手段需要强照明功率（kW~MW/mm2）、特殊荧光探针和长曝光时间（ 2 s）。强照明功率引起的强漂白会破坏真实荧光结构的完整性，长曝光时间在图像重构时导致运动伪影，降低有效分辨率。迄今为止，基于光学硬件或者荧光探针的改进无法进一步提升活细胞超分辨率的时空分辨率，实现毫秒尺度60 nm的时空分辨率成像。2021年11月16日，哈尔滨工业大学李浩宇教授团队与北京大学陈良怡教授团队合作在Nature Biotechnology上发表论文Sparse deconvolution improves the resolution of live-cell super-resolution fluorescence microscopy【1】。他们另辟蹊径，发明基于新计算原理的荧光超分辨率显微成像，进一步拓展荧光显微镜的分辨率极限。通过提出“荧光图像的分辨率提高等价于图像的相对稀疏性增加”这个通用先验知识，结合之前提出的信号空时连续性先验知识【2】，他们发明了两步迭代解卷积算法，即稀疏解卷积（Sparse deconvolution）方法，突破现有荧光显微系统的光学硬件限制，首次实现通用计算荧光超分辨率成像。结合自主研发的超分辨率结构光（SIM）系统，实现目前活细胞光学成像中最高空间分辨率（60nm）下，速度最快（564Hz）、成像时间最长（1小时以上）的超分辨成像。结合商业的转盘共聚焦结构光显微镜，实现四色、三维、长时间的活细胞超分辨成像。1、应用举例：DNA折纸标准样本验证为了在已知结构样本中验证分辨率的提升，研究者设计并合成了两个荧光标记位点的DNA折纸样本，每个位点用4~5个Cy5标记。当这些分子间距为60 nm、80 nm和100 nm时，它们在TIRF-SIM下几乎无法区分，但在经过稀疏解卷积重建后（Sparse-SIM，图1）可以很好地区分它们中间的距离。整体结果可以用单分子定位显微镜ROSE【3】交叉验证，与Sparse-SIM得到的DNA折纸的荧光对间距以及不同间距荧光对在玻片上的分布一致。图1：Sparse-SIM解析不同距离DNA折纸样本。（a）在相同视场下，用配对Cy5标记不同距离（60 nm, 80 nm, 100 nm, 120 nm）的DNA折纸样品，用TIRF（左）、TIRF-SIM（中）和Sparse-SIM（右）成像。（b）在TIRF、TIRF-SIM和Sparse-SIM下，黄色（60 nm）、蓝色（80 nm）(80 nm)、绿色（100 nm）和红色（120 nm）框包围的放大区域。比例尺：（a）2 μm；（b）100 nm。2、应用举例：Sparse-SIM超快活细胞成像揭示核孔结构和胰岛素囊泡早期融合孔道在活细胞成像中，稀疏结构光显微镜（Sparse-SIM）可以解析标记不同核孔蛋白（Nup35, Nup93, Nup98，或Nup107）的环状核孔结构，而它们在传统结构光显微镜（2D-SIM）下形状大小与100 nm荧光珠类似（图2c, 2d）。由于相机像素尺寸与孔径直径类似，测量的核孔拟合直径与Sparse-SIM的分辨率相当。校正后Nup35和Nup107孔的直径分别为~66 ± 3 nm和~97 ± 5 nm，而Nup98和Nup93直径大小处于这个范围中（图2e, 2f），结果与以前用其他超分辨成像方法在固定细胞中获得的直径相符【4】。有趣的是，12分钟超分辨成像可以显示活细胞中核孔形状变化，这可能反映了核膜上的单个核孔复合物动态重新定向到焦平面或远离焦平面（图2g），这是其他超分辨方法难以观察到的。图2：Sparse-SIM解析核孔蛋白动态过程。（c）用Sparse-SIM观察活COS-7细胞中以Nup98-GFP标记的动态环状核孔的典型例子，持续时间超过10分钟。上下区域分别显示2D-SIM和Sparse-SIM下的图像。（d）比较（c）中青色框中的核孔结构快照与100 nm荧光珠在不同重建方法（2D-SIM、20次RL解卷积后、50次RL解卷积后、Sparse-SIM）下的结果。（e）由于核孔的大小与Sparse-SIM的分辨率和像素大小相当，按照Supplementary Note 9.1的协议（详情请见文章），分别推导出Nup35-GFP（红色）、Nup98-GFP（黄色）、Nup93-GFP（绿色）和Nup107-GFP（青色）标记的核孔结构的实际直径。（f）Nup35（66 ± 3 nm, n=30）、Nup98（75 ± 6 nm, n=40）、Nup93（79 ± 4 nm, n = 40）、Nup107（97 ± 5nm ,n = 40）的平均直径环。左右两幅蒙太奇分别为传统Wiener重构或稀疏解卷积后的结果。（g）在6个时间点对 （c）中的品红色方框放大并显示。比例尺：（c）500 nm；（d, g, f）100 nm。通过滚动重建，Sparse-SIM的时间分辨率可达564 Hz，识别出来INS-1细胞中VAMP2-pHluorin标记的、更小的胰岛素囊泡融合孔道（如~61 nm孔径）。它们在囊泡融合的早期出现，孔径小（平均直径~87 nm），持续时间短（9.5 ms），不能被之前传统的TIRF-SIM所识别【2】。另一方面，鉴别出来的稳定融合孔在囊泡融合的后期出现，孔径大（平均直径~116 nm），持续时间长（47 ms），是之前看到的结构【2】。值得一提的是，虽然这里发现的囊泡早期融合孔状态很难被其他的超分辨率成像手段所直接验证，但是它们的发生频率与30多年前用快速冷冻蚀刻电子显微镜所观察到的“小的融合孔发生概率远低于大的融合孔”现象相吻合【6】。3、应用举例：稀疏解卷积是提升荧光显微镜分辨率的通用方法与当下热门的深度学习超分辨率显微重建不同，信号的空时连续性、高空间分辨率导致的荧光图像相对稀疏性这两个先验知识，是荧光显微成像的通用先验知识，不依赖于样本的形态以及特定的荧光显微镜种类。因此，稀疏解卷积是通用荧光显微计算超分辨率成像算法，可被广泛应用于提升其他荧光显微模态分辨率，观察不同种类细胞器的精细结构及动态（图3）。图3 | 稀疏解卷积广泛应用于提升不同显微成像模态空间分辨率，揭示各类细胞器精细结构动态。比如稀疏解卷积增强的商业超分辨转盘共焦结构光显微镜（SD-SIM）【7】，可以实现XY方向90纳米，Z方向250 纳米的空间分辨率，清晰记录分裂期7 μm深度内的全细胞内所有线粒体外膜网络（图4）。同样，若稀疏解卷积增强与商业SD-SIM结合，可以很容易实现活细胞上的三维、四色超分辨率成像。稀疏解卷积可以与膨胀显微镜（ExM）【8】结合，解析细胞膨胀后的复杂结构；也可以与宽场、点扫描的共聚焦、受激辐射损耗显微镜（STED）【9】以及微型化双光子显微镜（FHIRM-TPM 2.0）【10】结合，实现近两倍的空间分辨率提升。因此，稀疏解卷积的提出，将帮助使用各种各样荧光显微镜的生物医学研究者更好地分辨细胞中的精细动态结构。图4 | Sparse SD-SIM解析活细胞三维线粒体外膜网络。（k）活体COS-7细胞的线粒体外膜（Tom20-mCherry标记）的三维分布，颜色表征深度。（l）SD-SIM原始数据与Sparse SD-SIM的水平（左）和垂直（右）的白色框区域放大展示。比例尺：（k）5 μm；（l）1 μm。总之，通过稀疏解卷积算法（Sparse deconvolution）来实现计算荧光超分辨率成像，与目前基于特定物理原理或者特殊荧光探针的超分辨率方法都不相同。与超快结构光超分辨显微镜结合形成的Sparse-SIM是目前活细胞光学成像中，分辨率最高（60纳米）、速度最快（564帧/秒）、成像时间最长（1小时以上）的超分辨光学显微成像手段。它也可以与现有的多数商业荧光显微镜结合，有效提升它们的空间分辨率，看到更清楚的精细结构动态。

来自奥地利格拉茨大学的研究人员近日开发了一种新的测量和成像方法，可在不需要任何染料或标签的情况下解析小于光衍射极限的纳米结构。这种激光扫描显微镜新方法弥补了传统显微镜和超分辨率技术之间的差距，有朝一日或可被用来观察复杂样品的精细特征。在国际光学出版集团的高影响力期刊《光学》上描述的这种新方法，是对激光扫描显微镜的改进，它使用强聚焦激光束照射标本。研究人员扩展了这项技术，不仅可以测量光与被研究标本相互作用后的亮度或强度，还可以检测光场中编码的其他参数。“我们的方法可帮助扩展用于研究各种样品中纳米结构的显微工具箱。”研究小组组长彼得班泽说，“与基于类似扫描方法的超分辨率技术相比，我们的方法是完全非侵入性的，这意味着它不需要在成像前向标本中注入任何荧光分子。”研究表明，新方法可测量金纳米颗粒的位置和大小，精度为几纳米，即使在多个颗粒接触的情况下也可做到。在激光扫描显微镜中，光束在样品上扫描，并测量来自样品的透射光、反射光或散射光。大多数显微方法测量来自样品的光强度或亮度，但大量信息存储在光的其他特性中，例如它的相位、偏振和散射角。为了捕捉这些额外信息，研究人员检查了强度和偏振信息的空间分辨率。研究人员表示，光的相位、偏振和强度，在空间上都会发生变化，这种变化方式包含了与之相互作用的样品细节，然而，如果只在相互作用后测量总体光功率，那么大部分信息都会被忽略。研究人员研究了含有不同大小的金属纳米颗粒的简单样品，通过扫描感兴趣的区域，然后记录传输光的偏振和角度分辨图像展示了这种新方法。他们使用一种算法对测量数据进行评估，该算法创建了一个粒子模型，模型可自动调整，以尽可能精确地模拟测量数据。班泽说，尽管这些颗粒及其距离比许多显微镜的分辨率极限要小得多，但新方法能够解决这一问题。更重要的是，该算法能够提供有关标本的其他参数，如颗粒的精确大小和位置。

研究人员开发了一种新的测量和成像方法，可以解析小于光衍射极限的纳米结构。光与标本相互作用后，新技术可测量光强度以及光场中编码的其他参数。图片来源：约尔格S艾斯曼/奥地利格拉茨大学来自奥地利格拉茨大学的研究人员近日开发了一种新的测量和成像方法，可在不需要任何染料或标签的情况下解析小于光衍射极限的纳米结构。这种激光扫描显微镜新方法弥补了传统显微镜和超分辨率技术之间的差距，有朝一日或可被用来观察复杂样品的精细特征。在国际光学出版集团的高影响力期刊《光学》上描述的这种新方法，是对激光扫描显微镜的改进，它使用强聚焦激光束照射标本。研究人员扩展了这项技术，不仅可以测量光与被研究标本相互作用后的亮度或强度，还可以检测光场中编码的其他参数。“我们的方法可帮助扩展用于研究各种样品中纳米结构的显微工具箱。”研究小组组长彼得班泽说，“与基于类似扫描方法的超分辨率技术相比，我们的方法是完全非侵入性的，这意味着它不需要在成像前向标本中注入任何荧光分子。”研究表明，新方法可测量金纳米颗粒的位置和大小，精度为几纳米，即使在多个颗粒接触的情况下也可做到。在激光扫描显微镜中，光束在样品上扫描，并测量来自样品的透射光、反射光或散射光。大多数显微方法测量来自样品的光强度或亮度，但大量信息存储在光的其他特性中，例如它的相位、偏振和散射角。为了捕捉这些额外信息，研究人员检查了强度和偏振信息的空间分辨率。研究人员表示，光的相位、偏振和强度，在空间上都会发生变化，这种变化方式包含了与之相互作用的样品细节，然而，如果只在相互作用后测量总体光功率，那么大部分信息都会被忽略。研究人员研究了含有不同大小的金属纳米颗粒的简单样品，通过扫描感兴趣的区域，然后记录传输光的偏振和角度分辨图像展示了这种新方法。他们使用一种算法对测量数据进行评估，该算法创建了一个粒子模型，模型可自动调整，以尽可能精确地模拟测量数据。班泽说，尽管这些颗粒及其距离比许多显微镜的分辨率极限要小得多，但新方法能够解决这一问题。更重要的是，该算法能够提供有关标本的其他参数，如颗粒的精确大小和位置。

GE Healthcare旗下Applied Precision公司（API）出品的DeltaVision OMX Blaze&trade 超高分辨率显微镜融合了专利的结构照明模块和最先进的高速成像技术，突破了光学显微镜无法逾越的空间和时间上的极限，为我们揭开了一个从未看到过的动态的活体细胞内部世界。因此，它也被生物通等各大国内知名生物网站评为&ldquo 2011生命科学十大创新产品&rdquo 之一。 据GE Healthcare的产品专家介绍，传统光学显微镜存在无法逾越的空间和时间上的技术极限，因为光穿过界面时达到一定入射角度（布儒斯特角）会发生衍射，光和信息（分辨率）无法穿过界面。这一技术极限限制了传统显微镜所能看到的物体的分辨率。而DeltaVision OMX Blaze系统具有空间上的超高分辨率和时间上的超高分辨率。空间分辨率是激光共聚焦显微镜的8倍，时间分辨率可以达到400帧/秒。为观察超微观的生物学结构和超快速的生物学过程提供了最新的工具。 这种超高分辨率意味着可以观察到原来无法观察的生物学现象，提供新的实验解决方案，并在更深的层次上提出新的生物学问题。 在超高分辨率显微镜下，已经观察到单个微管和微丝，病毒等以前从未能在光学显微镜下观察的样品也都清晰可见。原来在激光共聚焦显微镜下难以分辨的生物大分子复合体，如蛋白质和DNA的相互作用，蛋白质和RNA的相互作用，均可借助超高分辨率显微镜得到观察。原来快速的生物学过程，如神经突触末端囊泡的释放，细胞内蛋白的超快速运动，在超高分辨率显微镜下也得到了完整的呈现 . 之前，加州大学戴维斯分校生物光子学科学技术中心（CBST）的科研人员使用这台仪器首次对活的肿瘤细胞内部的纳米尺寸的区室运动进行了成像。Hsing-Jien Kung教授认为：&ldquo 高分辨率、活细胞成像技术的开发可以让我们加快对这种难以捉摸的过程的理解，为自体吞噬调控剂的开发铺平了道路。&rdquo 大家可能还不太熟悉，其实Applied Precision公司在专业成像领域非常知名，一直致力于高端显微系统的设计和制造。目前产品集中在两块，一块是超高分辨率显微镜，如DeltaVision OMX，另外一块是高端活细胞成像显微镜，包括DeltaVision Elite和DeltaVision Monet，在性能、成像速度、系统的稳定性上都是目前世界上最好的活细胞成像系统。目前在国内已经得到了清华大学、北京大学、中国科学院生物物理所、中国科学院遗传发育研究所等客户的认可和肯定。去年4月，GE Healthcare收购了该公司.

显微镜是重要的科学仪器，显微镜的诞生，拓宽了人类的眼界，带领人类进入微观世界。利用显微镜，人类可以看到细胞机构、微生物、材料的微观机构等，在此基础上进行研究和分析，从而产生大量发明和发现，推动了科学的发展。自显微镜发明以来，科学家们不断提升显微镜的性能，新技术层出不穷，更强大的显微镜能够进一步提升科技水平。由于显微镜对科学有着重大贡献，显微镜领域的多项重大发明都获得了诺贝尔奖。1953年，荷兰人弗里茨塞尔尼克因因相衬显微技术而获得了诺贝尔物理学奖。1986年，德国人恩斯特鲁斯卡作为透视电子显微镜的发明人，获得了诺贝尔物理学奖。1986年，德国人格尔德宾宁和荷兰人海因里希罗雷尔研制出扫描隧道显微镜，获得了诺贝尔物理学奖。2014年，美国人艾力克贝齐格、美国人莫尔纳尔和德国人斯特凡赫尔凭借超分辨荧光显微镜，获得了诺贝尔化学奖。2017年，瑞士雅克杜博歇、德国人约阿希姆弗兰克、英国理查德亨德森研发出低温电子显微镜，获得了诺贝尔化学奖。其中超分辨荧光显微镜的出现，使得光学显微镜进入纳米级尺度。现在，中国研究团队进一步提升光学显微镜的性能，在光学超分辨显微成像技术领域取得突破性进展。哈尔滨工业大学仪器学院和北京大学未来技术学院合作，在低光毒性条件下，把结构光显微镜的分辨率从110纳米提高到60纳米，该显微镜是目前活细胞光学显微成像中分辨率最高的超分辨显微镜，并实现564帧/秒、成像时间达到1小时以上。中国团队提出了一种计算显微成像算法，可以突破光学衍射极限，加上荧光成像的前向物理模型以及压缩感知理论，同时结合稀疏性与时空连续性的双约束条件，开发出稀疏解卷积技术，提高了时空分辨率和频谱，从而研发出超快结构光超分辨荧光显微镜系统。这项技术适用于大多数荧光显微镜成像系统模态，能够实现近两倍的稳定空间分辨率提升，将在生物科学领域发挥重大作用。麦克奥迪、舜宇光学科技、永新光学和广州晶华光学是目前国内光学显微镜市场份额排名靠前的企业，均为中国企业。但国内高端光学显微镜市场主要被徕卡、蔡司、尼康、奥林巴斯等国外企业占据。随着中国光学显微镜实力不断提升，中国企业有望改变高端光学显微镜市场竞争格局。结语中国通过引进和吸收国外技术，取得了巨大进步，想要进一步提升国家竞争力，就必须自主创新，自主创新需要从基础研究做起，而基础研究离不开科学仪器，研制科学仪器就是打好发展基础。

教科书上的化学反应均以单分子形式进行概念描述，但实验中得到的却是大量分子的平均结果。一瓶380毫升的水，约含有10的25次方个水分子，投入金属钠会产生激烈的反应。不妨试想，宏观可见的化学现象，具体到单个分子是怎样的表现?　　单分子实验是从本质出发解决许多基础科学问题的重要途径之一。近年来，虽已有单分子荧光显微镜技术，冷冻单分子电镜技术等诺贝尔奖级别的成果问世，观察、操纵和测量最为微观的单分子化学反应仍是科学家面对的长期挑战。　　8月11日，浙江大学化学系冯建东研究员团队在国际顶级期刊《自然》发表封面文章。浙大团队以电致化学发光反应为研究对象，发明了一种可以直接对溶液中单分子化学反应进行成像的显微镜技术，并实现了超高时空分辨成像。该技术可实现更清晰的微观结构和细胞图像，在化学成像和生物成像领域具有重要应用价值。　　捕获分子发光信号 1秒内连拍上千张图片　　电致化学发光，是指具有发光活性的物质在电极表面通过化学反应实现发光的形式，可令分子产生光信号，在体外免疫诊断、成像分析等领域已有应用。　　“在溶液体系还难以开展单分子化学反应的直接光学捕捉。”冯建东介绍，单分子化学反应伴随的光、电、磁信号变化非常微弱，而且化学反应过程和位置具有随机性，很难控制和追踪。　　如何实现微弱乃至单分子水平电致化学发光信号的测量和成像?如何在电致化学发光成像领域实现突破光学衍射极限的超高时空分辨率成像，即超分辨电致化学发光成像?3年来，冯建东团队致力于这两大难题的研究，通过联用自制的具有皮安水平电流检出能力的电化学测量系统以及宽场超分辨光学显微镜，搭建了一套高效的电致化学发光控制、测量和成像系统。　　“团队通过搭建灵敏的探测系统，将电压施加、电流测量、光学成像同步起来，通过时空孤立捕获到了单分子反应后产生的发光信号。” 论文第一作者、浙大化学系博士生董金润介绍。　　从空间上，研究团队通过不断稀释，控制溶液中的分子浓度实现单分子空间隔离。时间上，通过快速照片采集，最快在1秒内拍摄1300张，消除邻近分子间的相互干扰。　　利用这套光电控制和测量平台，团队首次实现单分子电致化学发光信号的空间成像，其成像特点在于无需借助外界光源，可在暗室操作。　　多重曝光合成叠加 实现纳米级超高分辨率　　现如今，传统光学显微镜在数百纳米以上的尺度工作，而高分辨电镜和扫描探针显微镜则可以揭示原子尺度。“但能够用于原位、动态和溶液体系观测几个纳米到上百纳米这一尺度范围的技术非常有限。”冯建东提到，主要在于受到光的衍射极限限制，光学成像分辨力不足，即相邻很近的两个点难以分辨。　　为此，冯建东团队在获取单分子信号图像基础上，着手研究电致化学发光的超分辨成像。受到超分辨荧光显微镜技术的启发，研究团队利用通过空间分子反应定位的光学重构方法进行成像。　　“好比人们夜晚抬头看星星，可以通过星星的‘闪烁’将离得很近的两颗星星区分开一样。”冯建东介绍，技术原理即通过空间上的发光位置定位，再把每一帧孤立分子反应位置信息叠加起来，就能构建出化学反应位点的“星座”。　　为验证这一成像方法的可行性以及定位算法的准确性，研究团队通过精密加工的方法，在电极表面制造了一个条纹图案作为已知成像模板，并进行对比成像，条纹间隔为几百个纳米。　　记者看到，该微纳结构的单分子电致化学发光成像与电镜成像结果高度吻合。而且，单分子电致化学发光成像将传统上数百纳米的电致化学发光显微成像空间分辨率提升到了前所未有的24纳米。　　研究团队进而将该成像技术应用于生物细胞显微成像，以细胞的基质黏附为对象，对其进行单分子电致化学发光成像，观察其随时间的动态变化，成像结果与荧光超分辨成像可关联对比，其分辨率也可与荧光超分辨成像相媲美。　　“相比于荧光成像技术，电致化学发光成像不需要对细胞结构做标记，意味着不易影响细胞状态，对细胞可能是潜在友好的。”冯建东表示，未来，这项显微镜技术将作为一项研究工具，在单分子水平揭示更多化学奥秘，也有助于揭示更为清晰的生物结构和看清生命基本单位细胞如何工作。

2016年12月31日，中国科学院生物物理研究所徐平勇课题组、中国科学院计算技术研究所张法课题组以及美国科学院院士HHMI研究员Jennifer Lippincott-Schwartz合作在《细胞研究》(Cell Research)在线发表了题为Live-cell single molecule-guided Bayesian localization super-resolution microscopy 的文章，介绍了一种新型活细胞超分辨率显微技术及其独特优势。　　超分辨率荧光显微技术由于打破了传统光学衍射的限制，使得人们能够更深入地理解细胞生物学，获得了2014年诺贝尔化学奖。但是由于设备和时空分辨率的影响，活细胞超分辨率技术仍面临诸多挑战。近年来，贝叶斯定位显微技术(Bayesian analysis of the blinking and bleaching，3B)利用荧光蛋白漂白和闪烁的特性，通过分析整个图像序列的变化得到荧光蛋白的概率分布图，该方法用简单的光学设备就能实现活细胞动态结构的超分辨率成像，成为活细胞超分辨率成像的重要工具之一。作为细胞成像新的重要工具，它仍然有三个关键的问题没有解决：1)在精度方面，存在严重的结构缺失，定位精度不高 2)在速度方面，该方法极其耗时，为了得到1.5μ m的超分辨率结构，大约需要6小时，并且随着图像尺寸的增加，计算时间急剧增长 3)在分析尺度方面，由于速度的限制，该方法很难获得全细胞大尺度长时间的动态变化。针对以上问题，实验人员通过将单分子定位和贝叶斯技术相结合，开发了一种新型活细胞超分辨率显微技术(single molecule guided Bayesian localization microscopy，SIMBA)，该技术有以下优点：1)适用范围广，不需要任何额外的硬件设备，就能与主流TIRFM、PALM、STROM和light-sheet显微镜相结合，便于推广和使用 2)时空分辨率高，减少了结构伪迹的同时实现了50nm的空间分辨率和0.5-2s的时间分辨率 3)运行速度快，相比3B，加速比超过100倍，并且随着图像尺度的增大，加速效果更加明显 4)分析尺度大，实现了全细胞大尺度长时间动态变化分析。　　活细胞超分辨率显微技术是当前研究的热点，开发新型活细胞超分辨率成像探针和新方法是中科院生物物理所徐平勇课题组的重要研究方向。徐平勇、张法、Jennifer Lippincott-Schwartz为本文的通讯作者 徐帆、张名姝为共同第一作者。该工作受到国家“973”计划 、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中科院基金先导项目等的资助，并申请专利“一种贝叶斯显微成像方法”。SIMBA对于固定细胞actin和活细胞CLC重构结果展示

4月末，通用电气医疗集团(GE Healthcare)签署了一项协议，收购细胞成像产品制造商Applied Precision，具体收购金额不详。随着这次收购行动，GE Healthcare有望进入快速增长的细胞成像领域。 　　总部位于华盛顿西雅图郊外的Applied Precision开发并制造高分辨率以及超高分辨率的显微镜仪器，让研究人员能够以其他类型显微镜无法实现的规模来研究细胞过程。 　　一般显微镜所拥有的分辨率能让研究人员观察到200 nm及以上的物体。因此，对于大小在10 nm左右的胰岛素，一般的显微镜是无法看到的。然而，有了超高分辨率显微镜，研究人员就能看到。电镜的分辨率与超高分辨率显微镜相似，但它们不能活体观察细胞，而后者能做到。 　　GE Healthcare负责细胞技术的总经理Amr Abid向国外媒体透露，通过在此水平研究细胞功能，研究人员能够对功能异常细胞的机制有了更深入的了解。他举了一些例子，比如利用超高分辨率显微镜来研究HIV病毒如何穿透细胞，这为新药开发提供了信息。 　　几个世纪以来，科学家们都是利用光学显微镜对肉眼无法看到的结构进行观测，目前光学显微镜已经成为了实验室必备的实验器材之一，但是随着研究的深入，光学显微镜的分辨率已经无法达到科学家们的要求了。2008年，《Nature》杂志将超高分辨率显微技术评为年度技术。 　　Abid估计，如今整个显微镜市场大概在20亿-30亿美元。其中，超高分辨率显微镜占了约20%。Applied Precision和徕卡(Leica)是硬件方面的行业领先者，他们各自的市场份额大约为30%-35%。 　　GE目前不提供超高分辨率显微镜，也不曾开发它们。Applied Precision的产品是对GE细胞分析产品线的很好补充。GE也在探索一些方法，将其现有的细胞研究技术与Applied Precision的仪器捆绑起来。 　　目前，GE在细胞成像方面的旗舰产品是2009年上市的IN Cell平台。IN Cell Analyzer平台提供了一整套从自动化图像获取到数据的定量和深度分析以及可视化的强大工具，来协助整个高内涵分析过程。前不久，GE推出了最新版本的分析平台&mdash &mdash IN Cell 6000。 　　据Abid透露，由于Applied Precision在高分辨率以及超高分辨率显微镜方面声名卓著，故GE打算保留其名称。该公司还计划保留全部130名员工，并在技术上继续投资。 GE还打算加大力度提高Applied Precision在亚太地区(如中国、印度和日本)的知名度，对于超高分辨率显微镜而言，这些区域是一个增长点，然而，Applied Precision目前的份额还很有限。 关于通用电气（中国）医疗集团生命科学部 GE Healthcare Life Science隶属于通用电气医疗集团，我们的产品和技术主要应用于基因科学、蛋白质科学、药物开发研究、以及生物制药、诊断、法医和环保等行业。 我们为制药公司提供完整解决方案，以减少新药筛选和开发的时间和费用，迅速、简单地将研究成果转为规模化生产，并更好地从药物开发候选方案中选择开发出有效、安全药物的方案，更快地研制新药，为医药研发领域的重大突破铺平道路。我们的Biacore和Microcal非标记分子相互作用分析系统是生物分子间相互作用、动力学和热力学研究的标准方法。我们的AKTA系统是专为生物分子纯化而设计的平台，集成了液相层析系统、软件和预装柱；市场上90% 以上FDA批准的生物药正是使用基于相同设计理念的可放大平台AKTAProcess系统和填料进行生物药物分子的提纯。我们的Whatman品牌提供在全球享有盛誉的过滤产品和技术，为分析领域、医疗保健和生物科学市场提供全新的解决方案。 欲了解更多有关GE医疗集团生命科学部的信息，请访问公司网站www.gelifesciences.com.cn，或垂询800-810-9118。

2014年诺贝尔化学奖授予了荧光超分辨显微技术，利用荧光分子的化学开关特性（PALM/FPALM/STORM）或者物理的直接受激辐射现象（STED），实现超越衍射极限的超分辨成像。尽管如此，活细胞中的超分辨率成像仍然存在两个主要瓶颈：（1）超分辨率的光毒性限制了观察活细胞中精细生理过程；（2）受限于荧光分子单位时间内发出的光子数，时间和空间分辨率不可兼得。受限于这个瓶颈，为了在活细胞上达到60 nm空间分辨率极限，现有超分辨率成像手段需要强照明功率（kW~MW/mm2）、特殊荧光探针和长曝光时间（ 2 s）。强照明功率引起的强漂白会破坏真实荧光结构的完整性，长曝光时间在图像重构时导致运动伪影，降低有效分辨率。迄今为止，基于光学硬件或者荧光探针的改进无法进一步提升活细胞超分辨率的时空分辨率，实现毫秒尺度60 nm的时空分辨率成像。2021年11月16日，哈尔滨工业大学李浩宇教授团队与北京大学陈良怡教授团队合作在Nature Biotechnology上发表论文Sparse deconvolution improves the resolution of live-cell super-resolution fluorescence microscopy【1】。他们另辟蹊径，发明基于新计算原理的荧光超分辨率显微成像，进一步拓展荧光显微镜的分辨率极限。通过提出“荧光图像的分辨率提高等价于图像的相对稀疏性增加”这个通用先验知识，结合之前提出的信号空时连续性先验知识【2】，他们发明了两步迭代解卷积算法，即稀疏解卷积（Sparse deconvolution）方法，突破现有荧光显微系统的光学硬件限制，首次实现通用计算荧光超分辨率成像。结合自主研发的超分辨率结构光（SIM）系统，实现目前活细胞光学成像中最高空间分辨率（60nm）下，速度最快（564Hz）、成像时间最长（1小时以上）的超分辨成像。结合商业的转盘共聚焦结构光显微镜，实现四色、三维、长时间的活细胞超分辨成像。1、应用举例：DNA折纸标准样本验证为了在已知结构样本中验证分辨率的提升，研究者设计并合成了两个荧光标记位点的DNA折纸样本，每个位点用4~5个Cy5标记。当这些分子间距为60 nm、80 nm和100 nm时，它们在TIRF-SIM下几乎无法区分，但在经过稀疏解卷积重建后（Sparse-SIM，图1）可以很好地区分它们中间的距离。整体结果可以用单分子定位显微镜ROSE【3】交叉验证，与Sparse-SIM得到的DNA折纸的荧光对间距以及不同间距荧光对在玻片上的分布一致。图1：Sparse-SIM解析不同距离DNA折纸样本。（a）在相同视场下，用配对Cy5标记不同距离（60 nm, 80 nm, 100 nm, 120 nm）的DNA折纸样品，用TIRF（左）、TIRF-SIM（中）和Sparse-SIM（右）成像。（b）在TIRF、TIRF-SIM和Sparse-SIM下，黄色（60 nm）、蓝色（80 nm）(80 nm)、绿色（100 nm）和红色（120 nm）框包围的放大区域。比例尺：（a）2 μm；（b）100 nm。2、应用举例：Sparse-SIM超快活细胞成像揭示核孔结构和胰岛素囊泡早期融合孔道在活细胞成像中，稀疏结构光显微镜（Sparse-SIM）可以解析标记不同核孔蛋白（Nup35, Nup93, Nup98，或Nup107）的环状核孔结构，而它们在传统结构光显微镜（2D-SIM）下形状大小与100 nm荧光珠类似（图2c, 2d）。由于相机像素尺寸与孔径直径类似，测量的核孔拟合直径与Sparse-SIM的分辨率相当。校正后Nup35和Nup107孔的直径分别为~66 ± 3 nm和~97 ± 5 nm，而Nup98和Nup93直径大小处于这个范围中（图2e, 2f），结果与以前用其他超分辨成像方法在固定细胞中获得的直径相符【4】。有趣的是，12分钟超分辨成像可以显示活细胞中核孔形状变化，这可能反映了核膜上的单个核孔复合物动态重新定向到焦平面或远离焦平面（图2g），这是其他超分辨方法难以观察到的。图2：Sparse-SIM解析核孔蛋白动态过程。（c）用Sparse-SIM观察活COS-7细胞中以Nup98-GFP标记的动态环状核孔的典型例子，持续时间超过10分钟。上下区域分别显示2D-SIM和Sparse-SIM下的图像。（d）比较（c）中青色框中的核孔结构快照与100 nm荧光珠在不同重建方法（2D-SIM、20次RL解卷积后、50次RL解卷积后、Sparse-SIM）下的结果。（e）由于核孔的大小与Sparse-SIM的分辨率和像素大小相当，按照Supplementary Note 9.1的协议（详情请见文章），分别推导出Nup35-GFP（红色）、Nup98-GFP（黄色）、Nup93-GFP（绿色）和Nup107-GFP（青色）标记的核孔结构的实际直径。（f）Nup35（66 ± 3 nm, n=30）、Nup98（75 ± 6 nm, n=40）、Nup93（79 ± 4 nm, n = 40）、Nup107（97 ± 5nm ,n = 40）的平均直径环。左右两幅蒙太奇分别为传统Wiener重构或稀疏解卷积后的结果。（g）在6个时间点对 （c）中的品红色方框放大并显示。比例尺：（c）500 nm；（d, g, f）100 nm。通过滚动重建，Sparse-SIM的时间分辨率可达564 Hz，识别出来INS-1细胞中VAMP2-pHluorin标记的、更小的胰岛素囊泡融合孔道（如~61 nm孔径）。它们在囊泡融合的早期出现，孔径小（平均直径~87 nm），持续时间短（9.5 ms），不能被之前传统的TIRF-SIM所识别【2】。另一方面，鉴别出来的稳定融合孔在囊泡融合的后期出现，孔径大（平均直径~116 nm），持续时间长（47 ms），是之前看到的结构【2】。值得一提的是，虽然这里发现的囊泡早期融合孔状态很难被其他的超分辨率成像手段所直接验证，但是它们的发生频率与30多年前用快速冷冻蚀刻电子显微镜所观察到的“小的融合孔发生概率远低于大的融合孔”现象相吻合【6】。3、应用举例：稀疏解卷积是提升荧光显微镜分辨率的通用方法与当下热门的深度学习超分辨率显微重建不同，信号的空时连续性、高空间分辨率导致的荧光图像相对稀疏性这两个先验知识，是荧光显微成像的通用先验知识，不依赖于样本的形态以及特定的荧光显微镜种类。因此，稀疏解卷积是通用荧光显微计算超分辨率成像算法，可被广泛应用于提升其他荧光显微模态分辨率，观察不同种类细胞器的精细结构及动态（图3）。图3 | 稀疏解卷积广泛应用于提升不同显微成像模态空间分辨率，揭示各类细胞器精细结构动态。比如稀疏解卷积增强的商业超分辨转盘共焦结构光显微镜（SD-SIM）【7】，可以实现XY方向90纳米，Z方向250 纳米的空间分辨率，清晰记录分裂期7 μm深度内的全细胞内所有线粒体外膜网络（图4）。同样，若稀疏解卷积增强与商业SD-SIM结合，可以很容易实现活细胞上的三维、四色超分辨率成像。稀疏解卷积可以与膨胀显微镜（ExM）【8】结合，解析细胞膨胀后的复杂结构；也可以与宽场、点扫描的共聚焦、受激辐射损耗显微镜（STED）【9】以及微型化双光子显微镜（FHIRM-TPM 2.0）【10】结合，实现近两倍的空间分辨率提升。因此，稀疏解卷积的提出，将帮助使用各种各样荧光显微镜的生物医学研究者更好地分辨细胞中的精细动态结构。图4 | Sparse SD-SIM解析活细胞三维线粒体外膜网络。（k）活体COS-7细胞的线粒体外膜（Tom20-mCherry标记）的三维分布，颜色表征深度。（l）SD-SIM原始数据与Sparse SD-SIM的水平（左）和垂直（右）的白色框区域放大展示。比例尺：（k）5 μm；（l）1 μm。总之，通过稀疏解卷积算法（Sparse deconvolution）来实现计算荧光超分辨率成像，与目前基于特定物理原理或者特殊荧光探针的超分辨率方法都不相同。与超快结构光超分辨显微镜结合形成的Sparse-SIM是目前活细胞光学成像中，分辨率最高（60纳米）、速度最快（564帧/秒）、成像时间最长（1小时以上）的超分辨光学显微成像手段。它也可以与现有的多数商业荧光显微镜结合，有效提升它们的空间分辨率，看到更清楚的精细结构动态。哈尔滨工业大学博士生赵唯淞、北京大学博士后赵士群、李柳菊为共同第一作者，哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院李浩宇教授和北京大学未来技术学院陈良怡教授为论文共同通讯作者，共同作者还包括哈尔滨工业大学谭久彬院士、刘俭教授，北京大学毛珩博士，生科院成像平台单春燕博士和华南师范大学刘彦梅教授。参与合作的实验室包括武汉大学宋保亮教授、北京大学陈兴教授、中科院国家纳米科学中心丁宝全教授和生物物理所纪伟教授等。该项工作得到北京大学膜生物学重点实验室、麦戈文脑研究所、北大-清华生命科学联合中心、北京智源人工智能研究院的支持，也是多模态跨尺度国家生物医学成像设施建设过程中的重要成果。专家点评徐平勇（中科院生物物理所）自2014年诺贝尔化学奖授予了超分辨显微技术以来，超分辨成像技术取得了巨大的进步，成像的分辨率得到了进一步的提高。在固定细胞中，以MINFLUX、SIMFLUX以及ROSE等为代表的超分辨成像技术利用调制光照射单分子定位的方法实现了小于10纳米的空间分辨率。然而，在活细胞中进一步提高成像的空间分辨率仍然面临挑战。一个主要原因是活细胞成像的时空分辨率是互相关联的，为了减少活细胞里的运动伪影，需要通过提高采样频率来提高时间分辨率，但是采样频率或者时间分辨率的提高会减少记录的光子数，使得空间分辨率下降。在现有超分辨成像技术中，结构光照明成像SIM技术具有最高的时间分辨率，但是受限于成像原理本身和所采用的维纳反卷积等算法，空间分辨率进一步提高遇到了挑战。陈良怡和李浩宇团队合作发展的稀疏结构光超分辨显微成像技术（Sparse-SIM），保留了陈良怡团队前期发展的海森-SIM的高时间分辨率的优点，并进一步将SIM的空间分辨率提高到60纳米。该技术属于计算超分辨率成像方法，主要包括两步迭代解卷积求解算法。其核心是将Richardson–Lucy反卷积算法应用到SIM成像中，通过前期发展的基于信号的时空连续性的先验知识重建图像的方法减少或者消除Richardson–Lucy反卷积应用中的噪声问题；并利用提出的“荧光图像的分辨率提高等价于图像的相对稀疏性增加”这个先验知识作为约束条件，建立通用的计算框架——稀疏解卷积技术。该工作有几个方面的突破和创新：1）解决了Richardson–Lucy反卷积应用到生物成像中的噪声和先验知识问题，拓展了它在生物成像中的实际应用；2）利用稀疏结构光超分辨成像在活细胞中实现了同时高时空分辨率长时程成像；3）方法具有普适性，可以广泛用于宽场成像和其它超分辨成像技术，提高这些成像方法的分辨率。目前发展的Sparse-SIM主要是基于二维结构光 (2D-SIM) 系统，实现了活细胞中空间分辨率60nm、时间分辨率564Hz、成像时间1小时以上的超分辨成像。这是目前活细胞成像中同时具有的最高时空分辨率。其空间分辨率可与非线性SIM相媲美，但是时间分辨率更高，成像设备上的复杂程度也相对要低一些。将来Sparse-SIM技术也有望能用于三维结构光成像，尽管受限于3D-SIM成像方法本身成像的时间分辨率会有所下降。总之，Sparse-SIM技术同时具有高的时间和空间分辨率，其在活细胞成像中的应用有望带来诸多生物学中的重要发现。尤其重要的是，稀疏解卷积技术框架适用于目前多数荧光显微镜成像方法，并将这些成像的空间分辨率提升了近两倍，将大大促进这些荧光成像方法的发展和它们在生物学中的广泛应用。刘兴国（中科院广州生物医药与健康研究院）以SIM、STORM/PALM、STED为代表的的超分辨成像技术，成功突破了光学衍射极限，极大推动了亚细胞结构和细胞器互作动态等微观结构研究，获得了2014年诺贝尔化学奖。然而超分辨成像技术在时间分辨率和空间分辨率上难于获得同等提高——在超分辨成像技术中，SIM技术具有最好的时间分辨率，然而空间分辨率也是3种主流技术中最低的，缺乏对100nm以下尺度的亚细胞器结构的解析力。在充分利用SIM技术的时间分辨率的基础上，如何提高空间分辨率是一个重要的研究方向。北京大学陈良怡团队与哈尔滨工业大学李浩宇教授在Nature Biotechnology 杂志报道最新开发的Sparse deconvolution算法，并成功结合SIM技术开发出Sparse-SIM，在时空分辨率上成功将SIM技术的空间分辨率从110nm提高到60nm，同时保持毫秒级的时间分辨率。同时，陈良仪团队研究显示，本技术同样可以提高SD-SIM、STED等超分辨技术的轴向分辨率，甚至可以使普通宽场显微镜获得更好的信噪比。这一精彩的工作不但是领域的重要技术进展，而且具有广阔的应用空间。 陈良怡团队之前的工作，在硬件和软件水平挖掘SIM技术的时空分辨率，成功开发了高时空分辨率的Hessian SIM技术；本次研究再次在软件算法上取得突破，进一步推动了SIM技术在活细胞超分辨成像在时空分辨率的极限。应用Sparse-SIM技术，同时检测了核孔复合物结构、网格蛋白（clathrin）动态、溶酶体和内质网相互作用、内质网对线粒体内嵴动态的调控等重要过程，显现出Sparse-SIM强大的应用能力和应用前景。如何易于操作的提高超分辨成像技术的时空分辨率是亚细胞器结构和动态研究方面的一个重要方向，Sparse deconvolution算法或者Sparse-SIM提供了一个重要的生命科学研究工具，去探索更微观的生命科学过程。参考文献[1] Weisong Z, Shiqun Z, Liuju L, et al. Sparse deconvolution improves the resolution of live-cell super-resolution fluorescence microscopy [J]. Nature biotechnology, 2021: DOI: https://doi.org/10.1038/s41587-021-01092-2.[2] Huang X, Fan J, Li L, et al. Fast, long-term, super-resolution imaging with Hessian structured illumination microscopy [J]. Nature biotechnology, 2018, 36(5): 451-459.[3] Gu L, Li Y, Zhang S, et al. Molecular resolution imaging by repetitive optical selective exposure [J]. Nature Methods, 2019, 16(11): 1114-1118.[4] Szymborska A, Marco A d, Daigle N, et al. Nuclear pore scaffold structure analyzed by super-resolution microscopy and particle averaging [J]. Science, 2013, 341(6146): 655-658.[6] Ornberg R L, Reese T S. Beginning of exocytosis captured by rapid-freezing of Limulus amebocytes [J]. The Journal of Cell Biology, 1981, 90: 40 - 54.[7] Schulz O, Pieper C, Clever M, et al. Resolution doubling in fluorescence microscopy with confocal spinning-disk image scanning microscopy [J]. PNAS, 2013, 110(52): 21000-21005.[8] Sun D-E, Fan X, Shi Y, et al. Click-ExM enables expansion microscopy for all biomolecules [J]. Nature Methods, 2021, 18: 107–113.[9] Hell S W, Wichmann J. Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy [J]. Optics Letters, 1994, 19(11): 780-782.[10] Zong W, Wu R, Chen S, et al. Miniature two-photon microscopy for enlarged field-of-view, multi-plane and long-term brain imaging [J]. Nature Methods, 2021, 18(1): 46-49.

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。 /p p 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。 /p p 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" / /p p 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 /p p 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。 /p p 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。 /p p 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" / /p p 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 /p p 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。 /p p 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。 /p p 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

复旦大学材料科学系武利民课题组研究设计开发了一种新的纳米粒子组装方法——纳米固流体法，首次实现了将高折射率的二氧化钛纳米粒子组装成能工作于可见光波段的超材料光学器件。相关研究成果已发表于《科学进展》。　　目前，绝大多数超材料采用金属材料来制备，这些金属超材料可较好地工作于微波和太赫兹波段。但在更高频率的近红外，特别是可见光波段，金属会吸收过多的光线并造成显著的能量损耗，从而限制了金属超材料在近红外和可见光波段的应用。因此，低损耗的非金属超材料的制备与应用是国际超材料研究领域的热点之一。　　据悉，武利民课题组通过将15纳米的锐钛矿二氧化钛纳米粒子组装成半球形和超半球形固体浸没超透镜，在常规的光学显微镜下实现了45纳米的超分辨率显微成像，大大突破了光学显微镜的极限分辨率200纳米，并揭示了二氧化钛纳米粒子间的近场耦合效应在该可见光超材料中的重要作用。　　这项研究提供了一种在纳米尺度操纵可见光的途径，未来将该组装方法与纳米印迹、微纳流体等技术结合，有望制备出紧凑、低成本的超材料光学器件，应用于隐身、光子计算机、近场光学检测及太阳能利用等领域。

分辨率最高可达0.6 nm！国仪量子超高分辨场发射扫描电子显微镜SEM5000X#NEWS超高分辨场发射电镜发布近日，国仪量子在2023全国电镜年会期间发布了全新的超高分辨场发射扫描电子显微镜SEM5000X，分辨率达到了突破性的0.6 nm@15 kV和1.0 nm@1 kV，进一步夯实了国产高端电镜发展的基础。深度挖掘用户需求 全新升级实现超强性能国仪量子在服务客户时发现，传统的场发射扫描电镜在拍摄一些特殊样品时会出现成像质量不佳的问题。例如，纳米材料的导电性较差，样品的粒径通常也非常小，观测难度较高。但随着科研水平不断进步，对材料的观测尺度也将不断缩小，观测难度愈发提高。为解决这一难题，国仪量子显微镜研发团队在调研用户需求后，基于深厚的技术储备与产品工程化能力，推出了“挑战极限”的超高分辨场发射扫描电子显微镜SEM5000X。SEM5000X如何“挑战极限”？极限挑战一：挑战超高分辨率SEM5000X在15 kV下分辨率优于0.6 nm，1 kV下分辨率优于1 nm，成功挑战了热场发射扫描电镜的极限分辨率。国仪量子对SEM5000X电子光学系统中的物镜部分做了特殊的改进优化，电透镜和磁透镜的重合度进一步提高，使得色差减小了12%、球差减小了20%，整体上提升了电镜的分辨率。极限挑战二：不惧高难样品在SEM5000X产品设计中，增加了样品台减速模块，采用了高压隧道和样品台减速的组合，实现双减速技术，能够挑战极限样品拍摄场景。极限挑战三：适应复杂环境此外，我们自研了高精度的优中心样品台，采用了超稳定的机架，还额外设计了可屏蔽环境干扰的全包围式屏蔽系统，使SEM5000X能够轻松适应各种复杂环境。产品优势SEM5000X01超高分辨率成像，达到了突破性的0.6 nm@15 kV和1.0 nm@1 kV02样品台减速和高压隧道技术组合的双减速技术，挑战极限样品拍摄场景03高精度机械优中心样品台、超稳定性的机架减震设计，可搭配整体罩壳设计，极大减弱环境对极限分辨率的影响04最大支持8寸晶圆(最大直径208 mm)的快速换样仓，满足半导体和科研应用需求如果您需要一台更高性能，更高分辨率的电镜，那您一定不能错过超高分辨场发射扫描电子显微镜SEM5000X。应用案例展示介孔二氧化硅/1kV（Dul-Dec）/lnlens阳极氧化铝板/10 kV/Inlens芯片/5 kV/BSED-COM肾脏切片/5 kV/BSED-COMP泡沫镍/2 kV/ETD-SE蓝宝石衬底/5 kV/ETD-SE金颗粒/1 kV/Inlens光刻胶/2 kV/ETD-SE磁性粉末/10 kV/Inlens二氧化硅球/3 kV/ETD-SE催化剂/1 kV/ETD-SE波导/1 kV/ETD-SE

近日，记者从中科院化学所获悉，该所胶体、界面与化学热力学重点实验室李峻柏课题组利用其开发的“超高分辨率荧光显微镜”，观测到生物矿化过程中参与结晶的蛋白质分布信息。论文在《德国应用化学》上刊发。　　“超高分辨率荧光显微镜”可以超越远场光学显微镜的分辨率极限，直接检测到几十纳米的精细结构。而与能达到相同或更高分辨率的X光显微镜、各类电子显微镜及原子力显微镜相比，超高分辨荧光成像能在常温常压和基本不损伤生物样本活性的条件下，获得其纳米尺度的图像信息。　　研究人员介绍，“超高分辨率荧光显微镜”又称为随机光学重建显微镜(STORM)，可达到或好于50纳米分辨率。在前期研究中，李峻柏课题组在超高分辨图像采集和数据分析方面发展了实时单分子定位的程序包SNSMIL，该程序包可广泛应用于高背景成像的数据分析。　　他们利用STORM观测到方解石中生物矿化过程中参与结晶的蛋白质分布信息，为研究蛋白质诱导生物矿化的机理提供了数据。

p 　　CT、磁共振，几乎是苏州各大医院的“标配”医疗器械，凭借这些先进的设备，医生能够快速、准确地诊断患者的病症。 br/ br/ 　　不知道患者们在接受检查时，有没有留意过这些医疗器械上的LO-GO——如果他们留意，会发现这些医疗器械的LOGO几乎全是英文字母——目前中国医疗机构使用的绝大多数大型高档医疗器械，都依赖于进口，这些“洋机器”高昂的价格，在一定程度上增加了中国患者的经济负担。 br/ br/ 　　在苏州医工所，中国医疗器械市场“洋垄断”的尴尬局面正在被打破，他们自主研发的一些设备，已经达到并正在超越世界巨头的水平。医工所所长唐玉国梦想着：在未来的某一天，我国的老百姓去医院就医的时候，用上的都是苏州医工所自主研发和生产的医疗仪器，产品性能优于国外同行，价格还便宜很多。 br/ br/ 　　美国的“GPS”曾经垄断了中国的卫星导航市场，直到几年前中国自己的北斗卫星导航系统横空出世。 br/ br/ 　　而目前，另一个“GPS”在中国仍处于垄断地位——GE （通用电气）、PHILIPS（飞利浦）、SIEMENS（西门子）等外资巨头生产的CT类、磁共类、核医学类以及血管造影类等大型高精尖医疗器械，牢牢地占据着全国的医疗系统。 br/ br/ 　　在苏州科技城科灵路边上一个外观低调的灰色建筑群里，一个400多人的科技创新团队正铆足了劲，向以“GPS”为代表的国际医疗器械巨头发起挑战，这里就是中国科学院苏州生物医学工程技术研究所（简称“苏州医工所”），中科院旗下唯一以医疗仪器为主要研发方向的国立研究机构。 br/ br/ 　　“我们要耐得住寂寞，沉下心来踏踏实实地工作。我相信，在不久的将来，中国的医生将用中国人自己研发的医疗器械造福人民。”苏州医工所所长唐玉国说。 br/ br/ strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 尴尬：高端医疗器械遭遇“洋垄断” /span /strong br/ br/ 　　科技城医院，苏州最年轻的三甲医院，拥有各种高科技医疗设备。“我们在医疗设备上总共投资了2亿多元，”该院相关负责人介绍，但其中高端大型设备几乎全是进口的、贴着“GPS”的标签，“作为一名中国医生，我觉得有些悲哀。” br/ br/ 　　科技城医院只是全国医疗机构的一个缩影。 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 据统计，我国约80%的CT市场、90%的超声波仪器市场、85%的检验仪器市场、90%的磁共振设备、90%的心电图机市场、80%的中高档监视仪市场、90%的高档生理记录仪市场被外资企业垄断。 /span br/ br/ 　　2008年9月，时任中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光栅技术研究室主任、国家光栅制造与应用工程技术研究中心常务副主任的唐玉国，被委派到苏州参与筹建医工所，经过4年的努力，2012年11月26日，苏州医工所通过了验收，正式成为了中科院序列的研究所。 br/ br/ 　　苏州医工所定位于“面向生物医学的重大需求，开展先进生物医学仪器、试剂和生物材料等方面的基础性、战略性、前瞻性的研究工作，引领我国生物医学工程技术的发展，建成医疗仪器科技创新与成果转化平台”。 br/ br/ 　　完成了筹建工作后，唐玉国留在了苏州，担任医工所所长。 br/ br/ 　　“简而言之，苏州医工所的主要使命是破解中国医疗器械行业自主创新能力弱、高端医疗器械依赖进口的尴尬。我们要全力以赴培养自己的人才，研发自己的产品，从而打破国外巨头的技术垄断。”唐玉国说。 br/ br/ strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 曙光：“中国之光”撕开垄断“夜幕” /span /strong br/ br/ 　　苏州医工所的主要攻关方向是医用光学类器械、临床检验器械和康复类器械。 br/ br/ 　　“CT、磁共振被‘GPS’垄断，高端显微镜则被‘LZO’垄断——徕卡、蔡司、奥林巴斯。”唐玉国说，长期以来，我国高端显微光学仪器全部依赖进口，这已经成为制约我国前沿科学研究和科研仪器行业发展的“瓶颈”。 br/ br/ 　　“要挑战，就要挑战国际顶级权威。”唐玉国和他的团队直接瞄准了“LZO”，2010年，苏州医工所启动了超高分辨率显微镜的研制专项。 br/ br/ 　　研发高端显微镜最难的是镜头。唐玉国说，这种镜头的分辨率要达到纳米级（1纳米等于10亿分之一米），由10多块镜片组成，能够看清人的脑神经结构。 br/ br/ 唐玉国坚信“德国人、日本人能做到的，中国人也能做到，而且会做得更好”。“5+2”、“白+黑”，唐玉国和他的伙伴们拼命工作，他的头发在短短的几年中熬得花白了。 br/ br/ 　　两年多后，苏州医工所成功地研发出能够媲美“LZO”的超高分辨率镜头，“超高分辨率镜头和我们独到的电子学软件相结合，我们的超高分辨显微镜，在检测速度上比徕卡的同类产品快1-2倍，”唐玉国自豪地说。 br/ br/ 　　在超高分辨率显微镜的研发过程中，苏州医工所还收获了“副产品”——显微镜中有一个部件叫样品载物台，以前，国产的一个售价9万，奥林巴斯生产的一个售价几十万，但国产的质量远远不如奥林巴斯，于是，苏州医工所的科研人员“顺便”研发出了和奥林巴斯同级别的产品。 br/ br/ 　　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 如今，苏州医工所的共聚焦显微镜已经进入工程化；STED显微镜已经完成原理样机，实现超分辨成像，分辨率达到50纳米；完成了3套完整的双光子生物在体功能显微成像系统样机的研制和指标测试。这些项目使我国一举走到世界高端光学显微镜研制的前列。 /span br/ br/ 　　苏州医工所研发的超高分辨率显微镜系列产品，被命名为“中国之光”，这个名字有两重寓意：第一，它是中国人自己研发的；第二，它就像一束曙光，刺破了国外巨头垄断的“夜幕”。 br/ br/ 　　如今，“中国之光”已经进入国内的多家科研机构和医院，并出口到以色列、德国、美国。 br/ br/ span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 梦想：中国人用的医疗器械“苏州智造” /strong /span br/ br/ 　　超高分辨率显微镜的成功，只是苏州医工所打破国外巨头垄断的开端。 br/ br/ 　　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 2015年，苏州医工所又成功研发了拥有10多项国家发明专利和实用新型专利的流式细胞仪。 /span 流式细胞仪是一种综合了激光技术、计算机技术、流体力学、微弱信号处理技术、细胞化学和生物探针技术等众多领域先进技术和成果的高科技仪器，它可以对细胞的生物物理和生物化学性质（如大小、内部结构，DNA、RNA、蛋白质、抗原等）快速测量并可以分类收集，速度可以达到每秒10000个细胞的多参数高通量测量，被誉为“细胞CT”。 br/ br/ 　　当前的国内流式分析仪器市场主要由BD、beckman两大公司占有。 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 苏州医工所研制的流式细胞仪是我国第一款面向个性化普及应用的轻便型产品，目前已进入产业孵化阶段。 /span br/ br/ 　　苏州医工所还成功研发了目前世界上最小的超声探头，其体积和一粒米差不多，可以直接插进人体血管，这项成果，震惊了世界医疗器械巨头们。 br/ br/ 　　在“GPS”所垄断的领域，苏州医工所也有所突破，他们设计了全球首款坐式脑部磁共振仪，即将投入样品制造阶段；他们正在研发专用肺CT、手术机器人……苏州医工所的目标是，到2022年能够在一两个领域处于国际领先地位，10-20种产品投入实际使用。 br/ br/ 　　唐玉国有一个梦想：在未来的某一天，我国的老百姓去医院就医的时候，用上的都是苏州医工所自主研发和生产的医疗仪器，产品性能优于国外同行，价格还便宜很多。 br/ br/ span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 建言：创新“高峰”需要才与财做基础 /strong /span br/ br/ 　　作为省党代会的代表，去年11月，唐玉国和省委书记李强坐在一起，探讨创新话题，关于李强对苏州提出的“创新四问”，唐玉国有着自己的独特见解。 br/ br/ 　　“人才是创新的基础，没有人才，一切都是空谈。”苏州医工所筹建之初，唐玉国手下只有十几个刚刚毕业的研究生，在他的努力下，十几位“中科院百人计划”专家陆续从欧美来到了苏州医工所，苏州医工所还聘请了德国慕尼黑工业大学神经科学研究所所长和其团队来苏州工作。除了全职引进国外团队，还大胆尝试以“半入职”形式引进国外科技人才，在与一名剑桥大学的博士后谈合作时，唐玉国干脆要求他一年只需要三个月到苏州医工所工作，其他时间可以在英国。截至2016年5月底，苏州医工所拥有“千人计划”专家5人，“万人计划”专家1人，“百人计划”专家14人，江苏省双创人才14人，中科院“青年促进会会员”8人；研究员35人，副研究员50人；高访、客座25人；在学研究生141人。有了人才，苏州医工所在短短几年内发展突飞猛进，“江苏省医用光学重点实验室”、“中国科学院生物医学检验技术重点实验室”等省级和国家级的实验室纷纷建立。唐玉国认为，苏州目前创新人才集聚度不够，政府应该重视人才“造血”，下功夫培养本土创新人才。 br/ br/ 　　唐玉国认为，科技创新还必须要有坚实的资金后盾，政府应该在这方面舍得投入。他告诉记者，苏州医工所的重大创新成果，基本上是用钱“砸”出来的，仅超高分辨率显微镜一个项目，国家财政部就“砸”了2亿多。“苏州在科技创新方面‘有高原没高峰’，我觉得政府只要舍得‘砸钱’，是可以‘砸’出高峰来的。” /p

能源部TEAM 计划目标于直接观察0.5 埃尺度 [2004 年11 月29 日] FEI 公司(NASDAQ:FEIC)宣布，联合承担TEAM 计划的几家实验室，已选择FEI 公司作为建造世界上最高分辨率(扫描)透射电子显微镜的研发合作伙伴。TEAM 计划是由美国能源部基础能源科学司投资数千万美元资助的显微学项目。该项目将促成一台新型显微镜的诞生。这台能在前所未有的0.5 埃分辨率下直接观察和分析纳米结构的显微镜，必将创造卓越的新科学良机。0.5 埃大约是碳原子尺寸的三分之一，也是原子尺度研究的一个关键尺寸。 在此项独一无二的计划中，电子显微学领域颇有建树的五家主要实验室(阿贡国家实验室，Brookhaven 国家实验室，劳伦斯伯克力国家实验室，橡树岭国家实验室，Frederick Seitz 材料研究室)通力合作，并筛选出FEI 公司为研发伙伴。每家实验室分别在这项雄心勃勃的使命中担当不同的角色，以期实现(甚至在三维空间)直接观察原子尺度的有序度、电子结构、单体纳米结构的动态。提议中的电子显微镜，自成一小型材料科学实验室，可进行实时的分析和特征描述，以促进独特的多学科交叉研究。 像差矫正电子显微技术将是TEAM 显微镜的核心。为达到0.5 埃分辨率而需要的更密集、更明亮的电子束，也会导致更强的样品信息、更高的图像衬度、更灵敏的分析本领以及史无前例的空间分辨率。成功开发新型像差矫正器将展现最基本的原子世界景观。矫正器的设计和开发，将与CEOS 公司(FEI 公司在尖端矫正器技术上的协作单位)合作完成。 “TEAM 协作团体考察了FEI 公司，以及公司的发展规划和在尖端电子光学上的历史记录，得出结论该公司是促成这项热望中的计划成功的最佳伙伴。”TEAM 科学总监暨伯克力国家电镜中心主任Uli Dahmen 指出：“FEI 公司全新的矫正器专用平台，因为能满足像差矫正仪器严格的稳定性要求，是TEAM 显微镜的最可行的出发点。有FEI 公司作为合作伙伴，我们有信心实现TEAM 计划的挑战性目标。” “我们对被有威望和有国际声誉的TEAM 计划选中而感到自豪，” FEI 公司董事长、总裁兼执行总监Vahé Sarkissian 说：“这将给我们机会以提升我们的电子光学才能，保持在高分辨成像和分析领域的世界领先地位，保持纳米技术时代的重要设备厂商地位。FEI 公司承诺：通过与TEAM计划等的合作，与CEOS 公司的联系，我们将竭尽全力完成任务。” “我们十分自豪，TEAM 计划首肯了我们常规推广的、用于超高分辨率的300 千伏(扫描)透射专用矫正电镜。” FEI 公司(扫描)透射电镜事业部副总裁George Scholes 说。“几年来我们致力于开发具有前所未闻的可靠性和不可比拟的重复性的系统。在此过程中，我们认真听取了TEAM伙伴和其它(扫描)透射电镜科学泰斗的建议。”他补充道：“我们深感激动，将要出台的新矫正器专用平台就已被TEAM 选中。我们坚信，我们的努力将重建纳米尺度研究、发现、开发的准则。” 科研人员和工业界用户的最大收益之一，是新平台所提供的极为重要的变通性，以适应于今后的部件升级发展。将来FEI 公司和TEAM 计划所做的(扫描)透射电镜技术革新，能在这一系统上进行翻新改造。 “成功制做了200 千伏透射和扫描透射电镜的球差矫正器之后，我们很高兴被选中为TEAM计划300 千伏球差/色差矫正器的开发伙伴。” 位于德国海德堡的CEOS 公司的创办人之一Max Haider 博士说：“我们自信我们今天在FEI 公司超稳定平台上所做的工作，必将为科学家们提供新的装备，以迎接前沿开发和研究的挑战。” 关于FEI 公司： FEI 公司服务于纳米技术的装备，以聚焦离子束和电子束技术为特色，提供最高分辨率小于1 埃的3D 特征描述、分析及修改功能。公司在北美和欧洲拥有研究开发中心，在全球四十多个国家经营销售和提供维修服务。FEI 公司将纳米尺度呈献给研究人员和生产厂商，协助将本世纪一些最杰出的理念变成现实。更多的信息可在FEI 公司网页上找到：http://www.feicompany.com 关于TEAM 计划： 能源部电子束微特征描述中心提议，引导开发尖端像差矫正电子显微镜，提供必要的基础设施，使该设备能广泛地被科学界用户利用。五家在电子显微学卓有成绩的单位阿贡、Brookhaven、橡树岭、劳伦斯伯克力国家实验室、Frederick Seitz 材料研究室，将联手在国家电镜中心(运作于劳伦斯伯克力国家实验室)建造第一台TEAM电镜。更多信息，请访问： http://ncem.lbl.gov/team3.htm 和http://www.anl.gov/Media_Center/News/2004/MSD041112.html 关于CEOS公司： CEOS公司(Corrected Electron Optical Systems或矫正电子光学系统)是带电粒子透镜像差矫正器的代表。由M. Haider博士和J. Zach博士八年前在德国海德堡成立的公司，专门从事高尖端电子光学部件的研究和开发。更多信息见： http://www.ceos-gmbh.de 此新闻发布具有瞻前性的陈述，对预期产品的论述。影响到这些超前性陈述的可能因素包括(并不局限于项目的改变和取消)：FEI 公司、供应商或项目伙伴在实现项目预期计划上的技术能力局限性；执行中产生的延迟因素或与预期结果相异的结论；意料之外的技术需求；主要供应商或项目伙伴破产。欲了解这些或其它有可能造成与预期目标不符的因素，请参阅10-K 和10-Q 表格，以及美国证券交易委员会的文件。FEI 公司将不予进一步陈述。 中文版译注： 1. TEAM为Transmission Electron Aberration-corrected Microscope 的字头缩写，意为透射电子像差矫正显微镜。 2. (扫描)透射电子显微镜的英文原文是scanning/transmission electron microscope 或(S)TEM，意为带有或不带有扫描透射功能的透射电子显微镜。 3. 任何中文版疑义，以英文版为准。

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 数码显微镜是在传统显微镜上增加了数字图像传感器CCD或CMOS的显微镜，与计算机、图像处理、自动化、互联网等技术相结合，可衍生出多种产品和应用，如自动显微镜、数码互动显微镜、数字切片扫描仪等，能给用户带来极大的便利，在教学、医疗、科研等领域得到广泛的应用。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 作为传感器，人眼和数字图像传感器CCD/CMOS主要有两方面的不同：一是数字图像传感器是由很多离散的感光器件组成，用其作为传感器接收显微图像，实际上是一个数字化过程（也称为空间采样）需要满足采样定理即奈奎斯特定理，这样图像才能准确重建；二是数字图像传感器的响应波长与人眼不一样，所以会受光源光谱特性的影响。本文从空间采样率和光源这两方面来分析对数码显微图像分辨率的影响。 br/ /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 空间采样率对数码显微图像分辨率的影响 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 奈奎斯特采样定理是指将模拟信号转化为数字信号时，要求采样频率f sub s /sub 要大于模拟信号中最高频率f sub max /sub 的2倍,即f sub s /sub ＞f sub max /sub 才可以通过采样之后的数字信号准确地重建出模拟信号。对于显微图像的数字化，其最高频率就是由物镜的极限分辨率决定的，采样频率也称为空间采样率，一般实际应用时要求空间采样率为物镜的极限分辨率的2.8倍左右。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 显微镜的极限分辨率r是由物镜的数值孔径NA和波长λ决定的，满足式① span style=" text-align: center " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp /span img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/afecb7f6-313d-4fe3-a7d7-3a936fe605d8.jpg" title=" 1.png" alt=" 1.png" style=" text-align: center max-width: 100% max-height: 100% " / /p p 因此波长越短，显微镜的极限分辨率越高。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 空间采样率s的计算式②为 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/6bfc528d-423f-46a1-8292-e3823f507b7c.jpg" title=" 2.png" alt=" 2.png" / /p p 式中p为数字图像传感器像素的边长；β1为显微物镜的放大倍率；β2为摄像镜头的放大倍率。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 因此改变摄像镜头的放大倍率，可以改变空间采样率。选用一组不同放大倍率的摄像镜头实现不同的空间采样率，以研究空间采样率对数码图像分辨率的影响。具体实验条件如下： /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 显微镜：BA310显微镜。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 光源：白光LED和卤素灯（可互换），带有550/20nm的干涉滤色片。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 显微物镜：根据式①，其极限分辨率为0.45μm。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 摄像头：CM3-U3-50S5M黑白摄像头，像素边长为3.45μm。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 观察标本：采用USAF1951鉴别率板（如图1）所示，40× /0.75显微物镜可观察的极限线对数为2048（11-1组）。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 350px height: 350px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/900c84e7-0400-490e-9b1e-df00bd23a1ba.jpg" title=" 3.png" alt=" 3.png" width=" 350" height=" 350" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" font-size: 14px " strong 图1 USAF1951鉴别率板 /strong /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 摄像镜头倍率：0.35× 、0.5× 、1× 分别对应三种不同的采样率，采集的图像如图2所示，结果如表1所示。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 128px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/10ab04e3-b4cb-4324-9054-967b80dfda29.jpg" title=" 4.png" alt=" 4.png" width=" 450" height=" 128" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" font-size: 14px " strong 图2 不同摄像镜头下的数码显微图像 /strong /span br/ /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" font-size: 14px " strong 表1 不同摄像镜头下的数码显微图像分辨率 /strong /span br/ /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/73950d5f-a61d-41aa-a1f6-1430b39f3040.jpg" title=" 5.png" alt=" 5.png" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 由此可见，在没有满足采样定理的情况下即欠采样，数码显微图像分辨率会降低；在过采样的情况下，并不会带来数码显微图像分辨率的提升。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" text-indent: 2em " 光源对数码显微图像分辨率的影响 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 式①提及的波长λ是最终被传感器接收的波长，此波长与传感器响应曲线和光源光谱特性有关。作为传感器，人眼的响应波长为400~700nm，即通常说的可见光，如图3所示。而对于数字图像传感器CCD/CMOS，其响应波长更宽，包括人眼不敏感的紫外和近红外部分，其中近红外的波长更长，如图4所示，这会导致显微镜分辨率的下降。因此当光源的光谱包含有人眼不敏感的近红外光谱或者紫外光谱时，在使用数字图像传感器时就会有影响。显微镜中常用的光源有白光LED和卤素灯，其中白光LED的光谱是450~700nm，如图5所示，与人眼的响应曲线比较接近，而卤素灯的光谱为400~2500nm如图6所示，包括了更长波长的红外部分。在分别使用卤素灯和白光LED时，由图像传感器得到的结果是有区别的，如图7所示。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " & nbsp img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 350px height: 241px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/63e10ec6-6db0-4cb4-b480-df43cecc4f65.jpg" title=" 6.png" alt=" 6.png" width=" 350" height=" 241" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" font-size: 14px " strong 图3 人眼的响应曲线 /strong /span br/ /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" font-size: 14px " strong img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 400px height: 221px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/4d151923-4162-4ff6-bed0-c4d379380b4b.jpg" title=" 7.png" alt=" 7.png" width=" 400" height=" 221" border=" 0" vspace=" 0" / /strong /span /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" font-size: 14px " strong 图4 相机的响应曲线 br/ /strong /span /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" font-size: 14px " strong img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 350px height: 278px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/263ba96b-37c6-4d8e-97a9-d1bf32f59d6c.jpg" title=" 8.png" alt=" 8.png" width=" 350" height=" 278" border=" 0" vspace=" 0" / /strong /span /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" font-size: 14px " strong 图5 LED光谱曲线& nbsp /strong /span /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" font-size: 14px " strong img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 350px height: 263px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/90d67a50-f6b4-43da-bac1-93120d97ba89.jpg" title=" 9.png" alt=" 9.png" width=" 350" height=" 263" border=" 0" vspace=" 0" / /strong /span /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" font-size: 14px " strong 图6 卤素灯光谱曲线 br/ /strong /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 表2为不同光源下的数码显微图像分辨率，可以发现，人眼在不同光源下观察到的极限线对是一样的，都是2048线对，而对于数码显微图像，采用卤素灯时，观察到的分辨率会有所下降。主要原因在于卤素灯有红外光谱，人眼直接观察时会将红外部分滤掉，所以效果与LED相当，而数字图像传感器可以响应卤素灯的红外波长，所以分辨率会下降。解决办法就是数字传感器前放置一个红外滤色片（俗称IR-cut），将卤素灯的红外部分滤除，得到接近于人眼的响应曲线，这样就与目视观察结果一致。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 215px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/af939b79-1302-4765-828c-3e42b08ace0c.jpg" title=" 11.png" alt=" 11.png" width=" 450" height=" 215" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" font-size: 14px " strong 图7 卤素灯和LED时的数码显微图像 /strong /span /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" font-size: 14px " strong 表2 不同光源下人眼观察与数码显微图像分辨率的比较 br/ /strong /span /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" font-size: 14px " strong img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/c1631144-1358-4af5-b3e3-51da6e4b4c82.jpg" title=" 捕获.PNG" alt=" 捕获.PNG" / /strong /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 因此在使用数码显微镜时，应严格遵从采样定理，并深入研究数码显微镜各个关键部件，这样才能选择合适的摄像镜头、光源、滤色片等，才能满足采样定理，准确重建出数字图像，达到最佳的观察效果。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" color: rgb(127, 127, 127) " i span style=" font-size: 14px " 本文摘自：陈木旺. 浅析数码显微镜分辨率的影响因素[J]. 光学仪器, 2017, 40(3). /span /i /span /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " a href=" https://www.instrument.com.cn/webinar/meeting_13067.html?hmsr=zixuan& hmpl=ling& hmcu=& hmkw=& hmci=" target=" _self" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/8e3999fc-35db-4591-8d2d-1da82b8fafb0.jpg" title=" 10.png" alt=" 10.png" style=" text-indent: 2em text-align: center max-width: 100% max-height: 100% " / /a /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 讲座： /strong 《四合一数码显微镜，多种难题一机解决！》 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 时间： /strong 2020年4月22日 10:00 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 主讲人： /strong 夏天齐Draven，基恩士公司显微/3D测量系统部门，显微镜技术负责人，负责数码显微镜的技术支持工作。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 内容： /strong 很多用户在使用光学/金相/测量显微镜时，经常会遇到景深小、倍率低、需要另外准备光源、不能直接拍摄图片等困难，而一台数码显微镜可以轻松解决以上问题。此次讲座旨在让更多客户了解到数码显微镜能解决的常规问题（讲座中有实机演示）；作为技术储备，认识到该产品的一些功能和应用场景等；搭建交流平台，与行业内人士互动等。 /p p style=" text-align: left text-indent: 2em " a href=" https://www.instrument.com.cn/webinar/meeting_13067.html?hmsr=zixuan& hmpl=ling& hmcu=& hmkw=& hmci=" target=" _self" strong style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 免费报名参会：点击即可链接到报名官网 /span /strong /a /p

美国劳伦斯伯克力国家实验室的科学家们开发了首个真彩(true-color)超高分辨率显微成像技术，为研究细胞结构和相关疾病提供了一个强大的工具。该技术将光谱与超高分辨率显微技术结合起来，在单分子成像时可以达到空前的光谱和空间分辨率。这一突破性成果发表在八月十七日的Nature Methods杂志上。　　“我们用这一技术检测每个分子在空间和光谱中的定位，根据其光谱判断分子的颜色，可以说这是首个真彩超高分辨率显微镜，”助理教授Ke Xu说，他将这一技术命名为SR-STORM(spectrally resolved stochastic optical reconstruction microscopy)。　　SR-STORM能够给出每个分子的光谱和空间信息，为人们打开了一扇新的大门。该技术不仅能够在细胞中成像多个组分，还能检测局部的化学环境(比如pH变化)。更重要的是，SR-STORM是一种高通量技术，能在大约五分钟内获得大量单分子的空间和光谱信息。　　SR-STORM是Xu博士基于自己之前的工作开发出来的，当时他在著名学者庄小威(Xiaowei Zhuang)实验室从事博士后研究。庄小威教授研发的超高分辨率成像技术STORM与诺奖得主Eric Betzig的成果不相伯仲，却和2014年的诺贝尔化学擦肩而过。　　现有的超高分辨率显微技术不能给出光谱信息，这样的信息对于理解分子行为是很有帮助的，而且能够对多个靶标实现高质量的多色成像。Xu博士和同事们经过深入探索，终于解决了这一难题。他们用发射波长相近的14种染料对样本进行染色。尽管这些染料的光谱彼此重叠，但SR-STORM能够很好的将其区分开。研究人员还用四种染料对线粒体、微管等四个不同的亚细胞结构进行标记。研究显示，SR-STORM能够根据分子的光谱轻松分辨不同的颜色，每个亚细胞结构都能鲜明的呈现出来。　　“我们以大约10nm的高分辨率，成像了细胞内四个生物学组分的空间互作，”Xu说。“目前这一技术主要用于基础研究和细胞生物学领域，我们希望日后也能将其用于医疗。研究者们可以在SR-STORM的帮助下观察细胞结构的建立，以及它们在疾病中发生的变化。”　　“细胞骨架包括一系列相互作用的亚细胞结构和蛋白，这一技术可以通过空前的颜色通道和空间分辨率，揭示不同靶标之间的互作。”　　Xu博士正在尝试进一步改良这一技术，使它能够用于常规显微系统。他也在开发合适的染料和探针，在纳米尺度上监控细胞内局部环境的变化，比如pH值。　　原文链接：Ultrahigh-throughput single-molecule spectroscopy and spectrally resolved super-resolution microscopy

2014年的诺贝尔化学奖授予了三位率先突破光学极限的科学家。现在，200nm已经不再是光学显微镜所能达到的极限，人们对细胞的认识从未像现在这么清晰。 　　纳米显微技术常能获得异常美丽的图像，说它们是艺术品也不为过。《自然》杂志近日挑选了一些这样的图像以飨读者。 　　诺贝尔奖得主Eric Betzig(霍华德· 休斯医学研究院 HHMI)获得这张图像，是为了理解大肠杆菌如何组织膜中的三个受体蛋白。亮光来自于研究人员标记在目的蛋白上的荧光分子。Betzig与斯坦福大学的William Moerner开发了光激活定位显微技术PALM，这一技术在这里揭示了蛋白的细胞定位。 　　这张图片的左半部分是PALM的三维成像，显示了黑腹果蝇细胞中的微管。红色、蓝色到紫色，这些颜色代表着微管的不同深度，展示了Z轴方向共500nm的微管三维结构。右半部分是同一个细胞的普通显微镜成像。 　　这是一个人类脑瘤样本，在共聚焦显微镜下显得很模糊(左)，用STED技术(受激发射损耗)成像就清楚多了(右)。这一技术的发明者是诺贝尔奖获得者Stefan Hell(Max Planck生物物理化学研究所)。 　　在诺贝尔奖获得者的工作之后，其他研究者也发明了工作原理类似的纳米显微镜。哈佛大学的庄小威(Xiaowei Zhuang)用自己开发的随机光学重建显微技术STORM，展示了细长的神经纤维(轴突)如何每隔180nm就被肌动蛋白的环加固。 　　这里显示的是一个细胞中的线粒体。图像的左边是传统显微镜获得的图像，中间是超高分辨率技术STORM的三维成像，右边是STORM的层切面图像。 　　结构照明显微技术SIM是第四个问世的超高分辨率技术，这一技术通过特殊的照明模式(栅格移动)产生干涉图案(摩尔纹现象)，这些干涉图案包含了样本的结构信息。这是一张人骨癌细胞的三维SIM图像，肌动蛋白呈紫色，DNA呈蓝色，线粒体呈黄色。 　　SIM技术生成了许多漂亮的细胞图像。这是一个癌细胞，红色的是肌动蛋白，蓝色的是微管，绿色的是转铁蛋白受体(负责将铁带入细胞)。 　　原文检索： 　　Richard Van Noorden. Through the nanoscope: A Nobel Prize gallery. Nature, 14 October 2014 doi:10.1038/nature.2014.16129