超分辨荧光显微镜

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。

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。

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。

项目概况中国科学院天津工业生物技术研究所四通道全内反射超分辨荧光显微镜采购项目 招标项目的潜在投标人应在www.o-science.com；北京市海淀区西三环北路甲2号院科技园6号楼13层01室获取招标文件，并于2022年06月09日 13点30分（北京时间）前递交投标文件。一、项目基本情况项目编号：OITC-G220271157项目名称：中国科学院天津工业生物技术研究所四通道全内反射超分辨荧光显微镜采购项目预算金额：350.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：350.0000000 万元（人民币）采购需求：1、采购项目的名称、数量：包号货物名称数量（套/台)是否允许采购进口产品1四通道全内反射超分辨荧光显微镜1是2、投标人可对其中一个包或多个包进行投标，须以包为单位对包中全部内容进行投标，不得拆分，评标、授标以包为单位。合同履行期限：详见采购需求本项目( 不接受 )联合体投标。二、申请人的资格要求：1.满足《中华人民共和国政府采购法》第二十二条规定；2.落实政府采购政策需满足的资格要求：本项目不属于专门面向中小企业单位采购的项目。3.本项目的特定资格要求：（1）在中华人民共和国境内依法注册的，具有独立承担民事责任能力，遵守国家法律法规，具有良好信誉，具有履行合同能力和良好的履行合同的记录，具有良好资金、财务状况的法人实体；（2）为本项目提供整体设计、规范编制或者项目管理、监理、检测等服务的供应商，不得参加本项目投标；（3）投标单位负责人为同一人或者存在直接控股、管理关系的不同供应商，不得参加同一合同项下的政府采购活动；（4）按本投标邀请的规定获取招标文件；（5）投标人不得为列入失信被执行人、重大税收违法案件当事人名单、政府采购严重违法失信行为记录名单的供应商。三、获取招标文件时间：2022年05月19日 至 2022年05月26日，每天上午9:00至11:00，下午13:00至17:00。（北京时间，法定节假日除外）地点：www.o-science.com；北京市海淀区西三环北路甲2号院科技园6号楼13层01室方式：登录东方在线www.o-science.com注册并购买。售价：￥600.0 元，本公告包含的招标文件售价总和四、提交投标文件截止时间、开标时间和地点提交投标文件截止时间：2022年06月09日 13点30分（北京时间）开标时间：2022年06月09日 13点30分（北京时间）地点：北京市海淀区西三环北路甲2号院科技园6号楼13层第一会议室五、公告期限自本公告发布之日起5个工作日。六、其他补充事宜1、招标文件采用网上电子发售购买方式：1）有兴趣的投标人可登陆“东方在线”（http://www.o-science.com 招标在线频道），完成投标人注册手续（免费），已注册的投标人无需重新注册。招标文件售价：每包人民币600 元，售后不退。如决定购买招标文件，请完成标书款缴费及标书下载手续。2）投标人可以电汇的形式支付标书款（应以公司名义汇款至下述指定账号）。开户名称：东方国际招标有限责任公司开户行：招商银行北京西三环支行账 号：8620816577100013）投标人应在“东方在线”上填写开票信息。在投标人足额缴纳标书款后，标书款电子发票将发送至投标人在“东方在线”上登记的电子邮箱，投标人自行下载打印。2、以电汇方式购买招标文件的，须在电汇凭据附言栏中写明招标编号（如未标明招标编号，有可能导致投标无效）。3、投标文件的递交：考虑疫情因素，本项目将采用网络平台云会议室线上开标的方式进行。投标人应采用邮寄方式递交投标文件。投标人应充分预留投标文件邮寄、送达所需要的时间，建议选择邮寄运送时间有保障的快递公司寄送投标文件，并确保在递交截止时间前送达，逾期送达或不符合规定的投标文件恕不接受。投标文件邮寄地址：北京市海淀区西三环北路甲2号院北京理工大学西门国防科技园6号楼13层1301室；收件人：王琪；联系方式：010-68290523；4、为保证投标人代表顺利在线观看开标过程，请提前下载“腾讯会议”APP并完成注册（手机或电脑均可安装），并在投标文件密封信封上标明投标人代表的电子邮箱，以获取开标会议账号及密码。5、采购项目需要落实的政府采购政策：（1）政府采购促进中小企业发展（2）政府采购支持监狱企业发展（3）政府采购促进残疾人就业（4）政府采购鼓励采购节能环保产品七、对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名 称：中国科学院天津工业生物技术研究所　　　　　地址：天津空港经济区西七道32号　　　　　　　　联系方式：陈老师 022-84861979　　　　　　2.采购代理机构信息名 称：东方国际招标有限责任公司　　　　　　　　　　　　地　址：北京市海淀区西三环北路甲2号院科技园6号楼13层01室　　　　　　　　　　　　联系方式：窦志超、王琪010-68290502/0523　　　　　　　　　　　　3.项目联系方式项目联系人：窦志超、王琪电　话：　　010-68290502/0523

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]. 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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。

项目编号：0773-2241SHHW0153项目名称：华东师范大学时间分辨荧光显微镜项目预算金额：220.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：220.0000000 万元（人民币）采购需求：设备名称：时间分辨荧光显微镜；数量及单位：1套；简要技术参数：3.2、像元：1×1—4096×4096；3.3、镀银高反射率的xy光学振镜扫描系统；★3.3.1、扫描频率0～5KHz，最短单点停留时间0.5µs, 最长单点停留时间无限；其余内容详见本项目招标文件。合同履行期限：自合同签订之日起120天内；本项目( 不接受 )联合体投标。

p style="text-align: justify text-indent: 2em "中国科学院上海高等研究院宏观量子中心研究员王中阳课题组和中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学实验室研究员韩申生课题组合作，首次提出利用鬼成像方法加快超分辨率荧光光学显微镜的成像速度。新方法有望捕获细胞内以亚毫秒速度发生的生物过程。相关研究成果以Single-frame wide-field nanoscopy based on ghost imaging via sparsity constraints 为题发表在美国光学学会刊物OPTICA上（DOI: 10.1364 / OPTICA.6.001515），并被美国光学学会（The Optical Society, OSA）作为高影响研究工作在发表的同时同步向媒体进行宣传推广。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "超分辨光学显微技术通过克服光的衍射极限来实现纳米级的分辨率。尽管传统超分辨显微镜可以定位细胞内单个分子，并构建超分辨图像，但在活细胞中却很难使用，因为重建图像需要成百上千帧——这个过程太慢，无法捕捉快速变化的动力学过程。为了解决这个问题，该研究团队将随机相位调制器加入到荧光显微镜中实现荧光信号的编码，并结合鬼成像技术与随机测量压缩感知方法，大幅度提高图像信息获取效率，数量级地减少重构超分辨图像所需的采样帧数。研究结果表明，在高标记密度下只需要通过单帧荧光图像的采样就可实现80nm分辨率的超分辨光学成像。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "此外，研究的新方法还与2014年诺贝尔奖三大超分辨率技术之一的随机光学重建显微镜(STORM)相结合，将STORM的采样帧数减少了一个数量级以上。研究结果显示成像一个60nm的环，该方法只用10帧图像就可以重构图像，而传统的STORM方法需要多达4000帧图像才能达到同样的效果。该方法还实现用100帧图像分辨40nm标尺。并且研究的超分辨成像显微镜不需要高的照明强度，这有助于减少光漂白和光毒性，有利于长时间的动态生物过程和活细胞成像研究。因此这项创新技术有望在生物、医学等超分辨显微成像研究领域得到广泛的应用。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "文章的第一作者是上海高研院博士研究生李文文。该工作受到国家重点研发计划（“数字诊疗装备研发”专项）的资助。 /pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 516px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/bdc8a826-986f-499a-b428-d54bb5a2570c.jpg" title="显微镜装置示意图与重构结果.jpg" alt="显微镜装置示意图与重构结果.jpg" width="600" height="516" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "图：显微镜装置示意图与重构结果/p

近, 法国abbelight公司研发的模块化多功能单分子定位显微 (SMLM)系统凭借其有的DAISY等技术在3D超分辨成像领域取得重大突破，在学术界引起了广泛的关注。该系统次实现在三维空间上的15 nm超3D定位；且因为模块化设计具有高兼容，仅需使用一个c-mount接口即可将客户的倒置荧光显微镜升成超分辨显微镜，是佳的超分辨搭建方案。 轴向延伸 定位Abbeligh公司系列超分辨模块采用了先进且特的双通路DAISY技术能够将以往定位不佳的Z轴精度提高到15 nm，真正实现三维空间上的15 nm超3D定位。同时此技术巧妙地结合DONALD和SAF技术的优势，有效解决采集过程中的热漂移和多色成像中不同波长激光位置不同等问题，大幅度提高了长时间和多色成像的度，并且还可实现多4色的同时3D成像。超大视野 图像采集在光路方面，SAFe light 能够实现在较低激光能量下对大视野图像的均匀照射。这使得abbelight能够在不增加采集时间的前提下，一次性采集200 × 200 μm2 范围内的图像，并且能够保证图像照射光的整体均一性。灵活兼容 轻松升abbelight具有高度兼容性，仅需使用一个c-mount接口即可将您的倒置荧光显微镜升成超分辨显微镜，并且基本不会破坏显微镜的原有功能，节约您的预算与空间。（除了模块外，abbelight也提供完整的超分辨系统）先进软件 功能强大abbelight 同时还是一台十分简便易用的设备，该设备的NEO软件简单、直观、优化良好，可提供全面的参数控制命令、实时3D漂移校正、实时3D重构图像、高速3D定位图像处理、空间分析和测量、分辨率计算等功能。初次应用 轻松上手对于超分辨中的光漂问题，abbelight的商业化成像液能够有效的降低成像过程中的光漂作用。对于初学者来说，abbelight 还提供全面的技术支持，帮助您快速的建立自己的超分辨观测方法，打开超分辨大门，助力科之路。【新发表文章】[1]. Belkahla, Hanen, et al. "Carbon dots, a powerful non-toxic support for bioimaging by fluorescence nanoscopy and eradication of bacteria by photothermia." Nanoscale Advances (2019).[2]. Jimenez, Angélique, Karoline Friedl, and Christophe Leterrier. "About samples, giving examples: Optimized Single Molecule Localization Microscopy." bioRxiv (2019): 568295.[3]. Cabriel, Clément, et al. "Combining 3D single molecule localization strategies for reproducible bioimaging." Nature communications 10.1 (2019): 1980.[4]. Capmany, Anahi, et al. "MYO1C stabilizes actin and facilitates the arrival of transport carriers at the Golgi complex." J Cell Sci 132.8 (2019): jcs225029.

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。

生命科学是从微观层面观察和研究生命过程，从而揭示生命的物质基础和基本现象。显微成像是观察微小物体的重要手段，但其分辨能力受光学成像系统的限制（即衍射极限），无法满足现代生命科学研究要求的更高解析度、更准确的成像需求。熵智科技作为中国原创3D视觉创业公司第一梯队，横跨机器视觉与微纳光学两大领域，深刻认识到微纳光学在生命科学研究领域中的巨大价值。9月23日，熵智科技在西安发布自研的超分辨及共聚焦显微成像分析系统。该系统易用、性价比高，相较于国内外显微成像产品，不仅突破了光学成像系统的限制，轻松实现纳米尺度的2D/3D动态图像解析能力，还将共聚焦+超分辨+后处理分析完美融合，软件结合场景模块化。无论新手用户还是专家用户，只需通过一套界面即可获取一流的超高分辨率图像及分析结果。熵智科技超分辨及共聚焦显微成像分析系统工作原理超分辨显微成像分析系统采用结构光照明显微成像术（英文Structured Illumination Microscopy, 简称SIM），突破传统显微镜的阿贝衍射极限，实现生物组织、细胞、神经元等活动样本的快速超分辨率成像，为生命科学、生物工程等领域提供创新的超分辨率成像技术产品，几乎可集成于任何荧光显微镜。共聚焦显微成像分析系统的软硬件均采用模块化设计，硬件集成SIM超分辨模块、软件支持多种后处理功能，从而提供精确的2D/3D成像，以及动态过程的成像。目前，共聚焦和超分辨光路共用了光源准直部分、物镜部分、聚焦成像部分。主要功能超分辨及共聚焦显微成像分析系统视野超10倍扩展，达1mm，拥有精确的多微细胞结构生物显微影像分析功能，实现双光路同时，宽场、共聚焦、超分辨三种模式自由切换。大视野拼图：多种不同的图像获取方式、可实现500um*500um视场上图片进行拼接。图像增强及处理：可对采集到荧光图像进行增益调节、对比度调节、亮度调节以及色阶调节。反卷积处理：在原有采集到图像基础上，对图像数据做实时清晰度优化，达到消除背景噪声，有用信息表达更精准的作用，处理速度10ms以下，速度快；可进一步结合DNN方法，提高应用场景的鲁棒性。特征统计分析：对于识别出的细胞，对其强度、直径、周长等15个属性做数值量化。特征标记分类：可对细胞的特征进行标记和分类。单细胞定量分析：可以准确分割出相互重叠的细胞，精度更高，在专业单细胞识别的基础上，结合深度学习AI算法，可以精确识别互相挤压重叠的细胞核，而且对于细胞轮廓边界识别更加准确。亚细胞结构分析：可以定位某种蛋白或者某个基因表达产物在细胞的具体存在部位，如细胞核，胞浆内，结合AI图像分析方法，以表格和数据统计输出结果。细胞亚群圈选分析：筛选特定的感兴趣细胞亚群，进行了10余种参数分析。特殊细胞/结构识别：提供特殊细胞如脂肪细胞的识别和数量统计。多重荧光染色：实现细胞核、细胞质、细胞膜的各种形态和染色，精确寻找目的细胞及其结构。细胞寻找及跟踪：实现特定细胞的动态识别和跟踪。核心参数激光共聚焦超分辨显微参数配置普通光纤激光器激光405nm、488nm、561nm、640nm扩展HC-PCF激光器920nm探测器 PMT3个；波长：400-750nm，GaAsP最大拍摄速度8fps@512×512像素；2fps@1024×1024像素；4096×4096最高；更多可配置；扫描方式X-Y, X-Y-Z, X-Y-T分辨率250nm in x, y and 550nm in z 共聚焦120 nm in x, y and 320nm in z (488nm wavelength) 超分辨共焦视场Φ18mm-Φ25mm 内接正方形成像深度100μm灵敏度提升4倍相对信噪比 SNR优良级 50dB显微镜电动显微镜奥林巴斯 倒置IX73显微镜，具备明场、微分干涉、荧光等观察方式物镜奥林巴斯或Mitutoyo平场复消色差物镜（防腐蚀陶瓷表面以及红外色差矫正）选型载物台奥林巴斯 电动IX3-SSU 扫描精度优于0.7μm光学放大1.0X；1.5X；3.2X；20X 适配/转换器共聚焦/超分辨率光路切换（电动）、6位电动物镜转换器荧光装置配荧光光阑*相机（lattice）SCMOS，分辨率2048×2048，100fps@全幅面，位深12bit工作站Windows10 Pro 64 bit；硬盘≥1TB；内存16GB软件控制软件：图像采集及2D/3D/4D处理；共聚焦和超分辨配置；*成像分析：细胞自动识别、单细胞定量分析、亚细胞结构分析、细胞亚群圈选分析等防震台频率范围（5～30Hz）：≤30μm/s均方根；频率范围（＞30Hz）： ≤60μm/s均方根增配双光子成像激光生成组件、高速扫描头、前置补偿单元应用场景超分辨及共聚焦显微成像分析系统可应用于基础生物学、临床医学、病毒学、精准药物筛选等领域，为活细胞超分辨率智能成像提供解决方案。基础生物学：皮肤病例研究、类器官培养观察、微生物形态研究、胚胎发育成像、组织结构三维重构。如通过斑马鱼胚胎发育过程的成像，研究血管疾病和血管药物的新兴模型，从而更好解决人类血管疾病；通过光学切片, 确定其复杂的内部结构与组织功能之间的关系。临床医学：细胞形态结构鉴定、病理显微成像、异常细胞跟踪检测、组织形态学观察。利用计算机进行图像处理, 不仅可观察固定的细胞、组织切片, 还可对活细胞的结构、分子等进行实时动态观察和检测。通过它可以直接观测细胞形态学的组织、细胞之间的相互作用、组织微环境、伤口的愈合等成像，有助于了解病理机制，以开发疾病治疗方法从而促进人体健康有重要的意义。病毒学：植物病毒研究、动物病毒研究、医学病毒研究、环境病毒研究、噬菌体研究。采用超分辨技术，可以实现病毒感染细胞及复制、组装、释放等动态过程的研究。药物筛选：药材显微鉴别、载药微粒结构、药物扩散跟踪、制药成型和释药研究、药理药效研究。通过药物筛选确定干预的潜在治疗方法，加速早期药物的研发和确定疾病的模型。利用显微镜观察植（动）物药材内部的细胞、 组织构造，从而达到鉴定药材的目的。选择合适的药物靶分子，针对高分辨率成像的固定样品及活细胞进行分析，从而满足不同实验的需求。关于熵智科技熵智科技是国家级高新技术企业，拥有底层成像系统和算法开发能力，软硬件一体化，致力于通过高性能的成像技术解决机器人柔性化、微纳级检测与测量等问题。熵智科技自2018年成立至今，先后获得字节跳动、拓金资本、松禾资本、远望资本、华控资本等投资。深圳、武汉、西安三地联合办公，目前研发和工程团队70余人，核心技术人员均硕士及以上学历，博士6人。未来，熵智科技将继续深耕微纳光学领域，以更优的产品与服务回馈广大合作伙伴及客户。

2014年7月28日，布鲁克宣布已经收购了Vutara公司，Vutara是一家提供应用于生命科学领域的高速、三维(3D)、超分辨率的荧光显微镜产品技术的公司。交易的细节尚未公布。2014 年Vutaras收入预计约为200万美元。　　通过在现有的多光子、快速、多点扫描共焦荧光显微镜和高性能的原子力显微镜产品线中增加超分辨率和单分子定位(SML) 显微镜产品，进一步加强了布鲁克生物显微镜业务。　　&ldquo 超分辨率显微技术正逐渐成为客户的重要需求之一，而将Vutara的高速、三维(3D)、超分辨率荧光显微镜系统与我们的多光子多点扫描光学显微镜技术整合为科研领域带来了巨大好处，&rdquo 布鲁克MAT集团总裁Mark R. Munch博士说。&ldquo 在保证易用性的同时，实现了视频速率的时间分辨率、更高的空间分辨率，对于这个快速增长的领域来说是一个相当大的刺激，而这正是vutara给布鲁克客户带来的专有技术。&rdquo 　　&ldquo 布鲁克在生命科学研究领域的突出表现将进一步促进我们超高分辨率显微镜的应用，&rdquo Vutara的CEO Stan Kanarowski说到，&ldquo 此外，和布鲁克的结合将促进细胞和神经生物学研究产品的创新发展。&rdquo （编译：刘丰秋）

p　　在国家自然科学基金项目等资助下，中国科学院生物物理研究所徐涛院士和纪伟教授级高级工程师在提高光学显微镜分辨率技术领域取得重要进展。相关成果以“Molecular Resolution Imaging by Repetitive Optical Selective Exposure”( 基于重复光学选择曝光的分子分辨率成像技术)为题，于2019年9月9日在Nature Methods(《自然方法学》)杂志在线发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41592-019-0544-2。/pp　　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。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　　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。后续的细胞实验结果显示，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，该工作使得超高分辨光学显微镜家族再添新成员，光学显微镜分辨率被进一步突破，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"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/a05a7f71-279c-47d6-855f-34acf83f1e5f.jpg" title="tpxw2019-09-19-01.jpg" alt="tpxw2019-09-19-01.jpg"//pp style="text-align: center "strong图. ROSE干涉定位与传统质心定位的原理示意，以及用于DNA origami和细胞微丝成像效果比较/strong/p

成果名称超小型在体荧光显微镜系统的研制单位名称北京大学联系人马靖联系邮箱mj@labpku.com成果成熟度□研发阶段 &radic 原理样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产成果简介： 荧光显微镜技术是生物学和医学的重要研究手段，随着生物技术中荧光分子标记物的大量涌现，荧光显微镜技术在观察细胞活动方面日益显现出重要的作用。然而，传统意义上荧光显微镜是一种大尺寸和高费用的设备，很难实现对自由活动动物进行大脑神经活动成像研究，这大大制约了科学家对生物科学的中心问题&mdash &mdash &ldquo 行为的神经环路基础&rdquo 进行深入研究的可能。北京大学生命科学学院张晨课题组运用微集成技术结合神经科学、微光学和半导体光电学等技术，研制了一种具有完全自主知识产权的可用于自由活动动物的&ldquo 超小型在体荧光显微镜系统&rdquo ，实现了在单个神经细胞分辨率水平高速追踪神经传导，并对清醒、自由运动的动物进行大脑神经环路活动实时探测的功能，从而使得对动物自由行为时大脑神经网络的研究成为可能。这项工作获得了第四期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在基金的有力支持下，申请人完成了关键配件的购置和重要材料的加工，其工作得以顺利开展，克服了镜体小型化、CMOS芯片和光学胶合病毒粒子的封装等关键技术瓶颈，取得了良好的成果。目前该项目已顺利结题，并有多项专利申请，其成果获得第七届北京大学实验技术成果一等奖，相关工作处于产业化进程中。应用前景：荧光显微镜技术是生物学和医学的重要研究手段，随着生物技术中荧光分子标记物的大量涌现，荧光显微镜技术在观察细胞活动方面日益显现出重要的作用，应用前景广阔。

p　　从石器时代原始部落的祭师对灵魂的崇拜，到中世纪后期哲人对大脑意识的产生溯源，到近代解刨学家发现井然有序的大脑功能分区，再到20世纪初Santiago Cajal得到了人类第一张清晰的大脑皮层神经元的照片，直至现在神经学家通过电生理，电子显微镜，光学显微镜等手段，在亚细胞，分子，基因水平对大脑的结构和功能进行研究，神经科学(neurosciences)这一门古老的学科，直至今日，仍然是全世界投入最大，最活跃的科学研究领域之一。/pp　　限制科学家去理解和探索大脑的最主要因素是技术。每一次神经领域的重大突破，都是以技术的一次次革命与飞跃作为基础随之而来。19世纪末高尔基染色和尼斯染色技术的发明，使得单个神经元的结构得意完整清晰的呈现，并由现代神经学之父圣地亚哥· 拉蒙· 卡哈尔(Santiago Ramon y Cajal,1852-1934)总结并开创了神经元理论，至今仍是现代神经科学的基础。计算机体层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、经颅多普勒(TCD)、单光子发射计算机断层(SPECT)、正电子发射断层扫描(PET)等无创性影像学技术的发展，使得人类对大脑整体水平结构和功能的认识不断提高，并且对于大脑创伤和疾病的治疗提供了有利的参考工具。在实验神经科学领域，以模式动物作为研究对象，避免了把人作为研究对象在有创，改造等伦理方面的限制，使得更多的技术手段得以大显身手。其中包括电生理学方面，脑电图(EEG)，多电极记录(MER)，膜片钳技术(patch clamp)等技术的发明和有效使用，得以使科学家在亚微米空间尺度(单个神经突触连接)，亚毫秒时间尺度(单次神经冲动电位)对神经元的功能进行研究。而最令人激动人心的是，近几年来蓬勃发展的光学显微成像技术，给实验神经科学带来了很多前所未有的思路和成果。2008年钱永健等人由于荧光蛋白(GFP，绿色荧光蛋白)的发现和使用，获得了诺贝尔化学奖，是对荧光成像技术的一次巨大肯定和推动。光学成像本身具有高分辨率、高通量(高速)、非侵入、非毒性等特点，再与荧光蛋白以及荧光染料等标记物在细胞中的定位与表达技术相结合，使得科学家可以特异性的分辨生物体乃至细胞内部不同结构与成分，并且能够在生命体和细胞仍具有活性的状态下(活体状态)对其功能进行动态观察。这就使得荧光成像技术成为了无可替代的，生物学家现今最为重要的技术手段之一。而随着近些年来各种新型的显微技术的出现，共聚焦显微镜(confocal microscopy)，相干拉曼成像(CARS)，超分辨率显微技术(super-resolution microscopy)，光片显微技术(lightsheet microscopy)等使得荧光显微镜的分辨率，速度，成像深度等进一步提高。/pp　　对于荧光成像技术在神经科学中应用，离不开双光子荧光显微镜(Two-photon Microscopy，简称TPM)1。目前，大多数细胞生物学，生理学研究主要还是在离体培养的细胞体系中研究。然而与细胞生物学研究有所不同的是，大脑的功能研究的整体性和原位性显得更加关键：仅研究分离的神经元无法解释神经系统的功能和规律。换句话说，必须要求神经元处在其正常生存的大脑环境中才能使其正常运转。然而，大脑是一个高度复杂的器官。即使是小鼠的大脑皮层也有将近1mm的厚度，海马，丘脑等深脑区核团更是深达3-5mm2，而且并不透明，充满了数以亿计的神经元胞体和突触，此外还有丰富的血管，粘膜(脑膜)，最外层还有厚厚的颅骨和头皮包裹。使用包括共聚焦显微镜在内的传统的荧光显微镜，由于被观测的信号会受到样本组织的散射和吸收，根本无法穿透如此深的组织进行成像。而双光子显微镜的发明，则为此类研究带来了希望。双光子显微镜特有的非线性光学特性，再加上其工作波长处在红外区域等特点，令其在生物体组织内的穿透深度大大提高3，使得双光子显微镜成为神经科学家进行活体神经成像最理想的工具。神经动作电位(action potential)本身很难被光学信号捕获，但是动作电位产生的去极化会引起神经元Ca2+浓度的变化(钙内流现象)。科学家已经开发出多种Ca离子浓度的荧光探针，进而通过这种钙离子浓度的变化引起的荧光信号的变化来反映出神经活动。于是，双光子显微镜与在体的神经元Ca离子浓度指示剂标记技术相结合，碰撞出了耀眼的火花: 使得人们可以研究处于生理状态时的动物大脑内的神经元活动4。/pp　　大脑的最重要功能是对生物体的行为活动进行调控，而反过来，最能反应大脑工作状态的同样是生物体的行为活动。所以说，为了了解大脑，研究者不仅要求在体状态下对神经元进行高分辨率观测，而且也希望生物体在被观测的阶段里，能够进行正常的行为活动。所以，在成像技术不断地提高分辨率和速度等性能的同时，科学家们也在积极开改进和革这些成像技术手段，使其进行成像时尽可能小的限制被观测对象的行为活动，以求得到最接近生理状态下的数据。但是这一目标始终存在诸多的技术瓶颈: 以啮齿类动物(大鼠或小鼠)神经元的双光子钙成像为例。早些年由于动物身体运动产生的晃动剧烈，而当时双光子显微镜成像速度又很低，所以科学家只能在麻醉状态下对头部固定的动物进行成像。后来随着成像速度的提高，并且对开颅手术技术的很大改进，使得科学家可以在清醒状态下对动物的神经活动进行观察(仍然需要头部固定)。近些年来，随着基因改造技术的突飞猛进，通过病毒转染和转基因技术，在神经元内源性表达“基因编码类钙指示剂(genetically encoded calcium indicator, 简称GECI)”成为神经元钙成像的大趋势4。这种由神经元自身产生钙指示剂的方法与之前的钙染料技术相比有着巨大的优势: 信噪比提升了一个数量级 对神经元特异性好，可以区分不同的神经元类型 并且可以在大脑神经元内持续表达数月(病毒转染)甚至整个生命历程(转基因动物)。于是，大概10年前开始，科学家就开始利用双光子成像结合GECI技术对神经元的活动和结构变化进行长期的观测和追踪，从而对记忆的形成，神经元病变等问题有了更深入的认识。其中，现在性能最好，使用最为广泛的GECI为绿色荧光钙调蛋白Gcamp家族4。目前已经改进到第六代，Gcamp6f，Gcamp6f已经成为神经成像里最受欢迎的指示剂之一。目前科学家最流行的对小动物行为过程中大脑活动进行成像的方法，是将虚拟现实与双光子成像相结合，在动物头部被固定的情况下，在其眼前制造影像，让动物认为自己处在”真实“的环境之中5。通过小鼠四肢在类似跑步机或者鼠标滚球上的运动来模拟其真实活动。以求达到研究神经元在动物行为中所起到的作用(如图1)。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/e167bfbc-be4e-4b26-aa38-6f15b1fdca08.jpg" title="1.png" width="600" height="429" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 600px height: 429px "//pp style="text-align: center "图1 双光子成像结合虚拟现实场景，对头部固定，身体活动的动物进行研究。图片来自sup5/sup/pp　　然而，这种虚拟现实加头部固定成像的方法，已经遭到许多科学家的质疑。人们认为，头部固定的动物在实验期间一直处在物理约束和情绪压力下，因此无法证明神经元对外界的响应在虚拟现实和自由探索下是等价的。更重要的是，许多社会行为，比如亲子护理，交配和战斗，都不能用头部固定的实验来研究。如何在动物自由活动的时候，直接对其神经元进行成像，是神经科学家还未能得到解决终极的诉求。/pp　　一个理想的解决方案是开发微型荧光显微镜直接固定在自由活动的动物身上，让动物“带着显微镜跑”6。这种尝试大概从20年前开始。起初，科学家只是将一根或几根光纤插到小鼠头上，用以激光导入和荧光信号采集。然而，这种方式而只是记录某个区域内信号的总和，不具有空间分辨率，算不上真正意义上的成像。在最近的十几年里，由于光学，电子，材料技术的发展，人们开始尝试研制真正意义上的微型显微镜。其中，微型单光子宽场显微镜(miniature wide-field microscope)，由于其原理与结构相对简单，是目前人们主要尝试研制的微型显微镜技术。例如由Ghosh及其同事开发的显微镜，通过将小型LED光源，微型CCD和自聚焦透镜整合到一个小于25px3的框架之中，研制出了一个重量为1.9g的微型宽场显微镜。该技术被用于研究大脑海马区place cell等与记忆和本能相关的实验当中7。然而，宽场成像方式由于不能很好的对离焦区域的背景信号进行过滤，并且对光的散射敏感，所以其无法达到细胞分辨率。更难以对更精细的诸如树突，轴突，树突棘等结构进行观察。所以一直难以达到神经科学家满意。/pp　　于是，从大概15年前开始，世界上一些研究和开发双光子成像技术的研究组开始尝试将双光子显微镜这种在神经成像领域已经获得广泛应用的技术进行微型。然而，目前只有为数不多的几个课题组报道了他们在微型双光子显微镜研制方面的进展: 在2001年，Denk等的工作被认为是研制微型双光子显微镜的第一步8。然而，它仍然太过“巨大”(长7.5厘米，重25克)，而且成像速度很慢(2 Hz 128x128的尺寸下速度为2 Hz， 512x512的尺寸下为0.5 Hz，如图2a)。之后，其他一些课题组相继报道了不同的微型双光子系统。 Helmchen课题组在2008年报道了他们的微型双光子系统，仅重0.9克9。它实现了512X512幅面下的8 fps的成像速度速度，并展示了利用该系统实现的大鼠在体钙成像信号。然而，从展示的效果来看，其空间分辨率极低，而且并没有实现真正的自由运动下的成像(如图2b)。Mark Schnitzler课题组在2009年也发表了他们的微型双光子系统10。他们的系统首次使用了微机电扫描镜(MEMS)来进行扫描，并将Z聚焦模块集成在了探头之中(如图2c)。但是扫描频率仍然很低(400x135约为4Hz) 空间分辨率也远远达不到要求(横向1.29 μm，轴向10.3 μm)。这些方面限制了其在神经元细胞核亚细胞水平成像中的应用。 Kerr课题组在2009年展示了它们的系统11，跟之前的微型双光子显微镜相比较，由于应用了微型透镜组构成的微型物镜(NA达到了0.9)，这套系统的空间分辨率更高。然而，这套探头的重量也随之提高(5.5g)。此外，由于其仍然使用振动光纤的方式来进行扫描，所以其成像速度仍然比较慢。(对于64x64为10.9Hz，对于理论上的512x512为1.25Hz)(如图2d)。此外，还有一个之前所有的微型双光子系统都没有解决的问题。由于微型双光子显微镜一般需要利用光纤将飞秒激光导入到探头之中，而光纤由于存在诸如色散、截至模式、导通带宽等一系列限制，所以某一款光纤一般只允许一定带宽(一般为几十纳米)和特定中心波长的光传播。那就需要在制作微型显微镜的时候，结合使用的荧光指示剂所需要的激光波长对光纤进行选择。但是，目前商业化的，可以用来进行飞秒光传输的空心光子晶体光纤(hollow-core Photonic Crystal Fiber， HC-PCF)种类非常有限。例如，全球最大的光子晶体光纤生产商NKT公司仅提供中心波长为800nm，1030nm，1300nm和1550nm的HC-PCF。所有现有的微型双光子显微成像系统都是基于这几款光纤所限定的中心波长进行开发的。但是很遗憾的是，本文上述所提到的目前最广泛使用的GcamP指示剂需要920 nm的激光进行激发。所以先前的所有微型双光子都不能对Gcamp进行有效的成像。这限制了微型双光子显微镜的发展。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/4c1d7c1d-53eb-4a41-96d0-98ecb5ebda8d.jpg" title="2.png"//pp style="text-align: center "图2 微型双光子发展史上的几个典型工作。a、b、c、d分别选自参考文献sup8、9、10/sup和sup11/sup/pp　　之所以这些早期的微型化双光子显微镜都无法得到真正的使用和推广，其原因在于，若要制造出具有实用价值的微型双光子显微镜，比研制单光子微型显微镜复杂和困难的多得多。微型双光子显微镜需要需要解决如下几个关键技术难题：/pp　　1 如何将飞秒激光有效的导入微型显微镜 /pp　　2 如何在微型显微镜内进行扫描/图像重建 /pp　　3 如何在微型显微镜中进行高质量的激光汇聚，高效激发双光子信号。/pp　　4 如何有效的对荧光信号进行收集 /pp　　5 如何使整个系统在动物剧烈运动时仍保持稳定/pp　　6 在满足前5项条件下，重量是否足够轻，以致尽量小地对动物的活动造成影响 /pp　　本文作者所在的课题组，是由北京大学分子医学研究所、信息科学技术学院、动态成像中心、生命科学学院、工学院联合中国人民解放军军事医学科学院组成跨学科团队。我们在程和平院士的带领下，在国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制专项《超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统》的支持下，历经三年多的协同奋战，成功研制了新一代高速高分辨微型双光子荧光显微镜，并将其取名为FHIRM-TPM。原始论文于5月29日在线发表于自然杂志子刊Nature Methods (IF 25.3)12。在这项成果中，我们解决了上文所提及的早先微型化双光子显微镜研制中存在的问题，获取了小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/0418a0a6-f357-4e18-91b0-ef1c23d670bd.jpg" title="3.png" width="600" height="470" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 600px height: 470px "//pp style="text-align: center "图3 FIRM-TPM示意图，来自sup12/sup/pp　　新一代微型双光子荧光显微镜体积小，重仅2.2克，适于佩戴在小型动物头部，通过颅窗实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。在大型动物上，还可望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。相比单光子激发，双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势，所以成像质量远优于目前领域内主导的、美国脑科学计划核心团队所研发的微型化宽场显微镜。其横向分辨率达到0.65μm，与商品化大型台式双光子荧光显微镜可相媲美 采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术，成像帧频已达40Hz(256*256像素)，同时具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力。最为重要的是，FHIRM-TPM克服了先前限微型双光子显微镜应用的两个障碍。首先，我们定制设计的HC-PCF为 920纳米飞秒激光脉冲提供了无畸变传输，这种改进让有效的激发例如Thy1-GFP和GCaMP-6f等常用荧光指示剂成为可能。第二，由于双光子点扫描显微镜的高空间分辨率和层切能力，安装到动物头上的微型双光子显微镜非常容易受到运动伪影的影响。为了解决这个问题，我们对整个系统进行了充分的优化：(a)使用柔软的新型光纤束SFB来使得动物运动引起的扭矩和拉拽力最小化，并不降低光子收集效率 (b)采用独立的可旋转连接器来连接光学探头上的光纤和电线，以使动物在自由探索期间线的扭曲和缠绕最小化 (c)使用高速成像以减少运动引起的帧内模糊。此外，我们在实验之前预先训练动物适应安装在其头骨上的微型显微镜，并滴加1.5%低熔点琼脂糖使其充满物镜和脑组织之间，这些措施都显著降低了探头与大脑之间的相对运动，进而改善了实验短期和长期的稳定性，于是实现了在动物进行包含大量身体和头部运动的行为学试验中中进行高分辨率成像。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/0d8849db-62d7-4fdd-b7e0-4e572b3a1b03.jpg" title="4.png" width="600" height="437" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 600px height: 437px "//pp style="text-align: center "图4 FIRM-TPM实物图，来自sup12/sup/pp　　树突棘活动是神经元信息处理的基本事件，利用台式双光子显微镜在头固定的动物上的研究表明单个神经细胞的不同树突棘可以被不同朝向的视觉刺激或不同强度频率的声音刺激所激活。FHIRM-TPM实现了与传统的大型的台式双光子显微镜相同的分辨率和光学层切能力。与微型宽场显微镜相比，FIRM-TPM的高空间分辨率，固有的光学切片能力和组织穿透能力以及相当的机械稳定性都是极有优势的。所以虽然通过微型宽场显微镜可以获得数百个神经元在细胞水平上的活动，但是我们的 FHIRM-TPM无疑提供了一个更加强大的工具，即在自由活动的动物中对更加基本的神经编码单位——树突棘的时空特性进行观测。它能够在对小鼠依次进行的行为学试验(例如悬尾，跳台，以及社交行为)的过程中长时间观察位大脑中的神经元胞体、树突和树突棘的活动。这些功能的展示充分证明了FHIRM-TPM具有良好的性能和稳定性。未来，与光遗传学技术的结合，可望在结构与功能成像的同时，精准地操控神经元和大脑神经回路的活动。微型双光子荧光显微镜整机性能十分稳定，可用于在动物觅食、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下，或者在学习前、学习中和学习后，长时程观察神经突触、神经元、神经网络、远程连接的脑区等多尺度、多层次动态变化。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/90a13003-d9fd-404d-8df3-64926f598012.jpg" title="5.png" width="600" height="283" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 600px height: 283px "//pp style="text-align: center "图5 三种模式在结构学成像中的成像质量对比，来自sup12/sup/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/44bc19d8-0a51-4583-8784-2f9240ac1cdd.jpg" title="6.png"//pp style="text-align: center "图6 FHIRM-TPM在三种不同的行为学范例对小鼠大脑皮层神经元活动进行成像，来自sup12/sup/pp　　从2001年Denk发表第一篇微型双光子显微镜的原型机以来，微型双光子显微镜的发展已经走过了15年的时间。15年的发展历程，微型双光子显微镜从最开始的25克笨重的身躯，只能在分离的组织中进行验证性的实验8到如今重量仅两点几克重，可以对自由活动的小鼠神经元进行树突棘级别的成像，可以说取得了一定的进步。然而，在看到这个领域取得的成就的同时，也应看到，至今为止，微型双光子显微镜还未像共聚焦显微镜或者是荧光光片显微镜一样被生物学家广泛认可和应用。而后者(光片显微镜)的发展时间更短(2008年Science的一篇文献一般被认为是现代荧光光片显微镜镜的开端13)。究其原因，除了技术本身的限制以外，整个研究领域的气氛和投入，也是重要的影响因素之一。/pp　　纵观这15年来微型双光子显微镜的发展道路，开疆拓土者有之 改革创新者有之 另辟蹊径者有之 浑水摸鱼、指鹿为马者亦有之。然而遗憾的是，愿意心无旁骛、全情投入者鲜有之 有意愿和能力建立为这个研究的领域建立范式者亦鲜有之。而中国，在不久前在这个领域基本上属于完全的空白。更不要说什么领先世界。/pp　　然而令人十分兴奋的是，中国国家基金委国家重大科研仪器设备研制专项在2014年正式将“超高时空分辨微型双光子在体显微成像系统”立项。以5年七千两百万人民币的研究经费对这一项“世界上做的还并不怎么好，中国基本没人做过”的技术进行攻关研发。这样的大力投入无疑为这一领域注入了新鲜血液和十足动力。而我也有幸在博士五年期间全程参与了这个项目的工作。从2012年来到该项目首席负责人程和平院士和陈良怡研究员的联合课题组至今，我见证了这个项目从无到有，团队从幼小稚嫩到壮大成熟的整个过程。如今，我们有了初步的成果，不仅让我们这样一支完全由中国本国科研工作者建立的团队在世界上处在了较为领先的位置，同时也把这个领域向前推动了一些，我感到无比激动和自豪。/pp　　该成果在2016年底美国神经科学年会、2017年5月冷泉港亚洲脑科学专题会议上报告后，得到包括多位诺贝尔奖获得者在内的国内外神经科学家的高度赞誉。冷泉港亚洲脑科学专题会议主席、美国著名神经科学家加州大学洛杉矶分校的Alcino J Silva教授在评述中写道，“从任何一个标准来看，这款显微镜都代表了一项重大技术发明，必将改变我们在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式。它所开启的大门，甚至超越了神经元和树突成像。系统神经生物学正在进入一个新的时代，即通过对细胞群体中可辨识的细胞和亚细胞结构的复杂生物学事件进行成像观测，从而更加深刻地理解进化所造就的大脑环路实现复杂行为的核心工程学原理。毫无疑问，这项非凡的发明让我们向着这一目标迈进了一步。”/pp　　1. Denk, W., Strickler, J. & Webb, W.Two-photon laser scanning fluorescence microscopy. Science248, 73-76(1990)./pp　　2. Gewin, V. A goldenage of brain exploration. PLoS Biol3, e24 (2005)./pp　　3. Zipfel, W.R.,Williams, R.M. & Webb, W.W. Nonlinear magic: multiphoton microscopy in thebiosciences.Nat Biotechnol21, 1369-1377 (2003)./pp　　4. Chen, T.W. et al.Ultrasensitive fluorescent proteins for imaging neuronal activity. Nature499, 295-300 (2013)./pp　　5. Minderer, M.,Harvey, C.D., Donato, F. & Moser, E.I. Neuroscience: Virtual realityexplored. Nature533, 324-325 (2016)./pp　　6. Hamel, E.J., Grewe,B.F., Parker, J.G. & Schnitzer, M.J. Cellular level brain imaging inbehaving mammals: an engineering approach. Neuron86, 140-159 (2015)./pp　　7. Ghosh, K.K. et al.Miniaturized integration of a fluorescence microscope. Nat Methods8, 871-878(2011)./pp　　8. Helmchen, F., Fee,M.S., Tank, D.W. & Denk, W. A Miniature Head-Mounted Two-Photon Microscope.Neuron31, 903-912 (2001)./pp　　9. Engelbrecht, C.J.,Johnston, R.S., Seibel, E.J. & Helmchen, F. Ultra-compact fiber-optictwo-photon microscope for functional fluorescence imaging in vivo. Optics Express16, 5556 (2008)./pp　　10. Piyawattanametha, W.et al. In vivo brain imaging using a portable 2.9 g two-photon microscope basedon a microelectromechanical systems scanning mirror. Optics Letters34, 2309(2009)./pp　　11. Sawinski, J. et al.Visually evoked activity in cortical cells imaged in freely moving animals. Proceedings of the National Academy ofSciences106, 19557-19562(2009)./pp　　12. Zong, W. et al. Fasthigh-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freelybehaving mice. Nat Methods (2017)./pp　　13. Keller, P.J.,Schmidt, A.D., Wittbrodt, J. & Stelzer, E.H. Reconstruction of zebrafishearly embryonic development by scanned light sheet microscopy. Science322, 1065-1069 (2008)./p

p　　布鲁克近日宣布收购一家欧洲光谱荧光显微镜仪器制造商Luxendo。该公司是欧洲分子生物学实验室(EMBL)的私人分公司，交易的财务细节未披露。/pp　　Luxendo总部位于德国海德堡，成立于2015年9月。在EMBL细胞生物学和生物物理学组组长Lars Hufnagel博士的技术领导下，Luxendo能够基于专利的SPIM技术快速开发强大的产品解决方案。/pp　　Luxendo专有的单平面照明显微镜(SPIM)技术显着减少了常规激光扫描共聚焦显微镜的采样时间，同时降低了对活体样品的光毒性和有害副作用。该SPIM技术还能够实现对小生物，细胞单层和清除组织的体积成像的最快扫描速度。/pp　　SPIM显微镜显著增强了布鲁克现有的扫频共聚焦，超分辨率和多光子荧光显微镜产品系列产品组合，从而在小生物胚胎学，活细胞成像，脑发育和清除的脑组织以及光遗传学应用方面取得新的研究进展。此次收购是Bruker投资组合转型中的另一重要进步。/pp　　Bruker NANO集团总裁Mark R. Munch博士对此表示：“凭借其强大的IP位置和独特的SPIM技术，Luxendo已经在光照片显微镜市场，特别是在欧洲市场迅速建立起自己的位置。与我们最近在超分辨率显微镜中的收购类似，新功能为我们目前的仪器套件提供了有价值的应用协同效应。在全球市场和下一代开发中，布鲁克可以将业务提升到更高的水平，这将大大有利于我们的生命科学研究客户。”/ppbr//p

像差问题一直困扰着光学领域的工作者。像差会使光波前发生形变，不仅降低成像的信噪比和分辨率，使得很多时候我们只能&ldquo 雾里看花&rdquo ，更甚者，产生赝像，或无法获得有意义的图像。像差问题对双光子成像的影响尤为严重，因为在那里，荧光信号对入射光强度的依赖是平方关系，一旦入射光波前形变，不仅聚焦强度大幅下降，成像分辨率也急剧恶化。因此，如何解决像差问题，实现活体，例如小鼠大脑皮层，深层区域的高质量成像成为光学成像发展中最具挑战性的问题之一。　　美国Howard Hughes Medical Institute (霍华德· 休斯医学研究所)在Janelia Farm Research Campus的吉娜博士小组与来自中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室的王琛博士最近成功将一种新的自适应光学的方法和双光子显微镜结合，研制出一种新的自适应光学双光子荧光显微镜。通过校正活体小鼠大脑的像差，在视觉皮层的不同深度处均获得了提高数倍的成像分辨率和信号强度，大大改进了成像质量，使得原来在活体鼠脑中不可见或者模糊的细节变得清晰可见，她们成功将该方法应用于老鼠视觉皮层第五层(约500µ m)的形貌结构成像和钙离子功能成像。这一新的自适应光学方法，首次使得在活体小鼠深层区域成像中获得近衍射极限的成像分辨率成为现实。这一成果以题Multiplexed aberration measurement for deep tissue imaging in vivo发表在最新一期的Nature Methods (自然· 方法)杂志上。　　在该自适应光学双光子荧光显微镜中，她们将空间光位相调制器光学共轭到显微物镜的后焦平面，通过位相调制器将入射光分成若干子区域，每一块子区域的波前都可以被独立控制。同时，她们用数字微阵列光处理器，以不同的频率同时调制其中一半子区域的入射光强度，以另一半子区域作为&ldquo 参考波前&rdquo 。来自所有子区域光束会在焦点处会聚干涉，通过监测焦点激发的双光子信号随时间的变化情况，并进行傅里叶变换分析，可以&ldquo 分解&rdquo 得到被调制的每一块子区域的&ldquo 光线&rdquo 的贡献信息，从而可以实现对一半子区域波前的并行测量。对另一半子区域重复这一测量过程，从而获得整个入射波前的信息并进行校正。该方法耗时很短，通常约1~3分钟左右即可完成像差的测量和校正，无需复杂的计算，适用于任何标记密度和标记类型的样品。更重要的是，得到的像差校正图案可以用于提高较大视场范围内的成像质量。该方法无疑为在体研究小鼠大脑皮层深层区域的生物、医学问题提供了可行性方案。

单纯疱疹病毒(Herpes Simplex Virus, HSV)是影响人类健康的重要病毒之一。HSV-1潜伏感染近90%的人群，重激活时会引起一系列临床症状，轻者有口腔疱疹，重者会导致单纯疱疹病毒脑炎。DNA复制是HSV-1裂解感染阶段的核心事件，涉及到HSV-1基因组、病毒蛋白和宿主蛋白等众多方面的动态变化和有序调控，但是受到现有分子生物学手段和传统荧光显微镜的限制，病毒复制的细节一直难以进行观察。受激发射损耗显微镜(stimulated emission depletion, STED)的分辨率远低于衍射极限，将STED显微技术与传统的免疫荧光(immunofluorescence, IF)和荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization, FISH)技术相结合，能够在亚衍射极限水平获得HSV-1复制过程中的更多细节和信息。　　中国科学院昆明动物研究所周巨民课题组与上海徕卡显微镜公司合作，对不同复制阶段的HSV-1基因组、病毒蛋白和宿主蛋白进行超高分辨率图像采集，通过分析发现：(1)STED显微镜能够更可靠地分辨HSV-1基因组的不同区域 (2)HSV-1基因组进入宿主细胞核后，逐渐由压缩状态转变为松散状态，并占据更大的空间位置 (3)病毒蛋白ICP8与复制中的HSV-1基因组密切相关 (4)虽然HSV-1的复制和转录都在病毒复制区内进行，但是这两种生物学过程发生在病毒复制区不同的亚结构内。　　该研究工作在线发表在病毒学领域专业期刊Virology Journal上。周巨民课题组的博士研究生李卓然为第一作者，周巨民研究员为通讯作者。该项研究工作得到了中科院百人计划、云南省高端人才项目和云南省自然科学基金重点项目的资助。 文章链接

一台简单的倒置荧光显微镜，搭配CSIM 100单点扫描模块，就可以快速升级为共聚焦成像系统，实现高分辨率共聚焦成像。 对，是共聚焦，您没有看错！让您实验室的显微镜大-变-身！轻松获取高端大气上档次的照片！快来看看是如何实现的吧！ CSIM 100是一款单点扫描模式的共聚焦产品，可通过C接口与任意品牌的荧光显微镜连接，将原有的宽场荧光成像方式升级为共聚焦成像方式，全面提升成像质量。Coherent OBIS激光器使用相干公司OBIS LX系列激光器，相比于普通的半导体激光器，在波长稳定性、功率稳定性、光束质量上有明显优势。可提供高质量、高品质的光源。优点：最多可同时配置4个激光器固体或半导体激光器长寿命，可达10000小时稳定性好，8小时功率变化＜2%即开即用，操作方便Hamamatsu滨松PMT使用目前的新一代高性能产品：R10699多碱PMT，相比国外品牌的上一代共聚焦产品使用的R928，灵敏度提高超过一倍。可升级为磷砷hua镓（GaAsP），进一步提高了图像的信噪比： GaAsP 的量子效率达到45%。优点：高性能多碱PMT*光谱响应范围185nm~900nmQE 25%@500nm20%@600nm* 可升级为GaAsPSunny XY高速扫描振镜搭载Sunny XY高速扫描振镜后，单向扫描512*512成像速度可达4fps，适用于多细胞大视野的检测应用。*已经为zeiss OCT项目供货。优点：响应时间快重复精度高发热量低温度漂移小其它配件共聚焦/宽场切换接口接口可同时连接共聚焦和相机，可自由选择共聚焦成像或相机成像电动Z轴马达使手动显微镜实现自动调焦功能，实现XYZ三维扫描软件功能全中文界面，简单易用全软件控制完成多维图像采集，实现多通道扫描、时间序列和Z轴序列成像可在用户自定义的ROI(感兴趣区域）内进行成像、光漂白和光刺激全软件控制数据记录，支持成像参数管理导出支持多种图像输出格式

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。

p　　膜生物学国家重点实验室(中国科学院动物研究所、清华大学、北京大学)程和平院士团队研制成功了新一代高速高分辨微型化双光子荧光显微镜，获取了小鼠自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像。/pp　　新一代微型化双光子荧光显微镜体积小，仅重2.2 克，适于佩戴在小动物头部颅窗上，实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。在大型动物上，还可望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。相比单光子激发，双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势，其横向分辨率达到0.65μm，成像质量可与商品化大型台式双光子荧光显微镜相媲美，优于目前该领域内主导的、美国脑科学计划研发的微型化宽场显微镜。该显微镜采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术，具备多区域随机扫描和每秒1 万线的线扫描能力，首次采用了微型双光子显微镜对脑科学领域最广泛应用的指示神经元活动的荧光探针(如GCaMP6)技术，解决了动物的活动和行为由于荧光传输光缆拖拽所干扰的难题。/pp　　相关成果于2017年5 月29 日在线发表于自然杂志子刊Nature Methods和Protocol Exchange，已申请多项专利。新一代微型化双光子荧光显微成像系统的成功研制彰显了膜生物学国家重点实验室在生物医学成像领域先期布局的前瞻性。微型化双光子荧光显微成像系统将为实现“分析脑、理解脑、模仿脑”的战略目标发挥重要作用。/pp/p

激光共聚焦荧光显微镜 活体荧光物质检查激光共聚焦显微镜，简称CLSM（Confocal Laser Scanning Microscopy），是一种利用激光共振效应进行成像的显微镜。它通过使用激光束扫描样品的不同层面，将所得到的图像合成成一幅清晰的三维图像。与传统显微镜相比，激光共聚焦显微镜具有更高的分辨率和更强的穿透能力，可以观察到更加细微的结构和更深层次的物质。在活体荧光物质的检查中，激光共聚焦显微镜发挥了重要的作用。通过标记活体细胞或组织的特定结构或分子，激光共聚焦显微镜可以实时观察到这些结构或分子的活动和分布情况。在生物医学领域，它可以用于观察细胞的生长、分裂和死亡过程，研究细胞信号传导和分子交互作用等。在药物研发中，它可以用于观察药物在活体细胞或组织中的分布情况，评估药物的疗效和毒性。此外，在神经科学领域，激光共聚焦显微镜可以用于观察神经元的活动和连接，揭示大脑的工作机制。NCF950激光共聚焦显微镜较宽场荧光显微镜的优点：&bull 能够通过荧光标本连续生产薄（0.5至1.5微米）的光学切片，厚度范围可达50微米或更大。（主要优点）&bull 控制景深的能力。&bull 能够从样品中分离和收集焦平面，从而消除荧光样品通常看到的焦外“雾霾”，非共焦荧光显微镜下无法检测到。（最重要的特点）&bull 从厚试样收集连续光学切片的能力。&bull 通过三维物体收集一系列图像，用于二维或三维重建。&bull 收集双重和三重标签，精确的共定位。&bull 用于对在不透明的图案化基底上生长的荧光标记细胞之间的相互作用进行成像。&bull 有能力补偿自发荧光。耐可视共聚焦成像效果图 尼康共聚焦成成像效果图NCF950激光共聚焦显微镜应用，共聚焦显微镜在以下研究领域中应用较为广泛：1、细胞生物学：细胞结构、细胞骨架、细胞膜结构、流动性、受体、细胞器结构和分布变化、细胞凋亡；2、生物化学：酶、核酸、FISH、受体分析3、药理学：药物对细胞的作用及其动力学；4、生理学：膜受体、离子通道、离子含量、分布、动态；5、遗传学和组胚学：细胞生长、分化、成熟变化、细胞的三维结构、染色体分析、基因表达、基因诊断；6、神经生物学：神经细胞结构、神经递质的成分、运输和传递；7、微生物学和寄生虫学：细菌、寄生虫形态结构；8、病理学及病理学临床应用：活检标本的快速诊断、肿瘤诊断、自身免疫性疾病的诊断；9、生物学、免疫学、环境医学和营养学。NCF950激光共聚焦显微镜配置NCF950激光共聚焦配置表激光器激光405 nm、488 nm、561 nm、640 nm探测器波长：400-750nm，探测器：3个独立的荧光检测通道；1个DIC透射光检测通道扫描头最大像素大小：4096 x 4096 扫描速度：2 fps（512 x 512像素，双向），18 fps（512 x 32像素，双向），图像旋转: 360°扫描模式X-T, Y-T, X-Y, X-Y-Z, X-Y-Z-T针孔无级变速六边形电动针孔；调节范围：0-1.5毫米共焦视场φ18mm内接正方形图像位深12bits配套显微镜NIB950全电动倒置显微镜光学系统NIS60无限远光学系统（F200)目镜(视野)10×(25)，EP17.5mm，视度可调-5～+5，接口Φ30观察镜筒铰链式三目观察镜筒，45度倾斜，瞳距47-78mm，目镜接口Φ30，固定视度；1）目/摄切换：（100/0,50/50,0/100)；2）目视/关闭目视/可调焦勃氏镜NIS60物镜10×复消色差物镜，NA=0.45 WD=4.0 盖玻片=0.1720×复消色差物镜，NA=0.75 WD=1.1 盖玻片=0.1760×半复消色差物镜，NA=1.40 WD=0.14 盖玻片=0.17 油镜100×复消色差物镜，NA=1.45 WD=0.13 盖玻片=0.17 油镜物镜转换器电动六孔转换器（扩展插槽），M25×0.75聚光镜6孔位电动控制：NA0.55，WD26；相衬(10/20,40,60选配）DIC（10X，20X/40X）选配.空孔照明系统透射柯拉照明，10W LED照明；落射照明：宽场光纤照明6孔位电动荧光转盘（B，G，U标配）；电动荧光光闸；中间倍率切换手动1X，1.5X、共焦切换机身端口分光比：左侧:目视=100：0；右侧:目视=100：0；平台电动控制：行程范围130 mm x100 mm （台面325 mm x 144 mm ）最大速度：25mm/s；分辨率：0.1μm - 重复精度：3μm。机械可调样品夹板调焦系统同轴粗微动升降机构，行程：焦点上7下2；粗调2mm/圈，微调0.002mm/圈；可手动和电动控制，电动控制时，最小步进0.01um；DIC插板10X，20X，40X插板；可放置于转换器插槽；选配控制摇杆，控制盒，USB连接线软件软件：NOMIS Advanced C图像显示/图像处理/分析2D/3D/4D图像分析，经时变化分析，三维图像获得及正交显示，图像拼接，多通道彩色共聚焦图像

p style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/61f92578-2a77-4450-bae3-0909e6aa5712.jpg" title="微信图片_20170604220236_副本.jpg"//pp style="text-align: center "程和平院士在发布会上介绍研究成果/pp　　历经3年多的协同奋战，北京大学分子医学研究所、信息科学技术学院、生物动态光学成像中心、生命科学学院、工学院联合中国人民解放军军事医学科学院组成跨学科团队，在国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制专项《超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统》的支持下，成功研制新一代高速高分辨微型化双光子荧光显微镜，重量仅为2.2克。/pp　　原始论文于5月29日在线发表于《自然》杂志子刊Nature Methods(IF 25.3)，相关技术文档同步发表于Protocol Exchange(DOI: 10.1038/protex.2017.048)，并已申请多项专利。新一代微型化双光子荧光显微镜的成功研制是世界成像仪器领域的重大突破，为脑与认知科学、人工智能研究的推进提供了重要工具。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/93671403-0d47-4f16-a918-f9e51a10842b.jpg" title="微信图片_20170604220241_副本.jpg"//pp style="text-align: center "新闻发布会现场/pp　　据介绍，该科研团队通过这一微型显微镜获取了小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像。该显微镜适于佩戴在小动物头部，可实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。在大型动物上，还可望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。/pp　　研究团队主要成员、北大分子医学研究所研究员陈良怡说道：“这是我们第一次观察到自由活动状态下的小鼠是‘怎么想的’。通过这套新型显微镜，可以在自由活动的哺乳动物上对其神经活动进行更精准研究。”/pp　　美国著名神经科学家阿尔西诺· 席尔瓦教授评论称：“从任何一个标准来看，这款显微镜都代表了一项重大技术发明，必将改变我们在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式。”/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/3180638f-621d-4745-b274-e1bea7ef57a2.jpg" title="微信图片_20170604220248_副本.jpg"//pp style="text-align: center "程和平、陈良怡、王爱民、张云峰、宗伟健、吴润龙、李明立等研发团队成员在发布会上与听众交流/pp　　作为国家重大科研仪器研制专项的一个硕果，新一代微型化双光子荧光显微成像系统的成功研制彰显了北京大学在生物医学成像领域先期布局的前瞻性，锻炼了一支以年轻PI和硕博研究生为主体、具有学科交叉背景和核心技术创新能力的“中国智造”队伍。目前，该研发团队正在领衔建设“多模态跨尺度生物医学成像”“十三五”国家重大科技基础设施，积极参与即将启动的中国脑科学计划。可以期待，微型化双光子荧光显微成像系统将为实现“分析脑、理解脑、模仿脑”的战略目标发挥不可或缺的重要作用。/pp　　strong延伸阅读/strong/pp　　相比单光子激发，双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势，其横向分辨率达到0.65μm。新一代微型化双光子荧光显微镜的成像质量可与商品化大型台式双光子荧光显微镜相媲美，远优于目前领域内主导的、美国脑科学计划核心团队所研发的微型化宽场显微镜。采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术，成像帧频已达40Hz(256*256像素)，同时具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力。此外，采用自主设计可传导920nm飞秒激光的光子晶体光纤，该系统首次实现了微型双光子显微镜对脑科学领域最广泛应用的指示神经元活动的荧光探针(如GCaMP6)的有效利用。同时采用柔性光纤束进行荧光信号的接收，解决了动物的活动和行为由于荧光传输光缆拖拽而受到干扰的难题。未来，与光遗传学技术的结合，可望在结构与功能成像的同时，精准地操控神经元和神经回路的活动。/pp　　新一代微型化双光子荧光显微成像改变了在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式，可用于在动物觅食、哺乳、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下，或者在学习前、学习中和学习后，长时程观察神经突触、神经元、神经网络、远程连接的脑区等多尺度、多层次动态变化。/pp　　该成果在2016年底美国神经科学年会、2017年5月冷泉港亚洲脑科学专题会议上报告后，得到包括多位诺贝尔奖获得者在内的国内外神经科学家的高度赞誉。/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

p　　12月26日，由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”)承担的国家重大科研装备研制项目“超分辨显微光学核心部件及系统研制”通过验收，标志着我国具备了高端超分辨光学显微镜的研制能力。/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/f803a627-1300-4f36-923e-c53c4d3ad202.jpg" title="1123909972_15458328762871n_副本.jpg" alt="1123909972_15458328762871n_副本.jpg"//pp style="text-align: center "strong科研人员在用自主研制的激光扫描共聚焦显微镜观察细胞结构。/strong/ppstrong/strong/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/603787a6-59a2-4609-bb37-a8c293834c42.jpg" title="1123909972_15458328763351n_副本.jpg" alt="1123909972_15458328763351n_副本.jpg"//pp style="text-align: center "strong科研人员在用自主研制的双光子-STED显微镜观察亚细胞结构。/strong/pp　　在当今生物学和基础医学研究中，高/超分辨光学显微镜发挥着至关重要的作用，10-100nm尺度的超分辨显微光学成像是取得原创性研究成果的重要手段。我国对光学显微镜特别是高端光学显微镜的需求极其旺盛，但基本依赖于进口，这严重制约了我国生物学和基础医学等相关前沿领域的创新。/pp　　历时五年攻关，苏州医工所科研人员全面突破大数值孔径物镜、特种光源、新型纳米荧光增强试剂、系统集成与检测等关键技术，已经申请90余项国家发明专利，其中获得授权30余项 研制出激光扫描共聚焦显微镜、双光子显微镜、受激发射损耗(STED)超分辨显微镜、双光子-STED显微镜等高端光学显微镜整机 建成了高端显微光学加工、装调、检测以及显微镜整机技术集成工程化平台，培养出一支具备研制复杂精密高端光学显微镜能力的研发团队，为我国高端光学显微镜的发展提供了系统解决方案。/pp　　苏州医工所研制的超分辨显微镜或核心部件已在国内外多家研究机构使用并已取得部分成果。如：中科院动物所利用高端光学显微镜观察发育生物学中的基本现象，研究潜在调控机制。中科院药物所应用高端光学显微镜观察药物胞内靶向定位和输送，加速创新性新药研发。美国斯坦福大学、日本东京大学、陆军军医大学脑科学研究中心等专业实验室利用双光子显微成像技术进行了信息识别、行为控制等脑科学核心问题的研究以及动物在体成像实验，获得了高分辨实时神经元活动成像数据。/pp　　目前，显微镜和关键部件已有部分成果实现销售，例如：双光子显微镜已销往德国、以色列、美国等多家国外研究机构。北京大学、中科院神经科学研究所等国内科研机构也使用了该设备。具有自主知识产权的特种LED光源体系具备了国际竞争力，支撑了包括新一代投影、光医疗仪器以及远程照明等新兴产业的快速发展。共聚焦显微镜也已完成工程化，拟进行产业化生产和销售。/pp　　该项目的成功实施，极大改善了我国高端光学显微镜基本依赖进口的状况，对满足我国生物医学等前沿基础研究的定制化需求、提升创新能力，以及推动我国光学显微镜行业转型升级具有重要的战略意义。下一步，苏州医工所将结合研究所工程化及成果转化创新模式，实现科技成果在研发平台、工程化平台、产业化平台、市场平台的高效对接，通过系列化、组合化的产品布局，对显微镜系统和核心部件进行工程化、产业化。/p

1873年，德国物理学家恩斯特阿贝(Ernst Abbe)提出光学显微镜存在分辨率极限，约为200nm。2014年的诺贝尔化学奖同时授予了三位科学家，他们在突破了“阿贝极限”，在超分辨荧光成像技术领域做出重要成绩，将光学显微技术带入到纳米尺度。近些年来，超分辨显微技术得到了快速发展，当前主要的超分辨技术有结构光照明（SIM）、受激发射损耗（STED）、光激活定位显微（PALM）、随机光学重构（STORM），相关技术陆续实现商业化，并且产品在不断完善。我国在超分辨显微镜的发展上也紧跟步伐，不仅传统光学显微镜厂商开始转向这一领域（永新光学今年已经发布超分辨显微镜），许多科研单位在相关技术上不断取得突破，并且落地成果，成立企业将相关技术产业化，如超视计、纳析光电、艾锐科技等。12月20-22日，仪器信息网将举办第四届先进生物显微技术及前沿应用网络会议（点击报名），21日上午，超视计、纳析光电、艾锐科技的创始人，同时也分别是北京大学和中科院生物物理所的PI，将分享相关技术和产业化进展。同一会场，清华大学蛋白质研究技术中心细胞影像平台和尼康生物影像中心平台主管王文娟博士将分享共聚焦显微镜在生命科学领域的高级应用，中科院细胞科学卓越创新中心的单琳博士（陈玲玲研究员课题组）讲分享她在科研工作中多种超高分辨率成像技术的应用；显微镜“四大家”之一徕卡的童昕老师将分享徕卡多模式智能显微技术在生命科学领域的应用。点击图片也可免费报名

p style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "近日，在2019年第49届神经科学学术年会上，布鲁克宣布推出Luxendo LCS SPIM光片荧光显微镜，用于对大型光学清除样品的快速3D成像。光片荧光显微镜已成为高分辨率，透明样品成像的强大方法。模块化的Luxendo LCS SPIM旨在与多种清算解决方案和样本量兼容。其新的样品安装方法和创新的光学设计可实现前所未有的采集时间，并最大程度地减少了样品畸变，同时可无缝集成到现有的清理和样品制备流水线中。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "“凭借与清除剂的通用兼容性，以及基于比色杯的简单、温和的样品安装方式，新型LCS将SPIM扩展到了范围更广的清除样品和方法中，并且易于处理样品。”布鲁克Luxendo荧光显微镜业务副总裁兼总经理Andreas Pfuhl博士讲到，“LCS SPIM的紧凑尺寸，易用性和新颖的光学概念使其成为在多用户环境中进行清晰样本成像的理想工具。”/span/pp style="text-indent: 0em text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 281px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/553054cd-dec3-4cbe-82e1-74d110be5e9d.jpg" title="Luxendo LCS SPIM光片荧光显微镜.jpg" alt="Luxendo LCS SPIM光片荧光显微镜.jpg" width="450" height="281" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "span style="font-family: 宋体 color: rgb(0, 112, 192) "strong光片荧光显微镜span style="font-family: 宋体 text-align: center "Luxendo LCS SPIM/span/strong/span/ppspan style="font-family:宋体"strongspan style="text-align: center "/span/strong/span/pp style="text-indent:28px line-height:150%"strongspan style="font-family:宋体"关于/span/strongstrongspan style="font-family:' Times New Roman' ,serif"Luxendo LCS SPIM/span/strong/pp style="text-indent: 2em "LuxendoLCS SPIM专为大型清除样品快速3D成像而设计，拓展了MuVi SPIM CS的样品量功能。该系统的基本配置为清晰的样品成像提供了一种经济高效且灵活的解决方案，而光学布局的模块化可升级性扩展了系统的性能，可实现无与伦比的高分辨率成像速度。/pp style="text-indent: 2em "LCS SPIM具有可移动的标准石英比色杯，可进行温和的样品安装，便捷的检修并与所有类型的清液解决方案兼容。电动样品台和可编程光学原理可对穿过样品的光片进行快速3D扫描，从而最大程度地降低了施加在样品上的机械应力。装有清洁溶液的比色皿固定样品，并将其放在样品台上。可以选择比色杯的典型尺寸（l=20 mm，w=20 mm，h=20 mm）作为长度（最大40 mm），以容纳不同尺寸的样品，从而使样品成像长达40 mm。这种设计最大程度地减少了运动引起的样本失真，同时其新颖的光学配置可实现最高的采集速度。/p

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。

荧光显微镜是现代生物学和医学研究中的重要工具，能够通过荧光染料来照亮和观察样本，荧光染料被激发并发出荧光，从而使样本更加清晰可见。而荧光光源是荧光显微镜中的关键部件。正确的荧光光源可以提供高分辨率、高对比度的成像效果，而错误的选择则会使成像质量受到影响。因此，选择适合的荧光光源至关重要，因此介绍在选购显微镜荧光光源时需要考虑的关键因素。①波长：荧光染料只能在特定的波长下被激发。因此，选择荧光光源时需要确保其波长与所使用的荧光染料相匹配。荧光光源的光谱有连续的和非连续的，在不同波段能量不同。光源的波长需根据荧光物质来确定，常用的波长为365nm，470nm等。常用的荧光波段为UV紫外，B蓝，G绿，根据自己具体应用来选择某个具体波段，也可以根据需要定制波段。有单色荧光、双色荧光及多色荧光等多种配置方案可选，能够满足大部分的显微镜荧光实验需求。②亮度：荧光光源的亮度越高，样本就越容易被观察到。因此，选择亮度高的荧光光源可以提高观察效果。③稳定性：荧光光源的稳定性直接影响到观察的可靠性。因此，选择稳定性高的荧光光源可以减少实验误差。④寿命：荧光光源的寿命也是一个重要的考虑因素。选择寿命长的荧光光源可以减少更换光源的频率，LED荧光光源具有非常大的吸引力，提供高品质、稳定性的荧光照明，寿命更长，安全性更高，使用更加轻便以及节省实验成本等优点。综上所述，选择适合自己实验需求的荧光光源非常重要。需要考虑到波长、亮度、稳定性和寿命等因素，并且选择高品质的荧光光源可以提高实验的效率和准确性。这里要介绍的是荧光显微镜光源的最佳选择——LED光源，新型LED作为光源，提供高品质、稳定性的荧光照明，远优于传统的汞灯照明。相较其他光源具有明显的性能优势和成本优势，将逐步的替代超高压汞灯、氙灯、金属卤素灯，成为荧光显微镜主流的荧光光源，可满足科研、分析、检验不同用户的需求。此外，多波段LED光源可选，并可控制每一个LED的亮度，实现多波长的选择激发，便捷高效。广州明慧公司自主研发的显微镜LED荧光光源适用于目前市面上大部分正置显微镜、倒置显微镜和体视显微镜，通用型荧光光源，安装简便易操作，体积小不占空间，可定制，非常适合实验室需要将普通显微镜升级为荧光显微镜的应用需求，性价比高，方便高效。如果您对我们的显微镜LED荧光光源感兴趣，可与我们技术交流。