高速高空间分辨率显微共焦成像仪

近日，厦门大学化学化工学院杭纬教授课题组与斯坦福大学Richard N. Zare教授课题组合作，在高空间分辨率质谱成像技术研究上取得进展，有望在单细胞化学、药物代谢以及纳米材料等多个领域发挥重要作用。　　激光作为最常用的采样工具之一，被广泛应用于多种质谱成像技术，并形成了成熟的商品化仪器，如MALDI-MS(基质辅助激光解吸质谱)、LA-ICP-MS(激光溅射电感耦合等离子体质谱)、LA-ESI-MS(激光采样电喷雾电离质谱)等。但由于光学衍射极限、透镜像差以及需要较长的光学聚焦距离等限制，使用激光采样的质谱成像的空间分辨率始终局限在微米级别，这使得激光质谱很难在微纳米级样品的分析中发挥作用。　　“现在少有的高空间分辨激光质谱成像技术，大多依赖于复杂且昂贵的光束整形设备或近场光学技术，很难形成普适性的方法并推广至更多的激光质谱成像平台。”杭纬说。　　在国家自然科学基金重大科研仪器研制项目的支持下，课题组在2020年首次研发出了基于微透镜光纤的激光采样技术，最优空间分辨率可达300纳米，并与实验室自行搭建的质谱平台相结合，成功获取了抗癌药物在单细胞内的分布和转移过程。　　“后来，我们将微透镜光纤激光采样技术运用于LA-ICP-MS，其空间分辨率提高至400纳米，相比于现有的技术提高了至少一个数量级，并进行了单细胞和小鼠小肠组织中药物分布成像分析。”杭纬说。　　不仅如此，通过引入157纳米的后电离激光和基于嵌入式聚苯乙烯微球的三维定位方法，微透镜光纤激光质谱带来的高空间分辨能力可用于准确重构药物在单细胞内的三维分布，空间分辨率可达500纳米。　　“之后，斯坦福大学的Richard N. Zare教授课题组将微透镜光纤激光与商品化质谱仪器平台相结合，又将现有的LA-ESI-MS成像分辨率提高了近一个数量级。”杭纬说。　　据了解，相比于现有的成像方法，课题组提出的微透镜光纤技术是一种通用性、普适性强、经济可靠的高空间分辨质谱成像新手段，可以与现有的激光质谱成像平台相结合，大大提升成像的分辨率和精确性。该成像方法就像一台化学显微镜，无须标记且无通道数量限制，有望在单细胞化学、药物代谢以及纳米材料等多个领域发挥重要作用。

近日，厦门大学化学化工学院杭纬教授课题组与斯坦福大学Richard N. Zare教授课题组合作，在高空间分辨率质谱成像技术研究上取得进展，有望在单细胞化学、药物代谢以及纳米材料等多个领域发挥重要作用。　　激光作为最常用的采样工具之一，被广泛应用于多种质谱成像技术，并形成了成熟的商品化仪器，如MALDI-MS（基质辅助激光解吸质谱）、LA-ICP-MS（激光溅射电感耦合等离子体质谱）、LA-ESI-MS（激光采样电喷雾电离质谱）等。但由于光学衍射极限、透镜像差以及需要较长的光学聚焦距离等限制，使用激光采样的质谱成像的空间分辨率始终局限在微米级别，这使得激光质谱很难在微纳米级样品的分析中发挥作用。　　“现在少有的高空间分辨激光质谱成像技术，大多依赖于复杂且昂贵的光束整形设备或近场光学技术，很难形成普适性的方法并推广至更多的激光质谱成像平台。”杭纬说。　　在国家自然科学基金重大科研仪器研制项目的支持下，课题组在2020年首次研发出了基于微透镜光纤的激光采样技术，最优空间分辨率可达300纳米，并与实验室自行搭建的质谱平台相结合，成功获取了抗癌药物在单细胞内的分布和转移过程。　　“后来，我们将微透镜光纤激光采样技术运用于LA-ICP-MS，其空间分辨率提高至400纳米，相比于现有的技术提高了至少一个数量级，并进行了单细胞和小鼠小肠组织中药物分布成像分析。”杭纬说。　　不仅如此，通过引入157纳米的后电离激光和基于嵌入式聚苯乙烯微球的三维定位方法，微透镜光纤激光质谱带来的高空间分辨能力可用于准确重构药物在单细胞内的三维分布，空间分辨率可达500纳米。　　“之后，斯坦福大学的Richard N. Zare教授课题组将微透镜光纤激光与商品化质谱仪器平台相结合，又将现有的LA-ESI-MS成像分辨率提高了近一个数量级。”杭纬说。　　据了解，相比于现有的成像方法，课题组提出的微透镜光纤技术是一种通用性、普适性强、经济可靠的高空间分辨质谱成像新手段，可以与现有的激光质谱成像平台相结合，大大提升成像的分辨率和精确性。该成像方法就像一台化学显微镜，无须标记且无通道数量限制，有望在单细胞化学、药物代谢以及纳米材料等多个领域发挥重要作用。

近日，清华大学电子系黄翊东、崔开宇团队以「Deep-learning-based on-chip rapid spectral imaging with high spatial resolution」¹为题在Chip上发表研究论文，提出将深度展开神经网络ADMM-net与基于自由形状的超表面光谱成像芯片相结合，实现了高空间分辨率的片上快速光谱成像，并消除了光谱图像的马赛克现象。光谱成像扩展了传统彩色相机的概念，可以在多个光谱通道捕获图像，在遥感、精准农业、生物医学、环境监测和天文学等领域得到了广泛应用。传统的基于扫描方式的光谱相机存在采集速度慢、体积大、成本高等问题。基于超表面宽带调制和计算光谱重建的片上光谱成像为实现消费级的便携式光谱相机提供了一种很有前景的方案。图1展示了超表面光谱成像芯片的基本结构，由硅基超表面层和带有微透镜的CMOS图像传感器组成，超表面层包含了360 × 440个超表面单元，每个超表面单元对应于成像空间中的一点，入射光经过每个超表面单元的频谱调制后被下方的传感器像素所探测。任一点处的光谱可以由该点附近的若干个光强探测值重建得到，重建过程对应于求解一个欠定线性方程组。现有的光谱图像重建算法需要通过逐点光谱重建来得到整个数据立方，存在计算耗时长和重建图像存在马赛克现象的问题。图1 | 超表面光谱成像芯片的结构示意图由于不同的超表面单元具有不同的光谱调制特性，整个超表面光谱成像芯片在不同波长下具有不同的空间调制特性，因此本文受启发于编码孔径快照式光谱成像算法，采用深度展开神经网络ADMM-net²进行光谱图像的快速重建，其基本架构如图2所示。网络包含K=12个阶段，每个阶段都包含线性变换W()和降噪卷积神经网络（通常采用U-net结构）两部分。网络的输入是包含所有超表面单元光谱调制特性的传感矩阵Φ和测量图像y，输出为重建的光谱图像数据立方。图2 | 深度展开神经网络ADMM-net的基本架构图3展示了利用超表面光谱成像芯片对标准色卡进行实际成像测量后，采用不同算法重建数据立方的结果。从RGB伪彩色图中可以看出，ADMM-net的图像细节重建效果显著优于采用传统的CVX算法进行逐点光谱重建的结果，有效消除了图像的马赛克现象。并且，相比于传统迭代算法GAP-TV³和端到端神经网络λ-net⁴的重建结果，ADMM-net的光谱重建准确性也更优。此外，采用ADMM-net进行单次重建仅需18毫秒，而逐点光谱重建则需要4854秒，本工作在重建速度上实现了约5个数量级的提升。图3 | 对标准色卡进行实际成像测量后，利用不同算法进行光谱图像重建的结果进一步，本工作利用ADMM-net实现了对户外驾驶场景的实时光谱成像，如图4所示，光谱成像速率达到约36帧/秒。从RGB伪彩色图中可见，车辆的色彩重建准确性较好；并且，从第20、100帧图像中的采样点A和B的重建光谱来看，天空和白色车辆的光谱具有明显的差异，有望解决自动驾驶场景中的同色异谱识别问题，避免相撞事故的发生。此外，具有视频帧率的高空间分辨快速光谱成像，也展示出实时光谱成像芯片在机器视觉领域的巨大应用潜力。图4 | 户外驾驶场景的实时光谱成像结果

p style="text-align: justify text-indent: 2em "近日，中国科学技术大学侯建国院士领衔的单分子科学团队的董振超研究组与罗毅研究组，在单分子拉曼成像领域取得重大进展，将空间分辨率推向新极限，实现了埃级单化学键分辨的分子内各种振动模式的实空间成像，并提出了一种全新的分子化学结构重构技术——扫描拉曼埃分辨显微术（Scanning Raman Picoscopy，SRP）。该成果于2019年11月8日在《国家科学评论》上在线发表研究论文“Visually Constructing the Chemical Structure of a Single Molecule by Scanning Raman Picoscopy”。br//pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/1c99e193-5263-4cb7-b135-48cb65706eae.jpg" title="图片2.png" alt="图片2.png"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "精确确定分子的化学结构对于任何一个分子相关领域都具有至关重要的意义，是深刻理解分子的化学、物理、生物等性质和功能的关键。扫描隧道显微镜和原子力显微镜具有在实空间对单分子骨架进行成像的杰出能力，但这些技术通常缺乏精确确定单分子结构所必须的化学信息。拉曼散射光谱中包含了丰富的分子振动结构信息，不同化学基团的拉曼光谱的谱形特征各不相同，因此拉曼光谱可以作为分子化学基团的“指纹”识别工具，但常规拉曼成像技术达不到扫描针尖技术所具有的的超高空间分辨率。因此，将二者结合发展起来的针尖增强拉曼光谱技术（TERS），可以克服各自技术的缺陷，融合两种技术的优势，为实现单分子化学结构的确定提供了可能。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "2013年，由侯建国院士领衔的单分子科学团队首次展示了亚纳米分辨的单分子拉曼成像技术 [Nature 498, 82 (2013)]，将具有化学识别能力的空间分辨率提高到了一个纳米以下（~5埃），此项突破性成果已被国际同行引用八百多次。在此基础上，研究者们一方面探索单分子拉曼成像技术空间分辨率的极限，另一方面思考如何充分发挥这项技术的独特优势。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "最近，该团队通过改进低温（液氦）超高真空针尖增强拉曼光谱系统和精细调控针尖尖端高度局域的等离激元场，将空间分辨率提高到了1.5埃的埃级单个化学键识别水平，在实空间获得了分子各种本征振动模式完整的空间成像图案，并发现和观察到了分子对称和反对称振动模式中显著不同的干涉效应。span style="text-indent: 2em "更为重要的是，该团队基于埃级分辨的分子振动模式成像图以及由此揭示的新物理效应，结合化学基团的拉曼指纹数据库，提出了一种可视化构建分子结构的新方法——扫描拉曼埃分辨显微术。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "扫描拉曼埃分辨显微术充分彰显了基于拉曼信号的针尖扫描技术“锋芒毕显”地在实空间精确确定分子化学结构的能力。研究者以单个镁卟啉分子作为模型体系，采用“搭积木”(Lego-like)方式把各个化学基团拼接起来，实现对整个分子化学结构的构建。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "埃级分辨的扫描拉曼显微术所具备的这种解析未知分子化学结构的能力，无疑将引起化学、物理、材料和生物等领域科研人员的广泛兴趣，催生这一领域的大量相关研究。可以预见，通过与人工智能、机器学习相结合，SRP有望发展成为一种成熟和通用的技术，将为在单个化学键尺度上确定单分子的化学结构、原位研究表面物理化学过程和表面催化反应等提供新的手段，也为生物分子的高分辨成像和结构确定提供了新的思路。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 338px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/47c007ae-9907-4795-aaad-fd122b1fdc5f.jpg" title="5ed3bc27-97c4-4eec-bd3d-158345f6ee72.png" alt="5ed3bc27-97c4-4eec-bd3d-158345f6ee72.png" width="600" height="338" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "strong扫描拉曼埃分辨显微术的艺术化效果图/strong/pp style="text-align: justify "图片说明：高度局域化的等离激元电磁场会显著增强针尖下方单个分子内部局域化学基团的拉曼散射信号。将不同化学基团简正振动模式对应的拉曼成像图样进行合并，就可以采用类似“堆积木”的方式将各个化学基团拼接起来，构建出完整的分子化学结构。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "文章链接：/spana href="https://academic.oup.com/nsr/article/6/6/1169/5614536" target="_self"span style="color: rgb(0, 112, 192) "strongspan style="text-indent: 2em "Visually Constructing the Chemical Structure of a Single Molecule by Scanning Raman Picoscopy/span/strong/span/a/p

对于生物医学研究，著名物理学家理查德费曼有句名言：“...很多基础生物学的问题是很容易被回答的；你只是需要看到它们就够了”。这句话一定程度上说明了直接观察的光学显微镜对于细胞生物学、发育生物学、免疫学、病理药理学等生物医学研究的重要性。但是受衍射极限的限制，传统光学显微镜的分辨率理论上只能达到光波长的一半。近20年来，超分辨荧光显微成像技术的出现有效打破了光学衍射极限的束缚。基于单分子定位技术的超分辨显微镜（SMLM）和受激发射损耗显微镜（STED）以及结构光照明超分辨显微镜（SIM）等技术在众多课题组的努力下都得到了长足发展，尤其是结构光照明显微镜由于成像速度快、光毒性小、无需特殊荧光标记等优势，已成为生命科学领域尤其是活细胞成像中最受欢迎的技术手段。近期，苏州医工所李辉课题组围绕着结构光照明超分辨显微成像方法、高保真SIM重构算法、以及国产化的SIM显微镜研制等方面取得了一系列重要进展。 　　三维成像方法因可以获取到更多的生物样品信息而备受关注。但是现有的三维成像不可避免的带来离焦模糊和时间分辨率差的问题，很难用于对样品的快速三维动态成像。为了实现对厚样品的快速三维成像，李辉课题组发展了基于数字微镜阵列器件(DMD)和液体变焦透镜（ETL）的结构光照明层切显微技术，并开发了基于两张原始图像的层切成像算法。该方法将传统的三维层切成像的速度提高了数倍以上，课题组利用该技术对斑马鱼和大脑血管的心血管系统进行了高速动态成像，清晰地显示了心脏跳动期的收缩-舒张过程以及腹部血管的蠕动特性。相关成果以“Four-dimensional visualization of zebrafish cardiovascular and vessel dynamics by a structured illumination microscope with electrically tunable lens”为题发表在Biomedical Optical Express（2020）上，其中博士生陈冲为论文第一作者。 　　图1 基于两张正反图像的结构光照明层切算法（左）；斑马鱼心脏跳动过程的快速三维成像（右）。 　　结构光照明超分辨成像技术在多种纳米尺度的亚细胞结构研究中已经得到广泛的应用。但是对于具有大动态范围的样本，例如聚集的细胞囊泡，样品中荧光较强的聚集性区域和亮度较弱的稀疏区域不能同时呈现。现有的SIM方法针对这种样品无法重建出高质量的图像。对此，李辉课题组提出了一种采用多重曝光采集的高动态SIM成像方法HDR-SIM，采集三组不同强度照明的SIM图像然后融合出一帧超分辨图像。用HDR-SIM，强度相差400多倍单个和聚集的荧光小球样本在同一张SIM超分辨图中可以同时观察到，并且对分辨率不会产生影响。在使用本方法观测不同尺度的细胞囊泡结构，单个小囊泡和大的囊泡聚集都可以同时获得清晰的分辨。相关成果以“High Dynamic Range Structured Illumination Microscope Based on Multiple Exposures”为题发表在Frontiers in Physics (2021)上，其中梁永为论文第一作者。 　　图2 高动态SIM成像原理（左）；“聚集-单个”的荧光小球高动态SIM成像（右）。 　　在结构光照明成像过程中，超分辨图像重建算法尤为关键。SIM重建算法的一些固有缺陷造成超分辨图像中经常出现重构伪影，使得SIM图像的保真度经常受到质疑，并且图像重建时需要完成一系列复杂的参数设定，限制着普通用户对SIM技术应用。李辉课题组开发了一种基于点频谱优化的高保真SIM重建算法。该算法有效克服了常规SIM算法极易产生重构伪影且光学层切能力差的问题，对不同质量原始数据的处理均能获得具有极少伪影和良好光学层切的高质量超分辨图像，有效提高了SIM成像的保真度。同时，该算法对OTF失配和用户自定义参数不敏感，使用生成的理论OTF和较少的参数即可重构高质量SIM图像，降低了SIM成像对实验实施和后处理重构的高要求，提升了算法对普通用户的友好度。相较于几种传统的SIM算法, HiFi-SIM算法对多种不同图像质量、不同样品复杂度、不同图像来源(商用设备/自主搭建SIM系统)的原始数据进行重建, HiFi-SIM均展现出了最少的重建伪影和最优的图像质量。相关成果以“High-fidelity structured illumination microscopy by point-spread-function engineering”为题发表在国际光学类顶级期刊Light: Science & Applications (2021) 上，其中文刚为论文第一作者。 　　图3 高保真结构光照明超分辨成像重建算法HiFi-SIM（左）；细胞结构HiFi-SIM与其他算法重建结果比较（右）。 　　李辉课题组自2014年以来一直专注SIM成像的技术创新、仪器研发和应用推广，开发了多种形式的结构光照明显微镜系统。最近，基于课题组最新的研究成果，研发了一套可集成于显微镜下层光路的结构光照明插件，具有结构紧凑、方便易用等特点。插件可配置国产倒置荧光显微镜，实现了SIM超分辨成像系统的国产化替代。首台机器已经于近期交付某大学用户进行试用。 图4 插件式结构光照明超分辨成像系统 　　以上工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金委项目的支持。

超高空间分辨红外成像光谱仪 — —mIRage O-PTIR系统 产品简介：美国PSC (Photothermal Spectroscopy Corp, 前身Anasys公司)最新发布的一款应用广泛的亚微米级空间分辨率的红外光谱和成像采集系统mIRage。基于独家专利的光热诱导共振（PTIR）技术，mIRage产品突破了传统红外的光学衍射极限，其空间分辨率高达500 nm，可以帮助科研人员更全面地了解亚微米尺度下样品表面微小区域的化学信息。 mIRageTM O-PTIR 光谱O-PTIR (Optical Photothermal Infrared) 光谱是一种快速简单的非接触式光学技术，克服了传统IR衍射的极限。与传统FTIR不同，不依赖于残留的IR 辐射分析，而通过检测由于本征红外吸收引发的样品表面快速的光热膨胀或收缩，来反映微小样品区域的化学信息。 mIRage工作原理：• 可调的脉冲式中红外激光汇聚于样品表面，并同时发射与红外激光共线性的532 nm的可见探测激光；• 当IR吸收引发样品材料表面的光热效应，并被可见的探测激光所检测到；• 反射后的可见探测激光返回探测器，IR信号被提取出来；• 通过额外地检测样品表面返回的拉曼信号，可以实现同时的拉曼测量。 O-PTIR克服了传统红外光谱的诸多不足：• 空间分辨率受限于红外光光波长，只有10-20 μm• 透射模式需要复杂的样品准备过程,且只限于薄片样品• 无传统ATR模式下的散射像差和接触污染 O-PTIR的优势之处在于: • 亚微米空间分辨的IR光谱和成像（~500 nm），且不依赖于IR波长• 与透射模式相媲美的反射模式下的图谱效果• 非接触测量模式——使用简单快捷，无交叉污染风险• 很少或无需样品制备过程 （无需薄片）, 可测试厚样品• 可透射模式下观察液体样品• 可以与拉曼联用，实现同时同地相同分辨率的IR和Raman测试，无荧光风险mIRage 技术参数 波谱范围模式探针激光样品台最小步长样品台X-Y移动范围IR (1850-800 cm-1)反射 532 nm 100 nm 110*75 mmIR (3600-2700 cm-1)透射Raman (3900-200 cm-1)反射 重要应用实例分析： 1、多层薄膜 高光谱成像： 1 sec/spectra. 1 scan/spectra样品区域尺寸：20 μm x 85 μm size. 1 μm spacing.图谱中可以明显看出在不同区域上的羰基，氨基以及CH2 拉伸振动的分布。 2、高分子膜缺陷左：尺寸为240 μm的两层薄层上缺陷的光学图像；右：在无缺陷处（红色）和缺陷处（蓝色）的样品的IR谱图，998 cm-1处为of isotactic polypropylene 的特征红外吸收峰。 3、生命科学 左：70*70 μm范围的血红细胞的光学照片；中：红色条框区域在1583cm-1处的Raman照片；右：红血细胞选择区域的同步的IR和Raman图谱 上左：水中上皮细胞的光学照片；上右：目标分子能够在红外光谱上很容易的区分和空间分离，可以明显看到0.5-1.0 μm的脂肪包体；下：原理示意图：红外光谱测量使用透射模式，步长为0.5 μm。 4、医药领域 左：PLGA高分子和Dexamethasone药物分子的混合物表面的光学照片中：在1760 cm-1 出的高光谱图像，显示了 PLGA在混合物中的分布，图像尺寸40 μm * 40 μm右：在1666 cm-1 出的高光谱图像，显示了 Dexamethasone在混合物中的分布，图像尺寸40 μm *40 μm 5、法医鉴定 左：800 nm纤维的光学照片右：纳米纤维不同区域的O-PTIR图谱 6、其他领域• 故障分析和缺陷• 微电子污染• 食品加工• 地质学• 考古和文物鉴定 部分用户及发表文章 [1] Ji-Xin Cheng et al., Sci. Adv.2016, 2, e1600521.[2] Ji-Xin Cheng et al., Anal. Chem. 2017, 89, 4863-4867.[3] Label-Free Super-Resolution Microscopy. Springer, Biological and Medical Physics, Biomedical Engineering.创新点：基于独家专利的光热诱导共振（PTIR）技术，mIRage突破了传统红外的光学衍射极限，空间分辨率高达500 nm；可以与拉曼联用，实现同时同地相同分辨率的IR和Raman测试，但无任何荧光风险；非接触式测量，避免了交叉污染。mIRage超高空间分辨红外成像光谱仪

荧光显微成像技术对人们理解神经科学起了非常关键的作用。而最近一些年出现的各种超分辨显微成像技术和专门的荧光探针能够以超过以往普通光学显微镜的分辨率直接观察神经元亚细胞结构和蛋白质排列。并以直观可视方式揭示了神经细胞骨架组成、分布、运动和膜蛋白信号传导、突触下结构和功能，以及神经元−胶质细胞相互作用。同时超高分辨显微成像技术（Super Resolution,SR,下文中出现SR均指超高分辨率显微成像技术）对于许多自身免疫和神经退行性疾病模型中的分子靶点研究也提供了全新的强大工具。今年春，Werner等科学家在美国化学学会会刊（ACS)上最新发表了一篇综述，比较详实系统介绍了超高分辨率显微技术在神经科学上的最新应用进展。我们在此文基础上进行了编译整理。因文章较长，我们将分三期陆续介绍。本期介绍第一部分。1. 背景介绍成像技术是推动生命科学几乎所有学科基础研究的核心平台。在神经科学领域，近几十年来，共聚焦显微镜技术已成为分析神经组织的标准荧光成像技术。激光扫描共聚焦显微镜对固定的神经元样本进行观察，在扫描水平上提供了三维和多色图像并使单个细胞达到树突结构的分辨率。作为补充，电子显微镜（EM）用于获取神经元和亚区室超微结构的信息，并用于大脑的连通性分析。EM非常适合于神经元突触和囊泡、细胞器和膜构象的结构分析。然而，由于靶向特异性标记方法的局限性，基于EM的复杂样品中蛋白质和特定电子密度特征的识别受到限制。为了进一步理解神经元功能，包括双光子显微镜在内的几种活体视频显微镜应用的发展使神经元细胞培养的活细胞成像、器官型切片培养和动物模型的活体成像成为可能。同时，新的荧光染料、功能探针和荧光蛋白以及光遗传学方法和光驱动（如笼状化合物）不仅可以表征神经元，还可以操纵神经元及其从单分子水平到整个神经系统的相互作用。然而，荧光显微图像中可见细节的水平，即图像分辨率，仍然受到衍射极限的限制。一个多世纪以来，由λ/2NA定义的阿贝衍射极限（λ为波长，NA为显微镜物镜的数值孔径）决定了光学显微镜的分辨率极限，限制了两个位置小于200纳米的细节分辨。在过去的二十年中，超分辨显微镜（SRM）已经发展成为一种非常有效的亚细胞水平荧光成像和分辨细胞器结构的研究手段。SRM现在可以提供远低于常规光学显微镜衍射极限的空间分辨率，从而能够深入了解神经元细胞和组织中蛋白质的空间结构和相互作用。本文综述了超分辨显微镜和荧光标记方法及其在神经科学中的成功应用。我们将首先详细介绍各种SRM方法的基本原理、新的功能型荧光探针和标记技术。接着，我们将回顾SRM如何有助于我们理解神经元亚细胞结构和功能以及神经元−胶质细胞相互作用。此外，我们将概述超分辨率成像方法如何帮助研究自身免疫和神经退行性疾病的病理生理学。最后，我们将介绍这些新的成像方法是如何应用于神经精神疾病相关的人类样本的分析。由于该领域持续快速发展，我们最多只能代表一份中期报告。进一步的创新和新的显微镜方法的发展将使人们对神经系统功能有更详细的了解。 2. 神经科学中的超分辨率成像方法2.1. 光学衍射极限及其对神经科学的影响人类大脑包含超过800亿个神经元，每个神经元由数千个突触连接。因此，它构成了复杂神经元网络。这些网络的主要组成部分，例如突触神经末梢，显示的空间维度接近于光学衍射极限分辨率∼200 nm。释放递质的突触活性区（突触前细胞基质的特化区）的直径通常约为300±150 nm。突触小泡作为递质运输和释放的关键元件，其尺寸平均小10倍，直径为40−50nm。这些递质被释放到宽度为20-50nm的突触间隙中−再结合突触后受体。由于衍射极限的尺寸限制，胞吐机制和跨突触信号在传统的光学显微镜下基本上是无法观测到的，因此需要用提高10倍分辨率的方法进一步研究。（图1）。图1. 兴奋性突触结构组成。左图为兴奋性突触的油画示意图，右图为左图的灰度图像，其中浅紫色圆圈为衍射极限光斑；玫红色圆圈为兴奋性突触囊泡，约40-50nm；绿色为突触后膜AMPA受体，尺寸小于10nm；黄色部分为突触间隙，约20-30nm。 此外，大量参与突触信号传导的不同的分子，位于极小的突触内，造成很高的分子分布密度，这对微观研究具有挑战性。例如，对于较小的突触，兴奋性突触可以包含数百个小泡，对于大型苔藓纤维束突触，可以包含数千个小泡，每个小泡包含多达1万到10万个递质分子。在这些囊泡中，约有10±5个与释放部位对接，释放的递质平均与0−20 个NMDA受体和0−200个AMPA受体结合，而这些突触后受体又被320±130个突触后PSD-95密度蛋白分子环绕。由于加速电子的波长要短得多，因此EM是唯一能够解析突触纳米级结构的方法。然而，虽然传统的EM产生的电子密度图像具有极好的超微结构分辨率，但需要进行固定和靶向特异性标记的制样方法在很大程度上限制了蛋白质识别和神经元追踪。荧光显微镜可以很容易地对蛋白质进行选择性标记，但是受制于可见光的衍射（400−700 nm）使生成的图像无法实现对纳米结构的分析。 2.2.绕开光学衍射极限的光学显微镜方法 20世纪后期，人们开发了新的策略，通过利用物理或化学手段来区分不同荧光团的发射或减少同一时间荧光分子的数量，以尽量绕过衍射极限。减少荧光团的点扩散函数（PSF）的重叠可以通过生成光图案在集合级别以确定性方式进行，或者通过减少同一时间荧光团的数量在单分子水平上以随机方式进行。在下文中，我们将从确定性集合方法开始介绍，该方法将激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）的有效空间分辨率推到理论极限。2.2.1. 确定性集合超高分辨率成像方法（Deterministic Ensemble SR-Imaging Methods） CLSM用针孔探测器阵列替换单点探测器，空间分辨率可以提高√2倍。CLSM测量每个扫描位置探测器每个点的荧光信号。在应用适当的算法后，生成分辨率提升的图像。这些所谓的像素重分配方法包括图像扫描显微镜（ISM）、重扫描共聚焦（RSC）、光学光子重分配（OPRA）、AiryScan和即时结构照明显微镜（iSIM）。对于信号检测，使用了诸如CCD相机、光电倍增管阵列、单光子雪崩二极管阵列和六角光纤束等探测器阵列。结构照明显微镜（SIM）在光路中插入光栅，产生与样品干涉的相干光束，生成横向和轴向方向不同的新照明图案。然后可以使用傅里叶变换提取这种新照明图案的信息，从而在所有三维空间中实现空间频率分解和分辨率倍增。SIM对样品制备的要求最低，并且可使用所有常规荧光探针，这些探针具有最低的光稳定性，并且可以很容易地扩展到多色成像。然而，当记录三维或长时间成像时，强烈建议使用光稳定性更高的荧光团。此外，SIM使用更低的激发强度，因此是活细胞SR实验的理想选择。为了获得更高的分辨率，引入了通过图案化饱和或荧光激发或图案化耗损光开关染料的非线性SIM（NL-SIM）。然而对染料开关特性的苛刻要求限制了NL-SIM在常规生命科学实验中的适用性。非线性SIM单位时间内还需要采集更多的图像，因此实际上仅限于2D成像。另一方面，掠入射（GI）-SIM显示了高达每秒266帧的快速超分辨率成像以及100nm分辨率，揭示前所未有的细胞器动力学细节。结构照明的局限性在于其对波长的普遍依赖性、与其他SR成像技术相比的低分辨率以及对系统稳定校准的需要。最后，后处理需要进行先验质量检查以避免伪影,例如由于高背景信号或不充分标记产生的低对比度图像导致的人工蜂窝图案。通过受激发射耗损(STED)显微镜进行超分辨率成像是一种实现更高空间分辨率的成像方法。这里，高斯分布的激发激光束被中空的甜甜圈样的耗损激光束覆盖，使扫描点外围的荧光团返回基态，这导致纳米级焦点区的直径与耗损光束的强度成反比，耗损光束的强度直接转换为STED显微镜的分辨能力：上图公式中λ为波长，n为折射率，α为物镜的收集角，ISTED为STED光束的照射强度，IS为饱和强度。因此，可以通过改变损耗激光强度来调整分辨率，可定制设计分辨率达30−80nm 的显微镜。STED显微成像可通过连续或脉冲激光激发、门控检测。带有脉冲激光的STED显微镜会降低激发能量，从而减少实时成像中的光毒性效应。STED显微镜中的时间门控检测可以去除荧光团光子到达时间前的空间信息，并且可以在较低的平均功率下工作。商品化STED能提供用户友好的高分辨率成像，无需进一步的数据后处理。活体成像，例如活体树突棘动态成像已经很成熟，但快速动态成像仅限于小帧尺寸，因为它仍然是点扫描方法，高激光强度可能会导致光损伤。STED通过应用自适应照明方式Dymin和rescue技术，可以明显减少光损伤。在Dymin STED中，在共聚焦模式下扫描时确定最低可能的STED光束强度。根据样品的标记密度，这将使STED光束强度降低20到100倍。Rescue STED同样通过减少STED激光开放的区域，从而比普通STED减少光漂白接近8倍。STED的另一个限制是对荧光团光稳定性的依赖，因为在高激光强度下会发生明显的光漂白。这影响了动力学的研究和三维图像的获取。值得注意的是，最近通过使用荧光团标记的寡核苷酸（瞬时结合到连接靶蛋白结合探针的互补寡核苷酸）或非结合荧光团来进行细胞STED成像，从而绕过了STED光漂白问题。这两种方法中，基于DNA互补标记的STED成像和超分辨率阴影成像SUSHI分别通过荧光团标记的寡核苷酸和高浓度的非结合和自由扩散的荧光团不断交换来防止光漂白。SUSHI的方法已经成功地用于活体脑片中细胞外间隙和神经肽的结构解析及其动力学的STED成像。如果使用具有毫秒或更长寿命的两种稳定状态的可逆切换荧光团来代替标准荧光团，则STED强度可以显著降低。可逆饱和切换光学线性荧光转换方法（RESOLFT）已通过可逆可切换荧光蛋白（reFPs）实现，并成功应用于活体海马脑片树突棘的超分辨率成像。2.2.2. 随机单分子SR成像方法（Stochastic Single-Molecule SR-Imaging Methods）上述的确定性方法是通过改变激发模式或相位掩膜来暂时控制荧光发射达到超分辨成像，而基于单分子的定位SR显微镜则是随机地在时间上分离单个荧光团的发射。单分子定位显微镜（SMLM）基于单个荧光团的随机激活，使用配备高灵敏相机（EMCCD或sCMOS）的宽场荧光显微镜进行单分子检测，以及精确的位置测定。通过将理想PSF与实际测量的光子分布拟合来进行分子定位。只要信号来自单个发射区，且单个发射区之间的距离大于显微镜能分辨的最小距离，则通过收集更多光子和最小化噪声，定位的标准误差可以任意小。激活和定位过程重复多次，所有定位最终用于重建超分辨率图像。为了确保在成像的任何时候，只有稀疏的小荧光团以其活性荧光形式存在（开启状态），使用了光开关、光转换、光激活或自发闪烁的荧光团。由于定位精度和最终图像分辨率取决于每次检测到的光子数量，通常采用明亮且稳定的荧光团与1 kW/cm2的辐照强度相结合的方式。根据所使用的荧光团不同，SMLM可达到10−50 nm横向分辨率。光激活荧光蛋白（FPs），自2006年以来已用于光激活定位显微镜（PALM），例如在405 nm的激光照射下可从关闭状态不可逆地转换为打开状态的PA-GFP和PA-mCherry 以及可通过适当波长的激光照射从一种波长状态不可逆地转移到另一种波长状态的光转换FPs，例如MEO。此外，还成功地应用了诸如Dronpa之类的光开关FPs，其在不同激发波长的激光照射下可在非荧光和荧光状态之间可逆地切换。对于活细胞应用，使用荧光蛋白的PALM是首选方法。因为在理想情况下，每个感兴趣的蛋白质都可以用荧光蛋白进行计量标记。然而，荧光蛋白比有机染料表现出更低的光稳定性和光子计数，从而降低了定位精度，并且通常需要更长的采集时间。此外，对于PALM成像而言，融合蛋白通常会过度表达，这可能会导致不真实图像，而用转基因变体替代显示野生型表达和功能的自身蛋白仍然具有挑战性。对于细胞内源性蛋白质的标记，通常使用有机染料的免疫标记。SMLM适用的有机染料必须是光开关、光激活或自发闪烁的，以实现单个染料发射的时间分离，但化学计量标记要困难得多。有机染料通常表现出较高的光子计数和光稳定性，从而使定位精度达到5−10nm。花菁染料Cy5和Alexa Fluor 647可以在荧光开启状态（其典型寿命为10 ms）和非荧光关闭状态（寿命为几秒，利用光开关缓冲液，缓冲液包括PBS，10−100mM硫醇，如ß-巯基乙缅（MEA），酶促氧清除剂，可以有/没有激活染料）之间可逆切换，为随机光学重建显微镜（STORM）和直接型STORM（dSTORM）的发展铺平了道路。近年来，应用于（d）STORM的染料已大大扩展，除了菁染料外，还包括罗丹明和恶嗪染料。有趣的是，最近的研究表明，即使是多个标记的抗体在光开关缓冲液中也呈现出类似于单发射的表现，因此适用于dSTORM实验。光活化染料的作用与光活化荧光蛋白相似。也就是说，它们在被光照射或自发激活之前处于非荧光状态。罗丹明衍生物PA-JF549和PA-JF646以及桥环菁染料Cy5B是已成功用于SMLM的光活化染料。此外，在没有光开关缓冲液的水溶液中，硅罗丹明HMSiR等自发闪烁染料也能应用于SMLM。最近，通过图案化照明方式实现更高的定位精度，单个荧光发射区的定位得到了改进。定位精度取决于信号的大小和强度，可以通过测量的PSF标准偏差的平方除以收集的光子数来估计。然而，包括拟合性能、标记密度、标记误差和显微镜漂移在内的其它参数决定了高定位精度是否可以转化为低于10 nm的空间分辨率。此外，到目前为止，因为SMLM方法成像需要昂贵的仪器和成像者具备广泛的专业知识，这在一定程度上阻碍了其广泛应用。2.2.3. SMLM-点累计纳米成像技术（PAINT，Point Accumulation for Imaging Nanoscale Topography）第一代SMLM技术依赖于荧光团的光开关和光激活，其分辨率需要有效地利用荧光团发出的光子数，而PAINT(point accumulation for imaging nanoscale topography)方法使用活的，与目标区域结构短瞬结合的染料。在成像过程中，被漂白的荧光团可以被成像介质中充足的新鲜荧光团不断置换替补。由于游离染料在采集单个图像帧期间在多个像素上快速扩散，因此它们仅显示为模糊背景且不能准确定位，而结合染料显示为PSF且能准确定位。因此PAINT的第一种方法是将荧光染料（如尼罗红）与细胞膜进行非特异性结合，然后进行光漂白和新的结合。此外，基于蛋白质片段的探针被用于单分子定位标记。在最近的一个研究中，将这种方法与传统的基于phalloidin的肌动蛋白标记方法进行了比较。通过引入通用PAINT（uPAINT）使Ni-Tris-NTA与转基因蛋白质上表达的His-Tags更特异结合，并可用于突触间隙成像。uPAINT也可以应用于其它标记方法，如免疫标记（内源性蛋白抗体、纳米抗体如绿色荧光蛋白）或受体配体结合。为了提高PAINT的适用性和特异性，引入DNA-PAINT方法。它使用长度小于10个核苷酸的短的可控的寡核苷酸链（成像链）瞬时标记其靶结合互补寡核苷酸链（对接链）。成像链与对接链的瞬时结合产生明显的闪烁。因此，荧光团开-关状态之间的切换与其光物理性质不直接关联。DNA-PAINT首先在DNA折纸（DNA-origami）上得到验证。DNA折纸是一种自组装的DNA结构（具有已知的大小），通过侧链和荧光团进行结合，并通过宽场显微镜观察。总的来说，DNA-PAINT是一种易于实现的SR成像标记方法，无需特定光物理特性的荧光团。因为探针可以在一轮结合后，从成像介质中置换补充荧光团，从而避免了光漂白。DNA-PAINT的缺点是图像获取时间长，这是由成像链与对接链的结合和解离速率决定的，以及荧光成像链的纳摩尔浓度引起的背景信号。尽管通过使用优化的DNA序列和缓冲条件，以及使用串联的周期性DNA结构域或通过短肽的卷曲螺旋相互作用（称为“Peptide-PAINT”），可以加快采集速度，但还是要利用全内反射荧光（TIRF）（仅限于对靠近盖玻片结构进行成像的特点），才能更好地减少成像链的背景信号。另一方面，基于DNA的探针提供了序列成像复用的明显优势，如Exchange PAINT中所述，已成功用于小鼠视网膜切片中多个结构的成像（图2）。Exchange PAINT的概念也被推广到dSTORM、STED、SIM和更传统的衍射限制的宽场和共聚焦荧光显微镜。最近，通过一种称为PRISM(probe-based imaging for sequential multiplexing)的基于DNA-PAINT的成像方法，实现了高达10个神经元蛋白质的分辨率约为20nm的多通道成像。该方法使用了低亲和力成像探针，该探针与突触、肌动蛋白和微管一抗上的对接链结合。图2 原代神经元中多个神经元靶点的多标Exchange-PAINT成像。（A）DNA-PAINT顺序成像的四种突触蛋白的超分辨图像：圆圈表示漂移校正的基准点；（B）为（A）中不带*的感兴趣区域的高放大倍率图和超分辨图像。（C）为（A）中带*的感兴趣区域的超分辨结果及单通道图像。2.2.4. 定量SMLM如果每个目标分子都可以单独标记和定位的话，与所有其他超分辨率成像技术相比，SMLM还可以提供有关分子分布和分子绝对数的单分子信息。然而，内源性蛋白质的定量免疫标记仍然是一个挑战，并且多标记抗体的不同定位数目也会使数据解释复杂化。另一方面，达到内源性表达水平比较困难，另外FPs蛋白成熟缓慢也同样会令定量化困难。然而，可以通过设计专门的对照实验估计拷贝数，并提取出有关生物目标结构分子的真实信息。借助合适的算法，SMLM可以提供有关拷贝数、聚类、共定位和复杂化学计量的数据，用于定量模型的生成和模拟。此外，还可以通过将突触结构信息与其功能关联来实现量化，例如膜片钳神经元的生物细胞素标记。例如，通过对链霉亲和素标记后膜片钳神经元进行STORM成像，结合CB1受体的免疫标记，然后在GABA能的海马轴突终端内定量，研究了内源性大麻素信号。本研究发现，与树突投射型中间神经元相比，胞周投射型中间神经元具有更高的CB1受体密度和更复杂的活动区。通过免疫标记和dSTORM研究了黑腹果蝇神经肌肉连接处内源性Bruchpilot（Brp）分子的数量。利用抗体滴定实验，确定了野生型神经肌肉连接处活性区细胞基质中Brp蛋白的数量为137个，其中四分之三以约15个七聚体簇状排列结合从相同组织样本记录的电生理数据，研究Brp如何组织控制活动区功能。利用DNA纳米结构作为校准，每个活性区Brp蛋白的数量估计通过定量DNA-PAINT（qPAINT）实验证实。此外，定量dSTORM实验表明，每个活性区Brp蛋白的数量和分布受突触标记蛋白-1的影响，这说明突触活性区递质释放的复杂性。在最近的一项研究中，使用Alexa Fluor 532和Alexa Fluor 647免疫标记的双色dSTORM已用于小鼠小脑平行纤维活性区中代谢型谷氨酸受体4（mGluR4）的定量研究（图3）。该研究还使用抗体滴定实验估计每个活性区平均包含约35个mGluR4分子，并排列在小纳米结构中。此外，mGluR4通常在munc-18-1和CaV2.1通道附近被发现，这支持了mGluR4与这些蛋白质相互作用以调节突触传递的观点。图3小鼠脑片中代谢型mGluR4受体定位定量双色dSTORM。上图：mGluR4和Bassoon免疫染色的小脑冠状切片的dSTORM图像，作为活性区参考。与宽场显微镜结果的比较。（A）DBSCAN聚类算法定义了近距离的En face活性区表面积（灰色）和mGluR4信号（品红）。（B）活性区大小的频率分布直方图（C）mGluR4信号到突触和突触外区域的映射。（D）通过Ripley H函数分析评估Bassoon和mGluR4的聚集分布。与随机分布的分子（蓝色、灰色）进行比较。虚线表示Ripley分析的最大值。这些研究显示了定量SMLM在神经科学研究中的潜力。可以预见，定量SMLM的进一步发展将为突触前和突触后蛋白质的功能关系，及其组织和结构的研究提供更有价值的信息。2.2.5. 组织三维（3D）SMLM虽然SMLM方法实现了仅几纳米的非常高的水平定位精度，但它需要特殊的方法来打破图像平面上方和下方PSF的对称性，来实现高轴向定位精度。实现高轴向定位精度的两种方法是PSF重塑和多焦面检测，通常用于在3D中精确定位荧光团。在SMLM中最常用的方法是通过在成像路径中插入单个柱面透镜从而不对称地扭曲PSF，利用光学像散原理来实现三维定位。基于像散方法的3D dSTORM技术还可以与光谱拆分相结合，对COS-7细胞中的网格蛋白表面小窝成像。像散引起的畸变程度由荧光团的轴向位置决定，因此可用于轴向位置计算。例如，3D散光SMLM已用于确定抑制性突触后密度区gephyrin蛋白和受体复合物的分布和拷贝数，或突触前活动区和突触后密度区各种成分的空间关系。采用双物镜像散成像方案，通过3D SMLM研究组织中肌动蛋白、血影蛋白和其他相关蛋白的结构，发现这些蛋白在轴突中形成190nm的周期性环状结构。替代方法包括使用相位掩模、变形镜实现双螺旋、四足或鞍点PSF重塑，和双焦面成像方法实现更大的轴向范围，并已成功应用于不同的应用中。为了在2D和3D中定位单个荧光发射区，已经开发了不同的算法和软件工具。在最近的一次综述中，列出了不同3D SMLM方法获得的水平和轴向分辨率，以供比较。然而，到目前为止，大多数SMLM研究都是在培养细胞上进行的。培养细胞具有相对简单的样品制备和成像要求，例如焦平面上下荧光分子的背景信号较低或没有。而脑片更具挑战性，因为它们在焦平面上下表现出高密度的神经元结构和潜在的高荧光背景，由此产生的低信噪比对于成像来说是一个障碍，会直接影响单分子定位的精度和准确性。此外，脑片必须具有足够的渗透性，以实现有效的免疫标记，而不损害组织结构。除了超微结构保存外，对几十微米厚的脑片进行均匀标记也仍然是一个挑战。因此，最初的尝试是将组织切成薄片，以便于标记。然而，将多个切片进行三维重建也仍然具有挑战性。为了保存好抗原表位，在切割成超薄切片进行SMLM成像之前，需要对组织进行解剖、固定以及免疫标记、后固定、脱水并包埋在环氧树脂中。而且，3D SMLM只能对靠近盖玻片的脑片的一个轴向平面进行成像。如果背景信号和散射太强，也可以使用组织透明化方法和基于光片的照明方法进行SR成像。另一个导致较厚脑片的3D成像不可靠的原因是光学畸变引起的单个荧光团PSF变形和模糊。通常应用自适应光学恢复PSF，使各神经元能够更精确地成像。为了进一步提高基于自适应光学的SR成像的性能，需要将其与自适应PSF重塑相结合。例如，在30μm厚的阿尔茨海默病小鼠模型脑片中，通过同步校正样品引起的畸变并且生成一致的PSF，可以重建纤维淀粉样蛋白斑块的精细细节。荧光团的3D位置也可通过PSF内产生的自干涉精确确定，并已成功用于轴向深达50μm的 SMLM。 3.膨胀样品显微成像技术（EXM）2015年，Ed Boyden及其同事描述了另一种绕过荧光显微镜分辨率极限的创新策略，称为膨胀样品显微成像技术（ExM）。ExM的原理是将蛋白质连接到带电荷的聚丙烯酰胺凝胶中，然后使用蛋白酶进行轻微的机械破坏，然后让其在水中膨胀，从而实现样品的物理放大。最初的方法是将三功能连接体交联到凝胶基质上，将标签信息转移到凝胶上。图4 结合ExM和晶格光片显微镜（LLSM）可观察大量神经元分子组装细节。左上图：概图；右上部位：海马CA1锥体神经元的投射；右下部位：神经元胞体；中下部位：小鼠大脑，通过Thy1 EYFP信号和突触蛋白免疫组织染色进行皮质树突棘成像；左下部位：果蝇投射神经元（PN）束的多样性。左上部位：果蝇中枢复合体PN的神经元追踪。中心部位：果蝇多巴胺能神经元的全脑成像。下图：成年果蝇大脑所有33个脑区的多巴胺能神经元相关Brp信号（体积密度）定量图（nc82抗体免疫染色，绿色曲线=与多巴胺能神经元相关的nc82斑点百分比）。右上图：沿着皮质层I至VI（顶部，最小强度投影）的初级躯体感觉皮层中的Homer 1点密度和25μm×50μm×50μm跨皮质的Homer 1点累积数量。请注意，在第二层/第三层和第五层中，Homer 1的密度较高。三功能连接体含有甲基丙烯酰基团、荧光标记和寡核苷酸，它与连到蛋白质标记的抗体的互补寡核苷酸杂交。将免疫染色的细胞或组织包埋在单体溶液中后，添加含有丙烯酸钠（凝胶高吸水性树脂）的共聚单体丙烯酰胺和交联剂N，N′-亚甲基双（丙烯酰胺）。这些单体组分和位于目标上的甲基丙烯基在高温下聚合，使用四甲基乙二胺(TEMED)作为催化剂，过硫酸铵(APS)作为聚合引发剂。荧光标签通过锚定在凝胶中的特定位置而在空间中固定，并且其位置可以在蛋白酶的化学预处理和水中透析后延伸构象进行物理膨胀。最初使用ExM产生了一个100倍的体积膨胀和目标分子间的4−5倍距离的线性增加。使用常规共聚焦显微镜对其成像，SRM横向分辨率可达到70 nm，轴向分辨率可达200 nm。在随后的几年中，通过使用交联分子如MA-NHS和acryloyl-X将蛋白质锚定到凝胶基质上，开发了改进proExM方法，使用常规荧光团就可保留蛋白质表位。为了避免自由基起始剂对荧光团的影响，设计了新的方法如蛋白质组放大分析（MAP），与SDS结合热介导变性，实现膨胀凝胶的后标记。此外，通过引入三功能连接体，它们能够在聚合、消化和变性后存活，并能够将目标分子和官能团直接共价锚定到水凝胶中，以实现膜和细胞骨架的SR成像。有研究显示，一些荧光团与激动剂发生反应。例如，因为菁染料在样品制备过程中几乎消失，因此不适合用于ExM标记，而其他荧光团如Alexa Fluor 488、CF和Atto染料在ExM处理流程后仍然能发射足够的光子。此外，生物素−亲和素信号放大和交换反应信号放大免疫染色技术(Immuno-SABER)可以有效提高信噪比和对大量目标蛋白进行成像。最近的研究表明，可以通过优化Ultra（U-ExM）的流程保留中心粒的超微结构细节。U-ExM启发于MAP方法，该方法允许膨胀并使用低甲醛和丙烯酰胺浓度交联蛋白质（保留样品的超微结构细节）后进行标记。U-ExM已经成功地用于揭示以前只有电镜才能获得的中心粒的超微结构细节。通过使用不同的单体和引发剂组合，Truckenbrodt及其同事设计了一个对常规培养细胞甚至神经元进行10倍体积膨胀的方案，即通过二次凝胶进行迭代ExM制样，多次嵌入不同的单体（而这些单体又可以通过使用高摩尔氢氧化钠去除）从而达到高达53倍的膨胀系数。应用此方法，可以从突触后支架蛋白中清晰看到位于突触间隙内的膨胀13倍的蛋白，例如神经递质受体GluR1和GABAARα1/α2。如今，ExM已成功用于培养细胞、原代神经元和组织中的蛋白质、RNA、真菌、病理标本和细菌的超分辨率成像。4倍膨胀的ExM已经与晶格光片显微镜相结合，以60×60×90 nm的分辨率对整个果蝇大脑中多种蛋白质之间的纳米级结构进行成像（图4）。为了进一步提高分辨率，ExM已成功地与SRM方法相结合。例如，ExM与SIM相结合到达20nm的空间分辨率，观察果蝇中的联会复合体和小鼠精母细胞。在细胞培养样品中进行多表位标记后，与传统荧光显微镜相比，使用STED结合ExM可使分辨率提高30倍。此外，使用NHS染料对所有蛋白进行标记，然后进行迭代ExM，可以对高蛋白密度的结构或细胞器（如线粒体），实现与EM相比具有更高对比度的超微结构细节。为了在分子尺度上进行成像，ExM与SMLM方法（如dSTORM）相结合是一个理想的选择。然而在含有硫醇和盐的传统光转换缓冲液中，会发生荷电氢凝胶收缩。可通过使用低离子强度缓冲液或加入中性溶液使凝胶稳定以避免收缩。另一种策略是使用自发闪烁的荧光团（如HMSiR）在水中进行SMLM。通过Ex-dSTORM实现分子分辨率的关键是膨胀后标记，这增加了表位可及性，从而提高了标记效率并减少了标记错误。Ex-dSTORM超分辨成像已成功应用于原代细胞和神经元中微管和中心粒结构的解析。

p　　癌症被谓为众病之王，如何预防恶性肿瘤的转移和扩散，一直是临床医学界难题。/pp　　有没有一种技术手段，能够对生物活体进行观察和追踪，让医生从整体上了解疾病发展的进程，及时调整药物和基因治疗方案，从而改变或阻止疾病发展?/pp　　答案是肯定的。/pp　　由宁波永新光学股份有限公司牵头，联合浙江大学、上海理工大学、复旦大学附属中山医院、南京医科大学等共同进行研究和开发的“高分辨荧光显微成像仪”正在为解决这一难题而不懈努力，也正因此，该项目获得了科技部重大科学仪器设备开发重点专项立项。/pp　　“‘高分辨荧光显微成像仪’是以永新公司现有的一代高端倒置荧光显微成像系统主体为基础，开发出一个具有光切片成像、荧光标记与共定位、三维空间还原及动态成像、单分子荧光探测、荧光漂白后恢复等的复杂多功能高端荧光显微成像系统。”公司技术总监、项目负责人毛磊对科技日报记者说。/pp　　虽然电子显微镜、原子力显微镜等技术已经实现获得更高的分辨率，但由于不能对活体实时成像，样品制备复杂等原因，光学显微镜仍然是当前生物医学、生命科学以及医学研究等方面的主要观测设备。/pp　　“相比较传统的显微成像技术，这种高分辨荧光成像技术不仅可以实现对活体组织微观结构、各种肿瘤细胞的显微成像，还为细胞组学、基因组学、蛋白组学、肿瘤学等研究提供了强大的技术支撑，是一项在生命科学领域有着不可替代优势的技术。”毛磊说。/pp　　此外，这种技术还可以在活体动物体内进行显微成像，通过对同一组实验对象在不同时间点进行记录，跟踪同一观察目标(标记细胞及基因)的移动及变化，让研究人员直接快速地检测各种癌症模型中肿瘤的生长、转移以及对药物的反应，比传统方法更适合于肿瘤体内生长的定量分析。/pp　　值得一提的是，为了提高光学显微的成像效果，以便从复杂的细胞组织中提取出自己想要的细节，研发团队还采用了荧光标记的方法，在细胞中加入特殊的荧光标记物，这些标记物在特定的光照下，有的发红光，有的发绿光，而且每种荧光标记物都具有一定的选择性，只与细胞中既有的特定分子结合，然后发出荧光。/pp　　“荧光成像大大提高了光学显微成像的对比度，还帮助研发人员分辨细胞中的不同结构。预期项目结题后，3—5年内将可实现累计销售1亿多元，10年内可实现年销售3—5亿元，利税超亿元。该项成果将推动我国高端显微镜的‘跨代式’发展。”毛磊说。/pp　　相关统计显示，2016年全球该类产品市场共有30多亿美元，中国市场大约在16亿元人民币(约占世界市场8%)，年增长率超过30% 而在世界高端显微镜市场，我国显微镜制造企业占比小于1%，具有很大的市场空间。/pp　　“永新已经与三家应用单位共同在遗传/发育生物学、细胞生物学等荧光免疫方面进行了应用开发，其中NIB900、NE900系列研究级显微镜已实现批量生产，并在国内外高校及科研院所销售超过200台。下一阶段，我们将围绕切片成像模块、单分子探测模块及全内反射模块以及核心部件如高倍率、大数值孔径平场复消色差物镜，荧光滤光片，微分干涉组件等进行深度研发，最终实现预期目标。”毛磊表示。/p

p　　癌症被谓为众病之王，如何预防恶性肿瘤的转移和扩散，一直是临床医学界难题。/pp　　有没有一种技术手段，能够对生物活体进行观察和追踪，让医生从整体上了解疾病发展的进程，及时调整药物和基因治疗方案，从而改变或阻止疾病发展?/pp　　答案是肯定的。/pp　　由宁波永新光学股份有限公司牵头，联合浙江大学、上海理工大学、复旦大学附属中山医院、南京医科大学等共同进行研究和开发的“高分辨荧光显微成像仪”正在为解决这一难题而不懈努力，也正因此，该项目获得了科技部重大科学仪器设备开发重点专项立项。/pp　　“‘高分辨荧光显微成像仪’是以永新公司现有的一代高端倒置荧光显微成像系统主体为基础，开发出一个具有光切片成像、荧光标记与共定位、三维空间还原及动态成像、单分子荧光探测、荧光漂白后恢复等的复杂多功能高端荧光显微成像系统。”公司技术总监、项目负责人毛磊对记者说。/pp　　虽然电子显微镜、原子力显微镜等技术已经实现获得更高的分辨率，但由于不能对活体实时成像，样品制备复杂等原因，光学显微镜仍然是当前生物医学、生命科学以及医学研究等方面的主要观测设备。/pp　　“相比较传统的显微成像技术，这种高分辨荧光成像技术不仅可以实现对活体组织微观结构、各种肿瘤细胞的显微成像，还为细胞组学、基因组学、蛋白组学、肿瘤学等研究提供了强大的技术支撑，是一项在生命科学领域有着不可替代优势的技术。”毛磊说。/pp　　此外，这种技术还可以在活体动物体内进行显微成像，通过对同一组实验对象在不同时间点进行记录，跟踪同一观察目标(标记细胞及基因)的移动及变化，让研究人员直接快速地检测各种癌症模型中肿瘤的生长、转移以及对药物的反应，比传统方法更适合于肿瘤体内生长的定量分析。/pp　　值得一提的是，为了提高光学显微的成像效果，以便从复杂的细胞组织中提取出自己想要的细节，研发团队还采用了荧光标记的方法，在细胞中加入特殊的荧光标记物，这些标记物在特定的光照下，有的发红光，有的发绿光，而且每种荧光标记物都具有一定的选择性，只与细胞中既有的特定分子结合，然后发出荧光。/pp　　“荧光成像大大提高了光学显微成像的对比度，还帮助研发人员分辨细胞中的不同结构。预期项目结题后，3—5年内将可实现累计销售1亿多元，10年内可实现年销售3—5亿元，利税超亿元。该项成果将推动我国高端显微镜的‘跨代式’发展。”毛磊说。/pp　　相关统计显示，2016年全球该类产品市场共有30多亿美元，中国市场大约在16亿元人民币(约占世界市场8%)，年增长率超过30% 而在世界高端显微镜市场，我国显微镜制造企业占比小于1%，具有很大的市场空间。/pp　　“永新已经与三家应用单位共同在遗传/发育生物学、细胞生物学等荧光免疫方面进行了应用开发，其中NIB900、NE900系列研究级显微镜已实现批量生产，并在国内外高校及科研院所销售超过200台。下一阶段，我们将围绕切片成像模块、单分子探测模块及全内反射模块以及核心部件如高倍率、大数值孔径平场复消色差物镜，荧光滤光片，微分干涉组件等进行深度研发，最终实现预期目标。”毛磊表示。/p

日前，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所突破了航天高分辨率高光谱成像关键技术。该技术利用离轴三反非球面光学系统、复合棱镜分光、推扫成像 和指向镜运动补偿技术，有效解决了航天高光谱遥感中高空间分辨率、高光谱分辨率与图像高信噪比之间的矛盾，突破了视场分离、光谱分光、在轨光谱辐射定标等 关键技术瓶颈，为我国航天高分辨率高光谱成像技术的工程化奠定了技术基础。　　长春光机所研究员颜昌翔及其研究团队针对航天高光谱遥感领域的视场分离、光谱分光、图像信噪比、在轨光谱辐射定标等关键技术瓶颈提出了一系 列创新性的解决方法。研究团队采用离轴三反非球面光学系统、单晶硅无基底狭缝的视场分离器和复合棱镜分光加非球面准直成像光谱仪的技术方案，实现了全色、 可见近红外和短波红外三光路准确分离，保证了系统宽波长覆盖，并实现了高光谱和高空间分辨率、高信噪比，保证了光谱成像质量。该团队采用指向镜运动补偿方 案，建立了在轨实时计算指向镜运动补偿曲线的数学模型，实现了实时计算和控制，使探测器接收的光能量增加到4-6倍，显著提高了系统信噪比，解决了高光谱 和高空间分辨率成像的矛盾。同时，该研究团队还采用镀膜的钕镨玻璃加积分球的在轨定标技术，利用指向反射镜自准，实现了全光路光谱和辐射定标。该团队共发 表学术论文85篇，其中EI、SCI收录36篇，并有6项已授权国家发明专利。目前，该技术已获吉林省2013年度科技进步一等奖。　　利用此项技术成果研制的天宫一号高光谱成像仪，为我国首次自主获取航天高分辨率高光谱图像数据提供了技术支撑，填补了国内空白。天宫一号高 光谱成像仪已在轨稳定运行两年半，获取了大量高光谱图像数据，并已应用于油气勘探、矿物探测、林业调查、土地利用/覆盖变化、海岸带资源调查等领域，为国 民经济可持续健康发展规划提供了科学决策依据。　　据悉，此项技术已经在更高性能航天高光谱成像仪的研制工作中得到应用，必将在持续推进我国航天高光谱遥感技术的发展中起到其应有的作用。

像素并不一定越高越好在几乎所有类型的成像产品中，一个很重要的因素就是分辨率。很多人觉得，分辨率越高，成像效果越好，但在某些石油和天然气成像应用场合，选择并不是黑白分明，非此即彼。在选择光学气体成像(OGI)热像仪时，选择较低分辨率成像仪可能实现的性能更佳，效果更好。今天，小菲就来告诉你这是为什么！规格并不说明全部问题石油和天然气运营商使用的许多设备都是在仅关注规格的情况下购买的，其中分辨率被认为是最重要的规格之一（即便不是最重要的）。虽然这种购买方法效率高，极具成本效益，但也很危险，因为FLIR OGI热成像仪的用户可能更关注那些在具体应用环境中对设备性能并不重要的规格。所谓的高规格就是：在字面上看起来很吸引人的规格，而功能则完全不同。功能取决于具体的环境，最主要的是应用领域和预算。分辨率是本次讨论的核心。供应商可能会声称“我们的成像仪分辨率为X，而我们的竞争产品成像仪分辨率则较低。分辨率越高越好，所以我们的产品更具吸引力。” 这种说法是有道理的，它很容易理解，而且几乎被普遍接受。此外，在选择红外(IR)成像仪（非OGI）时，分辨率历来是需要考虑的重要规格。但更高的分辨率并不总是正确的选择。选择成像仪的重要参数OGI成像仪在红外波段工作。因此，很容易陷入过于简单化的选择，因为在大多数红外应用中，为成像仪增加像素会使其表现“更好”，因为您会获得更小的光斑大小比（可测量面积）以获得更精确的测量，并改善图像质量（通过更高分辨率）。但是，有效的光学气体成像（OGI）取决于红外分辨率和气体灵敏度。灵敏度是通过噪音等效浓度长度(NECL)来衡量的，该标准衡量热像仪经过一段特定长度的路径能检测到的在热像仪固有机器噪音之上的气体量大小。想要更好地理解这两个特性如何相互作用，以下几个因素是关键，当然它们本身就是购买成像仪时的重要考量参数：★ 像素大小★ 像素间距★ 热灵敏度★ 气体吸收性1像素大小对于OGI来说，分辨率和NECL不是线性的。事实上，它们是反向关系。如前所述，在非OGI红外成像仪应用中，分辨率越高，成像仪的辐射测量诊断能力越强（即通过解读到达成像仪的红外信号强度，测量目标的表面温度）。随着像素变小，而要测量的对象保持相同的大小，您就会在待测目标上获得更多像素，提高测量的准确性。在同一个管线中，考虑温度测量与OGI：在图1中可以看出，当分辨率较高/像素较小时，单个像素中出现更多的“白色”。如果您对该像素（即颜色）的所有区域进行平均，像素中的白色越多，温度（强度）读数就越准确。这是一个高分辨率具有优势的情况。在OGI应用中，一般希望有更高的分辨率，以寻求更大的泄漏定义（允许标识出更多泄漏细节）或试图定义小的泄漏点。NO.2像素间距相反，在气体检测中，用户通常不关心像素与视野中物体相比的“大小”。气体检测更关心的是到达一个像素的能量数值；您会希望有尽可能多的能量到达该像素。当您向焦平面阵列(FPA)添加更多分辨率（更多像素）时，每个像素的大小（以微米为单位测量，称为“像素间距”，或从一个像素中心到下一个像素中心的空间）通常会变小，以使整个检测器的大小更小。这减少了每个像素所能收集的“能量”数值，使成像仪不太灵敏。一般来说，这两个参数表现相反（如分辨率上升，灵敏度下降）。因此，对于OGI来说，较大像素间距更为理想，因为相比之下它的单个像素能捕获更多的能量。例如，在FLIR制冷型OGI成像仪中，FLIR GFx320成像仪的像素间距为30µm，而FLIR GF620成像仪的像素间距为15µm，使得GFx320比GF620（15mK与20mK）略微敏感。就NECL而言，GF620检测到的甲烷NECL大约是GFx320检测到的两倍。虽然GF620的灵敏度仍然足以满足灵敏度水平的最严格要求，但并不是所有高分辨率OGI成像仪均属于此类情况。就“小泄漏”而言，GF620的高分辨率（640×480与320×240相比；见图2）可以提供一些优势。首先，您可以更清楚地看到泄漏的定义，并有可能了解泄漏的更多细节。您可以将此更高的分辨率因素与成像仪的数字缩放功能相结合，以查看到更清晰的图像，进而查看到更小的泄漏点。NO.3热灵敏度热灵敏度或噪音等效温差(NETD)描述了使用成像仪所能看到的最小温差。这个数字越低，表示红外系统的热灵敏度越好，这一测量通常是在30°C的工业标准温度下进行的。如果要测量的目标通常表现出很大的温度差异，可能不需要低NETD的成像仪。然而，对于更细微的应用，如检测湿度问题，建议提高灵敏度。在许多情况下，OGI只关注“是否有气体存在/泄漏？” 使得NETD的重要性没有像素间距大。NO.4气体吸收性在红外成像仪的光谱范围内，如果气体不吸收能量（无论是否过滤），成像仪都将无法看到气体。换句话说，如果要成像的气体不吸收成像仪光谱范围内的能量，那么红外成像仪的分辨率将不会影响成像仪看到气体的能力。此外，FLIR获得专利的高灵敏度模式(HSM)得到了更多像素的支持，这可能有助于检测较小的泄漏。这一基本的OGI属性因气体的不同而不同。吸收率可以用气体的响应系数(RF)来描述；数值越高，气体的成像效果越好。例如，对于制冷型成像仪而言，丙烷的RF值比甲烷高（约为三倍），因为在使用FLIR OGI红外成像仪观察碳氢化合物和VOCs泄漏时，丙烷在过滤红外光谱区域吸收更多的能量，如（图3）。OGI成像仪的意义虽然高分辨率成像可能不是所有OGI应用中最重要的因素，但它在其他方面可能非常有益。不论是出于常规维护还是遵从法规之目的，负责泄漏检测和维修(LDAR)或负责健康和安全监察(HSE)的员工，可能会经常被要求使用OGI成像仪来寻找需要维修的气体泄漏。利用FLIR成像仪，这些用户能够找到微小的泄漏点，并对已发现的泄漏点进行定性，同时在整个过程中保证人员安全。无论您的分辨率和NECL需求如何，FLIR都可提供相对应的OGI成像仪，以满足需求，包括专门用于检测碳氢化合物和VOCs气体的GFx320、GF320、GF300、G300a和GF620。你在忍受哪种气体泄漏的困扰？想知道你最适合哪款FLIR OGI热像仪？拥有OGI热像仪该如何充分利用？

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。

广州市明美光电技术有限公司创立于2003年，创始人张春旺曾就职于某国际知名显微镜企业，对于光学显微镜的技术和销售都有深刻的了解。怀揣让中国科学仪器自主化的理想，成立了明美光电，“明美”寓意科技让明天更美好。公司创立之初，主要生产显微镜相机和相关配件，这也是业内对明美光电的主要印象。如今，明美光电已是国家高新技术企业，专注于显微成像产品的研发、生产和销售，致力为显微领域的自动化、智能化、国产化贡献力量，曾获国家创新基金扶持，被认定为广东省显微成像工程技术研究中心。明美光电以成为中国显微成像行业领跑者为愿景，强调差异化竞争，聚焦在荧光成像为主的中高端范围。2009年以来，明美光电在国家资助支持下开始攻坚LED荧光显微镜，并在2010-2015年间连续获得高新技术企业认证，陆续推出旗下多款研究级荧光显微镜。本期“创新100 ”特别对话明美光电，带大家了解这家“潜心躬耕十余载，立志光大国产‘器’”的创新光学显微镜企业。张春旺 总经理 广州市明美光电技术有限公司仪器信息网：公司主推的产品及型号是什么，产品/技术可应用于哪些领域，有哪些典型用户，解决了什么样的实际问题？ 张春旺：明美光电聚焦在中高端的荧光显微镜领域，解决细胞生物学等生命科学研究以及FISH荧光原位杂交癌症检测等医疗领域的需要，同时还有应用于高校、疾控、养殖、金相、工业等领域的产品。比如:电动荧光显微镜MF53-N/MF43-N、研究级荧光显微镜MZX81/MF52-N，具有成像质量高、扩展性能强、简单易用的优势；还有数字切片扫描系统，既是研究级荧光显微镜，也是高速自动化切片扫描仪，一机两用，性能强大。数字切片扫描系统在显微镜配套的相机和光源领域，显微镜四大品牌的高端产品依然强势，但受限于成本，很多实验室还会选择一些中低端产品，使用效果或受到一定影响。明美光电的MSH12/MSX11/MSX2/MS60/MC50-S多款高性能CMOS显微镜相机，覆盖高像素和高灵敏度等不同应用需求，让客户以更低成本实现了理想的成像效果。如同田忌赛马，国产“上等马”对进口“中等马”，便可更胜一筹。MG-120/MG-100/MG-200多款LED显微镜光源，可以搭配徕卡DM2500等四大品牌显微镜，除了寿命可达传统汞灯等热光源的数十倍，还能做到即开即用、无需校准，可极大降低实验人员等待光源预热的几十分钟耗时，并显著降低实验室维护荧光显微镜带来的人力成本，对于客户来说极大提升了效率。四通道光源MG-120无论是荧光显微镜，还是相机和光源，明美光电在国内都有很多典型用户。华中科技大学同济医学院生殖健康研究所章慧平教授课题组所发表的论文“Cardiac developmental toxicity and transcriptome analyses of zebrafish(Danio rerio) embryos exposed to Mancozeb”，揭示了代森锌锰(MZ)暴露诱导斑马鱼心脏发育损伤的分子机制，该研究需要用到荧光体视显微镜看斑马鱼和荧光正置显微镜看斑马鱼切片，如果选择进口品牌，预算仅能够购买一台设备，而选择明美光电则可以两台设备备齐。最终课题组使用了明美光电的研究级正置荧光显微镜MF43-N和研究级荧光体视显微镜MZX81，并对明美光电LED荧光显微镜的易用性和荧光效果表示十分满意。此外，北京大学、清华大学、中国科学技术大学、中南大学、中国疾控病毒防控所、广药白云山制药总厂、南京航天科技研究所等都是明美光电的用户。仪器信息网：与国内外同类型产品相比，您认为公司的主要竞争优势有哪些，增长点在哪里？张春旺：明美光电的主要优势在于荧光成像领域，包括LED荧光显微镜、电动荧光显微镜、荧光光源、荧光附件和高灵敏度相机。明美光电已有非常深厚的积累，因而在产品适配度、方案整合度和使用体验等方面更有优势。比如数显荧光模块，我们已经做到了一个模块有三色甚至四色通道，模块自带屏幕显示波段和光强，自带切换机构和无级调节机构，无需外接控制箱和光源灯箱，而许多同行只能做到一个模块单色或者双色，甚至有些像传统荧光光源一样要外接控制箱。此外，明美光电还在电动化、智能化整合上进行创新，已有纳米级高精度XYZ三轴电动荧光显微镜和具备切片自动扫描功能的数字切片扫描系统，性能可比肩进口品牌，且具有更强的价格优势。除了产品实力，明美光电还具有企业实力。作为一家国家高新技术企业，公司连续11年获守合同重信用企业认证，已通过ISO9001管理体系认证，拥有近百个专利、软著，被认定为广东省显微成像工程技术研究中心。在全国20多个城市均设有服务网点，派驻专业工程师为客户提供完善服务，服务信得过。2021年，国家明确要求医院等机构在一定条件下须采购国产显微镜，这说明国产替代进口的进程已经拉开帷幕，未来还将加速，这对国产企业来说是重大的增长点和利好。未来，明美光电将继续强化LED荧光成像方面的优势，推出更加自动化、智能化的产品，以满足更多客户高端的荧光成像需求。如超高分辨率的成像，以往用户主要购买进口的共聚焦显微镜，未来或替换为明美光电新研发的新型超高分辨率荧光成像产品！仪器信息网：请介绍贵公司当前规模，研发人员和研发投入各有多少，与哪些单位之间有合作？张春旺：明美光电当前全职员工近百人，其中约1/4是研发人员，每年研发投入占年利润的30%以上，以MG-100等LED荧光光源产品类目为例，总研发投入已经达到百万级别。此外，我们还与华南师范大学、暨南大学等单位保持紧密合作，是华南师范大学光学工程合作的硕士联合培养基地、广州医科大学生物工程实习基地，联合研发新型超高分辨率显微镜等产品，目前已有成功的工程样机可以进行超高分辨率观察，产品还在完善中。仪器信息网：贵公司下一步在市场和产品方面有何具体计划?张春旺：明美光电将继续集中力量发展LED荧光相关的产品，同时关注细胞生物学相关领域的进展。前者我们有四通道光源MG-120和液冷光源MG-200，效率、寿命和智能化比以往的宽光谱多通道LED荧光光源MG-100有显著提升，且可以高效接入光纤。后者我们近年推出了如活细胞成像仪MCS11、细胞工厂显微镜MI52-CF和多层细胞工厂成像仪MCF400等针对活细胞成像和新型细胞工厂培养皿的产品。目前还有更紧凑而强大的相关产品正在研发中。仪器信息网：如何看待国产科学仪器的发展前景，未来还有哪些机会值得关注？张春旺：随着国家对自主化创新的要求越来越高，国产仪器将会更大范围取代进口仪器，显微镜看似小众，可是应用到很多领域，做好国产显微镜其实是一个艰难的提升过程，我们希望大家一起努力。仪器信息网：企业当前面临的最大困难或挑战是什么，希望借助“创新100”获得怎样的资源或帮助?张春旺：创新需要大量的资金投入、人员的持续努力和企业的厚积薄发。一个LED荧光光源，看似简单，却是明美光电投入数百万资金、花费几十年研发积累打造的。一个内部结构的小细节，看似不起眼，却是我们调研很多用户、理论分析和实践经验总结的成果。现在市场上有很多明美光电的模仿者，参考我们的设计做方案，又不理解内部细节由来，擅自修改并自以为是完善，结果产品出现问题，不仅影响他们自己的品牌，还可能让客户对国产仪器产品产生总体性质疑，对明美光电也是一种伤害。所以我们需要站出来、喊出来，让大家知道，明美光电不只是做显微镜相机，还在LED荧光显微镜领域做了非常多工作，不仅有自己的研究级荧光显微镜，还有帮助客户升级成荧光显微镜的各种产品和方案。我们希望通过“创新100”让客户了解我们的努力，并且收获更高质量的产品和更良好的体验，建立对国产仪器更强的信心。

p 作为质谱领域最具前景的技术之一，质谱成像技术现已经成为仪器厂商、科研院所的重要关注焦点，预测未来市场争夺也将日益激烈。为提升用户对质谱成像技术、应用的了解，促进质谱成像技术的推广应用，仪器信息网邀请科瑞恩特公司对其质谱成像技术、应用等方面进行了讲解。/ppspan style="color: rgb(0, 112, 192) "strong　　1、请介绍一下贵公司的质谱成像系统研发过程，该系统有哪些特点?/strong/span/pp　　TransMIT AP-SMALDI 10超高分辨率质谱成像系统由德国吉森大学世界知名质谱学家Bernhard Spengler教授研制开发。Spengler教授于1994年在芝加哥举行的第42届美国质谱年会(ASMS)上提出了MALDI Ion Imaging和Biological Ion Imaging的概念，即“质谱成像(Mass Spectrometry Imaging)”，并首次把MALDI成像方法用于分析多肽类化合物。/pp　　TransMIT AP-SMALDI 10质谱成像系统搭载Thermo Scientific™ Q Exactive™ 系列质谱仪，实现了超高空间分辨率和超高质量分辨率的完美结合，是一款高端的质谱成像系统。该系统目前能够实现细胞水平的空间成像分辨率，并且集高质量分辨率、高质量精度及串联质谱于一身，为准确、全面的分析质谱成像数据提供了可靠保证。其具体优势如下：/pp　　1)常压到中压的操作环境，极大简化了样品制备的方法，无需昂贵的导电靶板(如ITO导电玻璃)，极大的节约了成本；/pp　　2)能够获得 5 μm的高空间分辨率，全景呈现了分析物在组织中的分布和细微差别，可用于单细胞质谱成像分析；/pp　　3)激光束和离子流的同轴设计解决了高空间分辨率和低采样量之间的矛盾；/pp　　4)具有独立开发的用于高分辨质谱成像的数据分析处理软件；/pp　　5)与Thermo Scientific™ Q Exactive™ 系列质谱仪兼容，实现未知化合物的准确鉴定。/pp style="text-align: center "img title="001.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201801/noimg/34a40d28-94da-4d5c-963a-bdc9ddb678cf.jpg"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong图1 TransMIT AP-SMALDI 10质谱成像系统/strong/span/ppspan style="color: rgb(0, 112, 192) "strong　　2、目前，贵公司质谱成像系统主要应用在哪些方面?应用情况如何?请举例说明。/strong/span/pp　　超高分辨率TransMIT AP-SMALDI 10质谱成像系统问世后，在生命科学领域展示了绝对优势，已经应用于不同组织中多种内源性物质的可视化检测，如脂类、多肽、蛋白质、核酸和糖类等，以及外源性物质检测，如药物及其代谢产物。多项研究成果发表于Nature Methods、Angewandte Chemie International Edition，The Plant Journal， Analytical Chemistry，Analytical and Bioanalytical Chemistry等国际知名期刊上。/ppspan style="color: rgb(0, 112, 192) "　　2.1 应用 TransMIT AP-SMALDI 10研究脂类分子的组织空间特异性分布/span/pp　　脂类代谢异常是引发多种疾病的重要原因，研究脂类分子的组织空间特异性分布对于阐明脂代谢异常疾病的机制具有重要意义。下图2中所示为小鼠膀胱组织内磷脂分子的分布特征。采用高空间分辨率成像能够实现离子成像(图2a)和组织染色(图2b)的完美对接，精准定位不同磷脂分子在组织中的特异性分布。当空间分辨率提升到3μm时，细微的差异得以揭示，如图2d中的膀胱组织肌层(绿色)和上皮层(红色)可明显区分开来。因此同传统染色方法相比，TransMIT AP-SMALDI 10系统可以提供高度特异磷脂分子在不同类型细胞中的分布，获得更为详尽的组织化学信息。/pp style="text-align: center "img title="002.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201801/noimg/e815aafc-dd5e-4c1c-ab7c-9b22673e5df8.jpg"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong图2 应用 TransMIT AP-SMALDI 10研究脂类分子在小鼠膀胱组织中的空间特异性分布/strong/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong(引自：Angewandte chemie international edition, 2010, 49(22): 3834-3838)/strong/span/pp　　span style="color: rgb(0, 112, 192) "2.2 应用TransMIT AP-SMALDI 10研究肿瘤相关生物标记物的组织空间特异性分布/span/pp　　在肿瘤学领域，生物标志物一直是研究热点。作为个体化医疗的“关键词” 之一，其相关研究方兴未艾。质谱成像技术的诞生，为发现肿瘤标志物的组织特异性提供了不可替代的技术手段。TransMIT AP-SMALDI 10系统可以同时提供高空间分辨率和高质量分辨率，为准确捕捉标记物提供了双重保障。以人非小细胞肺癌诱导重症联合免疫缺陷小鼠模型为例，在肿瘤组织的坏死部位发现了少量LPC存在(图3c绿色)，而坏死部位的细胞开始退化，同时出现了脂类的降解产物。因此，可以通过发现未知分子的分布情况，获取肿瘤发生过程中的分子变化特征，以判断肿瘤所处的不同阶段，为肿瘤研究提供更为详尽、精准的判断依据。/pp　　此外，TransMIT AP-SMALDI 10的高质量精度和分辨率为脂类的精确分析提供了保证。当质量窗口为Δm/z=0.1时，健康组织和肿瘤组织无法区分开(图3d)，而当质量窗口为Δm/z=0.01时(图3 e、g、f)，则能把两种组织明确的区分开，获得更为可靠、准确的成像结果。/pp style="text-align: center "img title="003.png" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201801/noimg/377a9cfb-03af-494f-acf2-eefabe5490e1.jpg"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong图3 脑苷脂类和溶血卵磷脂酰胆碱类在小鼠脑组织中的分布，空间分辨率10μm/strong/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong(引自：Histochemistry and cell biology, 2013, 139(6): 759-783)/strong/span/pp　　span style="color: rgb(0, 112, 192) "2.3 应用TransMIT AP-SMALDI 10研究药物分子的组织空间特异性分布/span/pp　　研究药物分子及其代谢产物在动物组织中的空间分布是质谱成像技术的主要应用方向之一。与传统放射自显影方法相比，质谱成像技术的主要优势是能够实现无标记检测和准确区分药物及其代谢产物。以往用于药物成像分析的分辨率普遍较低，不足以检测药物分子在组织中的空间分布。图4所示为应用TransMIT AP-SMALDI 10系统可视化抗肿瘤药物伊马替尼(图4-Ⅰ、4-Ⅱ)和异环磷酰胺(图4-Ⅲ)在小鼠肾脏组织中的分布，获得特异药物分子在组织中的精确定位，为肿瘤的靶向研究提供更为精准的信息。/ppimg title="004.png" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201801/noimg/173df3ae-6f58-40a8-bc67-a132a8468662.jpg"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong图4 Ⅰ 伊马替尼在肾脏组织中的分布，空间分辨率35μm；Ⅱ 伊马替尼在肾脏组织局部分布，空间分辨率10μm；Ⅲ 异环磷酰胺在肾脏组织局部分布，空间分辨率25μm(引自：Analytical and bioanalytical chemistry, 2011, 401(1): 65-73)/strong/span/ppspan style="color: rgb(0, 112, 192) "　　2.4 应用TransMIT AP-SMALDI 10研究植物次生代谢物组织空间特异性分布/span/pp　　毫无疑问天然产物是人类药物开发的宝库。质谱成像技术为天然产物化学家和植物学家提供了新的研究思路和手段。以“国老”甘草为例，其根茎中的黄酮类和皂苷类成分得到了精确的定位。如图5所示，TransMIT AP-SMALDI 10系统的高质量分辨率和质量精度确保了具有相同平均质量、紧密相邻的两个峰能够被分离出合适的选择性离子图像。图5b所示m/z相差0.02098的两个离子呈现出差异性，在甘草根茎中的数量和空间分布截然不同。如采用低质量分辨率质谱成像，甘草酸(m/z 861.36676)和甘草皂苷G2(m/z 861.38721)无法区分开，因此高空间分辨率和高质量分辨率是准确可视化平均质量相同的化合物的可靠保证。/ppimg title="006.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201801/noimg/0384c690-695d-45d6-8363-990e9cc445b5.jpg"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong图5 a 甘草根茎横切面光学成像 b 甘草酸(m/z 861.36676)和甘草皂苷G2(m/z 861.38721)的单像素质谱图及其质谱成像图，空间分辨率30μm c 低分辨率质谱图(引自：The Plant Journal, 2014, 80(1): 161-171)/strong/span/ppspan style="color: rgb(0, 112, 192) "　　2.5 应用TransMIT AP-SMALDI 10研究昆虫内源性代谢物的空间分布/span/pp　　昆虫在“生物圈”扮演着很重要的角色，在很多方面起到传播媒介的作用，但有些昆虫也会对人类产生威胁，能够通过释放毒液或叮咬对人类造成伤害，比如斯氏按蚊能够携带疟原虫引发疟疾的传播。TransMIT AP-SMALDI 10高空间分辨率的特性为体积极小的生物体成像提供了完美的解决方案。如下图6所示，该系统清晰地呈现了脂类物质在斯氏按蚊头部、胸部、腹部的空间分布，为昆虫研究提供了一个全新的技术手段。/pp style="text-align: center "img title="001.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201801/noimg/b1d2fe78-0b77-491b-b6ec-8c1c76726df6.jpg"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong图6 TransMIT AP-SMALDI 10斯氏按蚊质谱成像，空间分辨率 5 μm/strong/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong(引自：Analytical chemistry, 2015, 87(22): 11309-11316 )/strong/span/ppspan style="color: rgb(0, 112, 192) "　　2.6 TransMIT AP-SMALDI 10在单细胞研究中的应用/span/pp　　细胞是组成生命体的基本单元，了解一个细胞中发生的事件对于我们认识生命过程有重要意义。由于细胞的异质性，在群体细胞乃至组织水平上的采样可能已经使得一些重要的分子信息淹没在大量正常细胞中而被遗漏掉了。TransMIT AP-SMALDI 10系统为客户提供了单细胞质谱成像分析方案，能够可视化单细胞中的重要代谢物。如下图7所示，首次实现了单个Hela细胞中多种物质的精确区分和精准定位，为单细胞内研究提供了坚实的技术支撑。/ppimg title="009.png" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201801/noimg/0e758951-5515-4020-ba00-8ed803256d4f.jpg"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong图7 TransMIT AP-SMALDI 10 Hela细胞质谱成像，空间分辨率7μm/strong/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong(引自：Analytical chemistry, 2012, 84(15): 6293-6297)/strong/span/ppspan style="color: rgb(0, 112, 192) "　strong　3、贵公司如何看待质谱成像仪器的技术及市场发展现状，目前有哪些问题亟待解决?/strong/span/pp　　在国际上，质谱成像技术是分析化学领域的一支新生力量，是目前最前沿的表面分析技术之一。因其独特的分析方式，为科研工作者带来了全新的研究视角。近五年，在各大领域将继续大显身手，获得越来越多的青睐和认可。TransMIT AP-SMALDI 10离子源与Obitrap高分辨率质谱仪结合独具特色，兼具高空间分辨率、高质量分辨率和质量精度，以及串联质谱功能，将成为医学研究、药物开发、植物生物学、昆虫学、微生物等领域的重要研究工具。/pp　　未来质谱成像仪的各项性能都会继续得到提升，最受关注的依然是空间分辨率的提升，定量方法的开发以及便捷准确的数据处理方法。/pp　span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong　4、质谱成像仪器需求情况如何?贵公司质谱成像仪器推广做了哪些工作?/strong/span/pp　　预测质谱成像仪在我国的需求量将呈现快速增长的态势，成为各大科研院所的必备科研设备。我公司在产品推广上主要以参加学术会议和讲座为主，比如中国质谱学会学术年会和生物学术年会。到目前为止，我们先后在中科院微生物所、中科院高能物理所、第二军医大学、中科院上海植物生理生态所开展了系列学术讲座，向科研工作者介绍TransMIT AP-SMALDI 10质谱成像仪的原理和应用，收到了很多的关注和好评。/pp　　未来，我公司会逐步加大推广力度，为科研工作者提供切实可靠的质谱成像整体解决方案，相信TransMIT AP-SMALDI 10能够为我国研究人员带来意想不到的效果。/pp　　本文由TransMIT国内授权代理商科瑞恩特(北京)科技有限公司(Create (Beijing) Technology Co., Limited)提供。/ppspan style="color: rgb(0, 112, 192) "strong　　参考文献：/strong/span/pp　　1、Kompauer M, Heiles S, Spengler B. Atmospheric pressure MALDI mass spectrometry imaging of tissues and cells at 1.4-[mu] m lateral resolution[J]. Nature methods, 2017, 14(1): 90-96./pp　　2、Kompauer M, Heiles S, Spengler B. Autofocusing MALDI mass spectrometry imaging of tissue sections and 3D chemical topography of nonflat surfaces[J].Nature methods, 2017, 14(12): 1156./pp　　3、Khalil S M, Rompp A, Pretzel J, et al. Phospholipid topography of whole-body sections of the anopheles stephensi mosquito, characterized by high-resolution atmospheric-pressure scanning microprobe matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging[J]. Analytical chemistry, 2015, 87(22): 11309-11316./pp　　4、Li B, Bhandari D R, Janfelt C, et al. Natural products in Glycyrrhiza glabra (licorice) rhizome imaged at the cellular level by atmospheric pressure matrix‐assisted laser desorption/ionization tandem mass spectrometry imaging[J]. The Plant Journal, 2014, 80(1): 161-171./pp　　5、Rompp A, Spengler B. Mass spectrometry imaging with high resolution in mass and space[J]. Histochemistry and cell biology, 2013, 139(6): 759-783./pp　　6、Schober Y, Guenther S, Spengler B, et al. Single cell matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging[J]. Analytical chemistry, 2012, 84(15): 6293-6297./pp　　7、Rompp A, Guenther S, Takats Z, et al. Mass spectrometry imaging with high resolution in mass and space (HR2 MSI) for reliable investigation of drug compound distributions on the cellular level[J]. Analytical and bioanalytical chemistry, 2011, 401(1): 65-73./pp　　8、Rompp A, Guenther S, Schober Y, et al. Histology by mass spectrometry: label‐free tissue characterization obtained from high‐accuracy bioanalytical imaging[J]. Angewandte chemie international edition, 2010, 49(22): 3834-3838./p

人类真皮成纤维细胞是皮肤的细胞成分，由于它们的动态细胞特性而表现出细胞间表型异质性。因此，单个真皮成纤维细胞可以有不同的细胞特性，负责伤口修复、纤维化或细胞外基质的重塑。脂质代谢在具有不同表型的成纤维细胞中是否存在不同的形态，以及脂质成分是否参与成纤维细胞亚型的建立尚不清楚。　　2022年4月，洛桑联邦理工学院的Laura Capolupo等人在Science上发表了题为“Sphingolipids control dermal fibroblast heterogeneity”的研究成果，通过空间分辨代谢组学和单细胞转录组学研究方法，通过研究单个细胞的脂质组成，揭示了鞘脂在成纤维细胞状态确定中的驱动作用。研究背景　　外部信号(例如激素、细胞因子和生长因子)和细胞自主特性(例如单个细胞的转录和代谢状态)共同决定细胞命运的决定。尽管在数十年的深入研究中，外部信号的作用方式已经得到了广泛的详细说明，但细胞自主对命运决定的分子基础仍难以捉摸。脂质参与能量代谢，负责生物膜的组装，充当信号分子，并与蛋白质相互作用以影响其功能和细胞内分布。脂质组成因细胞类型而异，并在分化事件中重新编程。然而，脂质组重塑是否以及如何帮助改变细胞特性尚不清楚。　　研究思路　　研究结果　　1. 通过空间代谢组学揭示脂质异质性的组织原理，单细胞分析显示脂质协同调节　　图1和图2展示了研究人员首先对原代真皮人成纤维细胞 (dHF) 进行了空间代谢组学解析，结合电喷雾电离液相色谱-质谱(ESI-LC/MS)和基于多反应监测(MRM)的脂质组学分析，发现dHF 中存在两个共存的脂质变异轴。一个轴与细胞内组织有关，另一个轴与脂质相关的细胞间异质性有关，其中鞘脂途径受到高细胞间变异性的影响。随后的单细胞脂质组根据脂质组成对细胞进行分组，产生了不同的细胞簇。当考虑鞘脂的水平时，某些鞘脂在特定的细胞簇中富集，表明 dHF 以不同的鞘脂代谢状态存在。　　研究人员随后用可识别不同鞘脂头部基团的荧光标记的细菌毒素对细胞进行染色，验证了这一结果，发现dHF 以亚稳态鞘脂代谢配置存在，与给定的表型状态相对应，并在细胞世代中持续存在，研究人员将这些脂质代谢状态称为lipotypes。　　图1 | dHFs的单离子空间代谢组学分析　　(A)空间代谢组学检测方法示意图　　(B)正离子模式检测的部分脂质成像图　　(C)每个像素的PCA坐标显示　　(D)前10种脂质的贡献度展示　　图2 | 单细胞脂质组学分析　　(A)空间代谢组数据单细胞分析方法示意图　　(B)显示通过257个细胞计算的脂质CV的条形图　　(C)脂质协变网络　　(D)单细胞脂质组学数据的t-SNE图　　(E)鞘脂染色t-SNE分布图　　(F)鞘脂前体和负责鞘脂的成像图　　2. 单细胞转录组测序对细胞类型进行分类并对应不同脂型结合分析　　研究人员接着对dHF 进行了单细胞 RNA 测序 (scRNA-seq)，并将转录组定义的亚型与鞘脂定义的亚型联系起来，发现特定的lipotypes与普遍的细胞状态有关，表明lipotypes是 dHF 细胞状态的标志物。此外，dHF lipotypes还反映在不同真皮区域的成纤维细胞亚型上，如真皮较深区域的网状成纤维细胞与较浅区域的乳头状成纤维细胞会呈现差异化的lipotypes，且与皮肤癌的相关性不同。由此，lipotypes可以在体内标记特定的 dHF 群体。　　图3 | 脂肪类型映射到转录细胞的状态　　(A)通过指定聚类对5652个单独DHF的scRNA序列进行UMAP嵌入分析　　(B)聚类标记基因的基因表达点图　　(C)A中单个dHF细胞的扩散图，突出了不同细胞状态之间转录变异轴　　(D)DHF的sRNA序列数据PAGA轨迹分析图　　(E)每个FACS分类的脂肪型群体的富集基因的平均基因表达热图　　(F)不同的脂型基因特征分数UMAP图　　(G)不同簇细胞的平均脂型z分数点图　　(H)ShTxB2e+、ShTxB1a/2e+、ChTxB+和triple+的PAGA轨迹分析图　　(I)成纤维细胞(ACTA2)和基底细胞(LMNA)的两种典型标记物的UMAP图　　(J)几种染色细胞的共焦显微照片　　3. 鞘脂扰动对细胞状态的影响　　研究人员最后探究了鞘脂扰动对细胞状态的影响，发现lipotypes异质性通过使原本相同的细胞对细胞外刺激的反应多样化来影响细胞特性，并且操纵鞘脂组成足以将细胞重新编程为不同的表型状态。此外，鞘脂还能整合到参与细胞状态确定的调节回路中，这些回路解释了代谢和转录成纤维细胞的异质性。具体来说，研究人员观察到鞘脂调节成纤维细胞生长因子2 (FGF2) 的信号传导，其中globo系列鞘脂Gb3/Gb4 充当正调节剂，而神经节苷脂GM1 充当负调节剂。反过来，FGF2 信号通过维持导致Gb3/Gb4 产生的替代代谢途径来抵消 GM1 的产生。　　图4 | 鞘脂扰动对FGF信号的影响　　相关讨论　　该研究通过将高分辨率质谱成像与单细胞转录组学相结合，测量了单个人类真皮成纤维细胞的脂质组和转录组，发现特定脂质代谢途径的细胞间变化有助于建立参与皮肤结构组织的细胞状态如图5所示。这为细胞间异质脂质代谢在多细胞系统的自组织中发挥指导作用提供了证据。图5 |鞘脂控制真皮成纤维细胞异质性

一、项目基本情况项目编号：ZCZB-2307-ZH080项目名称：华中农业大学超高分辨率激光共聚焦显微成像系统等设备购置项目（产教融合第三批）预算金额：810.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：810.0000000 万元（人民币）采购需求：01包：超高分辨率激光共聚焦显微成像系统，详见附表；02包：荧光定量PCR仪（384通道），详见附表；03包：超高速冷冻离心机，详见附表；04包：全自动细胞计数仪等设备，详见附表。合同履行期限：1.交货期：详见附表2.质保期：详见附表3.质量目标：全新合格产品本项目( 不接受 )联合体投标。二、获取招标文件时间：2023年07月16日 至 2023年07月21日，每天上午9:00至12:00，下午14:00至17:00。（北京时间，法定节假日除外）地点：湖北嘉汇志诚招标咨询有限公司官网（网址：www.zczbzx.com）方式：凡有意参加本项目的潜在供应商，通过互联网在“湖北嘉汇志诚招标咨询有限公司官网”（网址：www.zczbzx.com）进行投标人/供应商注册。完成注册后，通过“投标人/供应商登录”（网址：https://cloud.zczbzx.com/tender/login.html），明确所投项目及项目包段，通过网上下载获取招标文件。咨询电话027-86652085-801；系统技术服务QQ为263482602售价：￥1600.0 元，本公告包含的招标文件售价总和三、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：华中农业大学　　　　　地址：武汉市洪山区狮子山街1号　　　　　　　　联系方式：许老师、027-87282631　　　　　　2.采购代理机构信息名 称：湖北嘉汇志诚招标咨询有限公司　　　　　　　　　　　　地　址：武汉市武昌区和平大道513号绿地铭创大厦2005室　　　　　　　　　　　　联系方式：陶丹、高雅、廖寿杰 027-86652085-801　　　　　　　　　　　　3.项目联系方式项目联系人：陶丹、高雅、廖寿杰电　话：　　027-86652085-801

荧光显微成像技术对人们理解神经科学起了非常关键的作用。而最近一些年出现的各种超分辨显微成像技术和专门的荧光探针能够以超过以往普通光学显微镜的分辨率直接观察神经元亚细胞结构和蛋白质排列。并以直观可视方式揭示了神经细胞骨架组成、分布、运动和膜蛋白信号传导、突触下结构和功能，以及神经元−胶质细胞相互作用。同时超高分辨显微成像技术（Super Resolution,SR,下文中出现SR均指超高分辨率显微成像技术）对于许多自身免疫和神经退行性疾病模型中的分子靶点研究也提供了全新的强大工具。今年春，Werner等科学家在美国化学学会会刊（ACS)上最新发表了一篇综述，比较详实系统介绍了超高分辨率显微技术在神经科学上的最新应用进展。我们在此文基础上进行了编译整理。因文章较长，分四期介绍。本期为第三部分内容。5.3. 突触后室突触受体位于突触后室，负责传递来自突触前末端的信号。它包含支架蛋白--负责锚定突触后受体的专门用于信号整合的信号分子。在神经元树突中，从主要树突轴起源并突起的小体积树突棘提供分区功能，并根据突触活动和发育阶段显示大小和形状的动态变化。树突棘是突触长时程增强（LTP）的结构相关物，因此与学习和记忆有关。要想准确观察树突棘的小尺寸、不同形状和动力学，一般要求采用超过衍射极限的分辨率并有可能进行活体成像的光学显微镜方法。第一个将活细胞SMLM应用于原代神经元的研究之一是使用碳菁染料（如Dil）可视化脊髓和丝状足。对于突触后膜结构的可视化，已经发现了一个新的膜标记试剂系列，该系列可实现神经元追踪和树突棘的可视化。最近，通过快速SIM和增强共聚焦显微成像研究了树突棘上微小突起（称为小刺）的动力学。通过将SIM成像与计算方法相结合，进一步评估了树突棘的几何结构，证实凹面对于棘结构稳定的重要性。在树突棘中，F-肌动蛋白高度定位富集在突触后密度区（PSD）和树突棘膜上。肌动蛋白的分子速度升高已让其扩散到除棘尖外整个棘的亚区。为了分析脊髓中肌动蛋白的动力学，我们设计了一种低亲和力的光转换肌动蛋白探针，并利用像差校正光学系统对活体脑切片动力学进行了表征。通过STED显微镜观察对phalloidin-ATTO647N标记的原代神经元，可以在树突棘颈和丝状棘中观察到F-肌动蛋白的周期性片段。同年，STORM成像也显示树突棘颈和丝状棘中存在以肌动蛋白为基础的周期性膜骨架。在树突棘中，分支的F-肌动蛋白在PSD附近聚集，而延伸仅限于指状突起的尖端，并为棘突提供了基础。通过基于监督学习的模式识别进行图像分割，可以对树突肌动蛋白组成异质性做自动分析。用SMLM也对树突F-肌动蛋白进行了同样的分析，并使用树突铂复原电镜进行了验证。使用STED显微镜在活体小鼠脑切片海马CA1神经元上进行延时拍照并结合FRAP及电生理学检查，证明在神经递质释放诱导的长时程增强（LTP)时树突棘颈部具有可塑性（宽度增加并长度减少）。使用正置STED显微镜实现了活体小鼠树突棘动力学的首次超高分辨率成像。在这里Thy1 EYFP小鼠体感皮层中的树突棘在其头部和颈部表现出形态可塑性。另外使用双光子STED成像对活体小鼠的海马树突棘动力学进行了研究，树突棘密度与早期报告相比高出2倍，并能测算几天内的树突棘蛋白周转率（图10）。图10 体内长时程双光子STED成像--海马CA1锥体神经元树突棘蛋白周转。左上图：使用长工作距离物镜的实验方法和CA1锥体神经元的双光子整体图像。右上图：传统的双光子成像与双光子STED成像的比较，显示了总体上更高的棘突密度和更详细的形态，特别是在轴和棘突中。空的箭头标志着常规双光子成像不能显示的棘突，而填充的箭头表示双光子STED报告的棘突数量更多、形态更复杂。底部图像：在海马CA1区基底树突的一个选定区域内，连续几天（第0天、第2天和第4天）成像的树突棘周转。树突棘被连续编号。AB=接近树突的轴突（缩回的棘突用红色标记；新的棘突用绿色标记）。转载自原文参考文献 273。此外，sptPALM揭示了富集在突触棘的突触后激酶CaMKII的空间和动力学亚群，该激酶介导钙依赖性可塑性机制。这些动力学似乎由棘肌动蛋白调节，因为Latrunculin A导致棘内CaMKII扩散显著改变。在PSD内的棘头，一个密集的蛋白质复合物含有不同的突触后支架蛋白，如PSD-95、homer1和shank3，它们排列在大小为∼80纳米的亚突触域中。根据不同的突触类型，PSD-95被动态组织为单个单元或多个纳米簇的形式。STED显微镜揭示了突触后支架蛋白负责将离子受体锚定到突触后膜上，SMLM观察到的活体原代神经元也是一样。在这里，活细胞单分子成像结合定量分析揭示了含有GluA2的AMPA-Rs（优先聚集在突触下的PSD-95簇中）的稳态调节。而PSD-95的uPAINT成像和AMPA-Rs的spt PALM报告在70 nm大小的PSD-95纳米域内平均聚集了20个AMPA-Rs，进一步证实了上面提到的这个发现。AMPA-Rs形成纳米颗粒，并能在几分钟内动态改变其大小和形状。与突触可塑性匹配的是：动态变化是通过突触内和突触外隔室之间的AMPA-Rs在时间维度交换，通过横向扩散来实现的。这些过程通过以微球标记抗体为靶点的内源性受体的单分子追踪实验得到证实。受体运动的类型被认为是布朗扩散，与突触后元件发生短暂的、低亲和力的相互作用。单分子追踪实验中使用Atto 647N修饰的抗体揭示了谷氨酸诱导的脱敏AMPA-Rs的侧向扩散增加导致的短期可塑性。AMPA-Rs的侧向扩散也与突触的短时程增强和长时程增强（分别为STP和LTP）有关。例如，已经证明，为了从突触抑制中恢复，脱敏受体通过侧向扩散被功能受体替换。此外，追踪实验表明，在CaMKII激活诱导LTP后，AMPA-Rs扩散到突触部位。这一过程由钙浓度升高触发，它导致CaMKII介导的stargazin（它与PSD-95一起能够调节AMPA-R的迁移率）磷酸化。进一步的研究报道，AMPA-Rs的交联导致膜上受体制动，它阻止了成功的LTP诱导。这一机制也可能导致由AMPA的致病性抗体介导的自身免疫性CNS疾病的病理生理学。与NMDA-R和mGluR5代谢受体的GluN1亚单位相比，AMPA-Rs的纳米级结构以不同的簇大小为特征。令人惊讶的是，突触前mGluR5受体表现出更均匀的分布，没有聚集行为。通过一种新的基于敲入的基因组编辑方法观察到，代表NMDA-R总库的内源性GluN1亚单位受体被证明聚集在一个由单个受体包围的主要单簇中。在关注NMDA-R细分的NR2A和NR2B亚型时，SMLM表明，在突触发育过程中，这些亚型被分割成纳米结构域，并根据其突触比率进行重塑。关于谷氨酸受体的活动性，单分子追踪实验揭示，神经元活动优先影响AMPA-R的活动性，而NMDA-R的活动是由蛋白激酶C活动触发的，而不是由钾升高触发的。此外，dSTORM成像表明，不同的NR2亚单位定位于不同的纳米结构域，这些纳米结构域在神经元发育过程中表现出灵活性。根据NR2A和NR2B的纳米结构，LTP的表达可以双向调节。kainate受体的单分子追踪实验也表明，突触捕获紧随着突触活性增加后发生。这里，突触激活导致的kainate受体与突触β-连环蛋白/N-钙粘蛋白复合物结合，形成短期可塑性。作为抑制性突触的对应物，gephyrin是将GABAA（GABA-a R）或甘氨酸受体（GlyR）并入突触后膜所必需的关键锚定分子。通过对突触中gephyrin分子的PALM/dSTORM成像发现：抑制性PSD（iPSD）体积为0.01至0.1μm3，并且每个iPSD中有200−250个gephyrin分子。单分子成像进一步揭示了gephyrin分子与受体结合位点的化学计量比约为1:1.96。类似于兴奋性突触，抑制性PSD（IPSD）根据突触活动动态调节其大小。通过NMDA-R激活形成的抑制性突触LTP加剧突触gephyrin积累，从而以CaMKII依赖的方式增加GABA-AR聚集，从而诱导GABA能突触后电流的增强。相反，抑制gephyrin向突触区的募集导致GABA-AR迁移率降低，并阻止iLTP的诱导。iLTP诱导后，gephyrin片段化为纳米结构域。gephyrin的重组降低了抑制性突触后电流的振幅变异性，证明了GABA-AR准确定位对于iLTP的真正表达非常重要。有趣的是，单粒子追踪显示，脱敏的GABA-AR甚至可以通过侧向扩散在并列的GABA能突触之间交换，为控制GABA能电流提供了另一种机制。此外，为了阐明多巴胺能突触的超微结构布局，dSTORM成像将多巴胺转运体映射到胆固醇依赖性纳米结构域，从而为更好地理解多巴胺能神经传递的病理生理过程奠定基础。5.4.亚突触结构域中的跨突触排列早期电生理学实验中已经发现，突触强度取决于突触前融合位点和突触后受体组织之间的空间关系，突触释放由释放位点的数量，突触小泡的释放概率，以及受体提供的突触后基本反应来决定。首先观测到的亚结构域的跨突触组织是突触粘附分子SynCAM 1位于边缘，EphB2位于PSD的中央。SynCam1在PSD中形成突触下云，可被长期抑郁症模式重塑。SMLM观察链霉亲和素的新单体变体（设计用于减少突触区域的交联和空间位阻），表明跨突触伙伴神经肽原1和神经纤维素1ß在突触处扩散受阻，形成相反的簇。这项研究还表明，另一种粘附分子LRRTM2的流动性不如神经肽1，并形成更密集、更稳定的簇。最近揭示了兴奋性突触上活性区的细胞基质和突触后受体支架的跨突触排列，它与提供高保真突触传递的靶向神经递质释放有关。在这里，释放位点定位是通过一种基于融合到突触囊泡蛋白Vglut1的pHluorin标记和RIM1/2纳米簇的超分辨检测的新方法实现的。多色3D定位显微镜显示RIM1/2和突触后PSD-95形成相反的纳米簇。LTP诱导导致PSD-95密度断裂增加，同时增强了纳米柱的排列，而LTD导致突触后柱的紊乱。突触前和突触后关键分子的这种纳米级排列主要由于neuroligin 1。此外，在应用STED显微镜的实时成像实验中，已经报道了树突棘体积增加和排列的纳米模块数量之间的紧密相关性。还报道了抑制性突触的亚突触结构域的纳米级排列。在这里，STED和SIM阐明了gephyrin和GABA-AR突触前亚区域的紧密联系。此外，突触后GABA-A 受体云显示与突触前边缘结构域结合（图11）。在小鼠神经肌肉连接处，带连接褶开口的突触后乙酰胆碱受体和突触前活动区的排列已通过应用SIM成像可视化。图11. 抑制性突触上的突触亚结构域。突触前的RIM元素与突触后的gephyrin支架分子以及抑制性突触的GABA-A R的突触下结构域的排列。PSD的体积和突触下域的数量随着活动相关的突触大小的变化而变化。转载自原文参考文献302。5.5. 三联突触星形胶质细胞是神经传递的基本调节者，神经元突触周围突触前星形细胞突起（PAPs）的吞噬产生了三联突触这一术语。PAPs能够通过传递调节分子来改变和控制突触的传递。通过dSTORM重建星形细胞突起，可以通过标记胶质酸性纤维蛋白（GFAP）和谷氨酰胺合成酶和S100b的成像来实现星形细胞的纳米级可视化。最近的一份报告应用ExM来观察脑片中突触周围的星形胶质细胞谷氨酸转运体显示，在与这些棘附近的GLT-1水平较高有关的较大的神经元树突棘中，谷氨酸的摄取效率降低（图12）。图12. 海马大脑切片中CA 1锥体神经元周围的星形细胞突起。锥体神经元的树突在Thy1-YFP小鼠系标记（绿色）；星形胶质细胞则是在海马脑片上的GLT-1免疫染色显示（红色）。蓝色信号代表树突区和星形细胞突起的共同定位。更高的放大率插图见右图。左下：大棘和小棘的分类。底部中间和右侧：GLT-1和神经元YFP的共定位像素的量化。请注意右图树突棘体积归一化后的变化；红点表示平均数和SEM，p = 0.0220 (绝对GLT-1覆盖率），p = 0.00223（相对GLT-1覆盖率）。转载自原文参考文献307。EM和STORM发现，PAPs也配备了局部翻译位点，以避免星形细胞体细胞中合成的蛋白质的长距离运输路线。最近在器官型切片中进行的3D STED显微镜研究揭示了星形细胞钙信号的结构前提。在星形细胞内检测到了海绵状结构，它包含了接近突触部位的节点和轴。钙离子瞬变的共聚焦成像与星形细胞结构的STED显微镜相结合，显示自发的钙离子瞬变紧密地映射到这些结点。因此，这些结点被认为是类似于树突棘的空间分隔作用。胶质传导物质的外渗需要提供胶质囊泡。通过将电容测量与葡聚糖摄取后星形胶质细胞内的囊泡的SIM图像相关联，发现了外吞和内吞之间的Dynamin依赖性膜中间物。通过STED显微镜和SIM分析单个胶质小泡的特征，在星形胶质细胞中有两个小泡群，其大小和融合能力不同。Phluorin实验结合SIM确定星形胶质细胞囊泡上Syb2分子的拷贝数为25∼。此外，应用STED和TIRF显微镜对培养的星形胶质细胞中的VAMP3阳性囊泡进行了单囊水平的分析。测量结果显示VAMP3覆盖的囊泡大小约为80纳米，并提供证据表明这些囊泡参与了钙依赖性的囊泡循环。SIM成像还可以发现，突触蛋白中一种已知的参与神经元外排的v-SNARE蛋白，也普遍存在并组织在单个星形胶质细胞的囊泡上，以实现高效的外排。星形胶质细胞还通过回收proBDNF到BDNF参与促进兴奋性LTP。这里，SIM成像显示，proBDNF在体细胞区域位于囊泡大小的集群中，而沿星形胶质细胞末梢的点状模式占主导地位，以扩大BDNF对记忆的作用。为了最大限度地减少激发光的散射，通过应用被动CLARITY进行组织透明化和多光子显微镜，改善了组织深处的星形细胞成像。通过使用SiR-actin和SiR-tublulin探针的STED显微镜和原子力显微镜（AFM）的相关方法来测量膜的拓扑结构和硬度，将星形细胞的细胞骨架和膜的生物物理特性联系起来。（未完待续）本文由超高显微技术应用工程师郭连峰、黄梓彤编译（受篇幅限制，未将参考文献列出）相关阅读：超高分辨率显微技术在神经科学中的应用（一）超高分辨率显微技术在神经科学中的应用（二）

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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4D前沿技术原位动态听客户说 CUSTOMER唯一一款适合实验室的动态显微CT揭秘革命性X射线显微CT显微CT，是现有的唯一一种能够对样品的内部结构和成分进行成像的显微镜方法。如今，显微 CT 的无损成像技术可以随着时间的变化跟踪记录样品的动态行为，时间就是第四维，这是最新的时间分辨显微CT（4D CT）。尽管4D CT向科学界展示了一种全新的研究方法，能够以微米级分辨率从内到外跟踪样品的变化过程，但该方法仍有一些局限性：实验室中的传统显微CT 是一种相对较慢的成像方法。在CT 360度旋转扫描过程中，采集的时间需要快于样品内部发生变化的时间，否则重建出的三维结果会有运动伪影，这意味着传统实验室中的时间分辨 CT 只能用于跟踪监测非常缓慢的过程，例如金属腐蚀，蠕变过程或缓慢结晶现象。在破坏性实验情况下，例如压缩实验，这类实验需要在不同阶段停止，以便进行准静态成像，传统时间分辨CT无法跟踪快速和不间断的变化过程。如今，最快速的解决方案是用同步加速器显微CT，它的时间分辨率远小于每秒一圈。然而，它们的可用范围相当有限、运行成本也十分昂贵。相对以上2种方案，动态显微 CT 解决方案DynaTOM，适用范围更广，性价比更高，目前，是市场上唯一一款介于传统实验室显微 CT 和同步加速器显微 CT 之间的桥梁。DynaTOM动态显微CT不仅具有高读取速度且高功率的 X 射线源和探测器，能够在几秒钟内采集完整的 3D 断层图像。更重要的是可实现样品或射线源-探测器的连续、无限旋转。解决哪些痛点FEATURES终于可实现不间断的3D原位实验的CT系统达到低至0.6微米的空间分辨率能构建出完整的层析图像，以秒为单位终于将实验室的显微CT时间分辨率极限降低到几秒钟应用场景 APPLICATION已经被成功应用于：一、作为验证计算模型的工具动态 CT 被用作数值模型的验证工具，预测和模拟泡沫金属的机械性能。这些泡沫金属是我们日常生活中存在的许多物体和材料的关键材料。它们在轻型车辆中使用但不会影响强度（航空航天、汽车），也可用于减振（作汽车的车前防撞缓冲区）。然而，表征这些泡沫金属并非易事，因为它们是不透明的、复杂的3D 结构。传统的机械测试只能从宏观角度测试材料性能，无法完全了解微观细节。因此，通常将数值建模作为一种新的工具来模拟实验和预测泡沫金属的应力应变行为。但到目前为止，还没有真正的方法可以验证这些数值模型的结果，因此引入了动态显微CT 来评估泡沫金属压缩模拟结果的有效性。（泡沫支柱的屈曲在实验（左）和模拟（右）中展现）二、作为量化药片快速结构变化的工具动态 CT 用于更好地了解药物固体剂型（片剂或胶囊）的溶解过程。剂型是控制患者的活性药物成分的主要形式，通常由压实的粉末和添加的赋形剂组成。为了将活性药物成分输送给患者，压实的片剂需要机械破碎成更小的颗粒。而辅料的混合是必不可少的，因为它可以控制药物在体内的释放过程并确保产品的品质。因此，固体剂型是在不同长度尺度上具有高度异质性的复杂结构。大多数了解片剂溶解行为的定量研究都是基于测量整个片剂或单个颗粒的体积增加。通常，体积增加是由于产品与水接触时的溶胀机制。可以通过液滴方法或直接通过毛细管吸收来添加水，并且通常可以直观地记录体积变化。然而，为了同时研究水在片剂内部的渗透、崩解和溶胀，需要以非破坏性和全 3D 方式可视化该过程。（动态实验在时间轴上的三个不同阶段。水锋在平板电脑上移动得非常快；吸水后，样品中存在大的裂缝和空隙，并且观察到体积增加。）三、更多应用实例，请搜索bilibili视频号：TESCAN中国实验室中的动态显微 CT 是时间分辨、无损成像的新前沿。在实验室显微 CT 系统上快速、不间断地成像的能力为先进材料开辟了新的评估方法，并使工程师能够通过原位实验验证或纠正材料行为。结合使用专业解决方案的数值模型，这种新的分析方法将显着提高新材料和设备的开发速度，同时降低其开发成本。(以上文章已被科技界4大杂志巨头之一Wiley旗下的Wiley Analytical Science收录。具体应用内容请关注下一期“前沿分享”） 敬请期待下一期...

磁畴是铁磁体材料在自发磁化的过程中，为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域。它的研究可将材料的基本物理性质、宏观性质和应用联系起来。近年来，由于材料的日益完善和器件的小型化，人们对磁畴分析的兴趣与日俱增。目前市面上主要的磁畴观测设备有磁光克尔显微镜、磁力显微镜、洛伦兹电镜、以及近兴起的NV色心超分辨磁学显微镜等，其中，磁光克尔显微镜可以灵活的结合外加磁场、电流及温度环境等来对材料进行面内、面外的动态磁畴观测，成为目前常用的磁畴观测设备，可用于多种磁性材料的研究，如铁磁或亚铁磁薄膜、钕铁硼等硬磁材料、硅钢等软磁材料。 2020年11月，Quantum Design中国与致真精密仪器（青岛）有限公司签署了中国区战略合作协议，合作推出多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统。通过此次战略合作，Quantum Design中国希望能够为磁学及自旋电子学等领域的研究提供更多的可能。图1 多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统 多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统由北京航空航天大学集成电路学院张学莹老师带领团队，根据多年的磁畴动力学实验技巧积累和新的磁学及自旋电子学领域的热点课题研究需求研发。它采用先进的点阵LED光源技术，能够在不切换机械结构的情况下，同时进行向和纵向克尔成像，不仅能同时检测样品垂直方向和面内方向的磁性，成像分辨率还能够达到270 nm，逼近光学衍射限。与传统的磁光克尔显微镜相比，多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统配置了多功能磁铁探针台，能够在保证450 nm高分辨率的前提下，向被测样品同时施加面磁场、垂直磁场、电流和微波信号。 此外，多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统拥有专门的智能控制系统，用户界面友好，无需复杂设置，一键触发既能实现多维度磁场、电学信号与克尔图像的同步操控。该系统的另一亮点是配置了反应速度高达1 μs的超快磁场，为微米器件中磁畴的产生、磁畴的高速运动捕捉等提供了可能。 张学莹老师师从北航赵巍胜教授和法国巴黎萨克雷大学Nicolas Vernier教授，从2015年开始研究磁光克尔成像技术和磁畴动力学，其有关磁性材料性质的论文获得北京航空航天大学博士学位论文。经过3年潜心研究，该团队于2018年完成了台克尔显微镜样机的集成，并创立致真精密仪器（青岛）有限公司。至2020年初，在北航青岛研究院和北航集成电路学院经过两轮迭代和打磨，已经完成了产品的稳定性验证，目前，该设备已经被清华大学、中科院物理所、北京工业大学等多家单位采购。 产品磁畴成像照片案例图2 CoFeB(1.3 nm)/W(0.2)/CoFeB(0.5)薄膜中的迷宫畴图3 斯格明子磁畴观测 多重信号的叠加，能够满足客户多种前沿课题的实验需求面内磁场和垂直磁场的叠加可以进行Dzyaloshinskii-Moriya作用（DMI）的测试[1,2]图4 样品Pt(4 nm)/Co(1 nm)/MgO(t nm)/Pt(4 nm)DMI作用测量[1] 自旋轨道矩（spin-orbit torque,简称SOT）是近年来发展起来的新一代电流驱动磁化翻转技术，如何更好的表征SOT翻转，在当今自旋电子学领域具有重要的理论和应用价值。 多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统配置的面内磁场和电学测试系统，不但可以实现这个过程的电学测试，还可以利用相机与信号采集卡同步的功能，逐点解析翻转曲线对应的磁畴状态 [3,4]。图5 面内磁场和电流的叠加用于sot驱动的磁性变化过程研究 在某些材料中，无法观测到纯电流驱动的磁畴壁运动。这时，可以利用多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统微秒别的超快磁场脉冲与电流同步，观测垂直磁场与电流共同驱动的畴壁运动，从而解析多种物理效应，如重金属/ 铁磁体系的自旋化率由于自旋散射降低的效应 [5]。图6 垂直磁场和电流的叠加可用于观测单磁场或者电流无法驱动的磁性动力学过程 克尔成像下磁场和微波的叠加则能够为自旋波和磁畴壁的相互作用研究提供可能 [6]。图7 自旋波驱动的磁畴壁运动[6] 多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统还可进行多种磁性参数的微区测量局部饱和磁化强度Ms表征[7]由于偶作用，磁畴壁在靠近时会相互排斥。通过观察不同磁场下磁畴壁的距离，可以提取局部区域的饱和磁化强度Ms。此方法由巴黎- 萨克雷大学Nicolas Vernier 教授（致真技术顾问）在2014 年先提出并验证，与VSM测量结果得到良好吻合。图8 局部饱和磁化强度Ms表征及与其他测试方法Ms结果对比 海森堡交换作用刚度[8]采用系统的磁场“自定义波形”功能，将样品震荡退磁，再将得到的迷宫畴图片进行傅里叶变换，能够得知磁畴宽度，从而提取海森堡交换作用刚度Aex。图9 海森堡交换作用刚度提取 自旋电子薄膜质量的表征、自旋电子器件的损坏检测等[9]图10 磁性薄膜质量检测 除此之外，该系统还开发了性价比超高的变温系统。针对永磁材料研究的用户，开发了能够兼容克尔成像的高温强磁场模块。针对硅钢等软磁材料研究用户，开发了大视野面内克尔显微镜。 动态磁畴成像案例图11 cofeb薄膜动态磁畴图12 sot磁场+电流驱动磁畴翻转图13 钕铁硼永磁动态磁畴观测图14 磁性材料内钉扎点的观测，可与巴克豪森噪声同步匹配 产品基本参数✔ 向和纵向克尔成像分辨率可达300 nm；✔ 配置二维磁场探针台，面内磁场高达1 t，垂直磁场高达0.3 t（配置磁场增强模块后可达1.5 t）；✔ 快速磁场选件磁场反应速度可达1 μs；✔ 可根据需要选配直流/ 高频探针座及探针；✔ 可选配二次谐波、铁磁共振等输运测试；✔ 配置智能控制和图像处理系统，可同时施加面内磁场、垂直磁场和电学信号同步观测磁畴翻转；✔ 4k~800k，80k~500k 变温选件可选。 小结多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统除了拥有超高分辨的动态磁畴观测能力外，还能结合多功能磁场探针台提供的外加电流、面内/面外磁场等对多种磁学参数进行提取。 样机体验目前，致真精密仪器（青岛）有限公司可对相关领域感兴趣的科学工作者提供了测样体验，欢迎感兴趣的老师或同学拨打电话010-85120280或发送邮件至info@qd-china.com体验磁光克尔显微成像全新技术！ 参考文献[1] A. Cao et al., Nanoscale 10, 12062 (2018).[2] A. Cao et al., Nanotechnology 31, 155705 (2020).[3] X. Zhao et al., Appl. Phys. Lett. 116, 242401 (2020).[4] G. Wang et al., IEEE Trans. Circuits Syst. I Regul. Pap. 66, 215 (2019).[5] X. Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 11, 054041 (2019).[6] J. Han et al., Science (80-. ). 366, 1121 (2019).[7] N. Vernier et al., Appl. Phys. Lett. 104, 122404 (2014).[8] M. Yamanouchi et al., IEEE Magn. Lett. 2, 3000304 (2011).[9] Y. Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 9, 064027 (2018).

荧光显微成像技术对人们理解神经科学起了非常关键的作用。而最近一些年出现的各种超分辨显微成像技术和专门的荧光探针能够以超过以往普通光学显微镜的分辨率直接观察神经元亚细胞结构和蛋白质排列。并以直观可视方式揭示了神经细胞骨架组成、分布、运动和膜蛋白信号传导、突触下结构和功能，以及神经元−胶质细胞相互作用。同时超高分辨显微成像技术（Super Resolution,SR,下文中出现SR均指超高分辨率显微成像技术）对于许多自身免疫和神经退行性疾病模型中的分子靶点研究也提供了全新的强大工具。今年春，Werner等科学家在美国化学学会会刊（ACS)上最新发表了一篇综述，比较详实系统介绍了超高分辨率显微技术在神经科学上的最新应用进展。我们在此文基础上进行了编译整理。因文章较长，我们将分三期陆续介绍。本期接着上期的第一部分超高分辨率显微技术在神经科学中的应用（一） ，为第二部分内容。4.荧光标记与样品制备4.1. 荧光标记神经元和脑片的超分辨率成像是用适当的荧光团标记感兴趣的生物分子，理想情况下是以定量和化学计量的方式。虽然SIM和其他超分辨方法的成像质量取决于信号背景（S/B）比，但SIM对荧光团没有特殊要求。另一方面，STED显微镜可达到的分辨率在很大程度上取决于所用荧光团的光稳定性。RESOLFT显微镜使用可逆光开关FPs，具有两个稳定状态，因此可以使用较低的激光照射强度。所有SMLM方法的定位精度取决于每个事件检测到的光子数。dSTORM需要光开关有机荧光团，包括菁、罗丹明和恶嗪染；而PALM则需要使用光开关、光转换和光激活FPs。与此相反，DNA-PAINT理论上适用于所有荧光团，因为开/关速率由对接链和成像链序列和缓冲条件决定，而其中 Cy3B和ATTO 643效果最好。、为了获得一张好的超分辨率图像，除了成像方法以外，样品制备也非常关键。使用荧光探针进行高效和特异的标记，并且使标记误差（荧光团和目标之间的距离）达到最小。为了通过荧光成像进行结构解析，标记密度（即荧光探针之间的距离）必须显著高于所需的分辨率。另一方面，特别是对于接近几乎分子分辨率的超分辨率成像方法，标记误差必须尽可能小，以达到高精度成像。对于活细胞标记而言，在合适的表达载体中融合感兴趣的蛋白质的基因编码FPs无疑成为首选。然而，FPs的亮度较低，与有机染料相比，其图像分辨率较低。理想的标记方法是使用荧光染料标记基因编码的蛋白质、肽标签或单一氨基酸。在模式生物如果蝇或秀丽隐杆线虫的应用得益于基因编码工具，通过转座子、操纵二分体Gal4/UAS表达系统或Crispr/Cas9方法引入或去除突触蛋白和荧光蛋白。由于瞬时转染的细胞表现出不同的蛋白质表达水平，蛋白质的分布和功能不一定反映野生型的情况。图5 通过单体链霉亲和素结合AP标记的突触蛋白成像结果显示Nlg1和LRRTM2的差异分布（dSTORM成像）。上排：Homer 1c GFP作为突触后室的参考。第二排：Nlg1和LRRTM2（dSTORM成像）。左下：频率分布直方图，用于显示相对于Homer 1位置中心的信号分散情况。右下：列出比较两种蛋白质的突触结构域数量的直方图。然而，通过构建优化表达，稳定表达的细胞或CRISPR基因敲入等方法可以产生从内源性到强过表达的蛋白质表达水平。根据不同的转染策略，可以采用不同的方法转染神经元。传统的磷酸钙共沉淀法和脂质体法在大多数实验室都可实施，但这两种技术的转染效率很低。而病毒转染的效率比较高，允许注射到大脑区域，但需要实验者具备病毒生产方面的专业知识，并需要考虑生物安全问题。此外，还必须考虑病毒类型、插入片段大小、毒性和差异表达等因素。要达到高转染效率，可以使用高压脉冲将核酸直接输送到细胞核，进行核转染。然而其缺点是，当这种方法应用于小鼠原代神经元时，会导致细胞存活率较低，并且实验设备昂贵，还需要根据神经元密度和物种对脉冲参数进行多次测试。另外，也可以使用细胞附着式高电阻管，在完整神经元网络（如器官型切片）中进行单细胞电穿孔。利用这种方式，结合CRISPR基因敲入获得了接近内源性的蛋白质表达水平。基于CRISPR基因敲入，在神经元发育的不同时间点通过脂质感染、核感染或病毒转染在神经元中实现。如前所述，FPs光稳定性和荧光光子输出较低，这降低了图像质量。另外，连接大小为2−5nm的FP后,蛋白质功能可能会受到影响。因此,首先必须清楚感兴趣的蛋白质在野生型的功能表现。而有机染料比FPs小得多，有更高的光子产率和光稳定性，但需要与其它能与感兴趣分子结合的分子进行连接耦合。对于固定细胞，使用一抗和二抗进行免疫染色仍然是标记内源性蛋白质的首选方法。缺点是由两个大小17.5 nm左右的IG抗体间接免疫标记有可能导致标记误差。使用直接法免疫荧光或Fab片段可以减少标记误差。另外针对GFP或转基因短肽标签的更小（1.5×2.5 nm）的骆驼“纳米抗体”已应用于dSTORM成像。此外，耦合了链霉亲和素的荧光染料可用于神经元和器官型组织中靶蛋白的特异性标记。使用这种标记方法，研究了神经氨酸酶-1ß、神经肽原-1和富含亮氨酸的重复跨膜蛋白2的动力学和纳米级结构，并揭示了跨突触粘附结构的形成（图5）。另外可以使用生物正交肽或自标记蛋白质标签，例如FlAsH tags, SNAP-tags, and Halo-tags。这些标签蛋白与目标蛋白共表达，并以共价和特异性结合其各自的荧光标记试剂或配体。对于肌动蛋白和微管的标记，可以使用小肽药物，如双环七肽-鬼笔环肽和紫杉烷类药物，如紫杉醇。膜和细胞器的标记可以通过荧光脂质和细胞器的追踪试剂来实现。此外，小肽或配体可以直接用荧光团标记，并特异性结合生物分子，例如，显示抑制性突触后位点的超结合肽。要达到最小的标记误差，可以通过单个非天然氨基酸的特定位点标记实现。通过基因编码导入设计的非天然氨基酸，并用四嗪染料进行生物正交点击化学标记。显然，神经元和组织切片必须根据要成像的结构进行透膜和固定。与所使用的标记方法无关，特别注意所用的试剂必须能保留自然细胞环境中生物分子的超微结构。通过化学试剂固定交联蛋白质，可能会影响结合亲和力，也可能削弱分子间的相互作用。在大多数情况下，多聚甲醛（PFA）和戊二醛已成功用于神经科学的超分辨率成像。此外，还引入了乙二醛等新型固定剂。膜分子应始终使用4%的PFA和0.2%戊二醛固定，以尽量减少残余流动性并避免伪影，例如抗体结合诱导的簇形成。4.2. 神经元的多色遗传标记荧光蛋白彻底改变了神经元的活细胞成像方式，因为荧光蛋白可以与感兴趣的蛋白质融合，并且在假定不影响野生型功能的前提下，用于双色和三色成像。神经系统具有非常高密度的轴突和树突相互作用结构，需要使用更多不同颜色的标记来区分不同的神经元连接。2007年，随着一种名为Brainbow的转基因方案的开发，这一问题得到了解决，该策略能够对神经元进行多色标记。结合单细胞分辨率成像技术，Brainbow技术可以用来创建大脑图谱，详细描述神经元如何形成回路，其连接体以及它们投射到何处。Brainbow利用了三原色，即可见光谱的所有颜色都可以由三种原色的不同混合物生成，即红色、绿色、蓝色（RGB）或转化为荧光蛋白，例如RFP、YFP和CFP。为了实现这一想法，应用了Cre/lox重组系统，该系统可以通过DNA切除、反转或染色体重组启动基因表达，使三个荧光蛋白基因中的一个在转基因中随机表达。转基因盒的多个拷贝的引入导致三个不同拷贝数的基因在每个细胞中组合表达，从而产生几十种颜色，使相邻神经元分化并观察其相互作用。Brainbow技术非常适合绘制不同神经元类型之间的连接模式，追踪轴突，并识别大脑中远距离的神经元连接。此外，已经证明Brainbow表达可以成功地用于研究周围神经损伤后的轴突再生，并检测大脑发育过程中的重要阶段。为了进一步改进Brainbow在包括突触蛋白在内的大脑和连接图谱中的应用，SRM的应用是显而易见的。最近通过结合Brainbow、顺序免疫染色和ExM同时研究同一脑切片上的形态、分子标记和连接，成功地证明了这一点（图6）。将这项技术应用到全脑研究一直是一个挑战，直到最近才成功应用。图6 结合Brainbow和ExM的多轮免疫染色和ExM(miriEx)成像。(A) 实验方案：在Parvalbumin cre/+ 小鼠的脑切片中，Parvalbumin蛋白阳性中间神经元通过Brainbow进行观察，并在下一轮应用4倍ExM成像。使用EYFP信号对Homer1和Gephyrin进行免疫染色来观察突触。(B) Brainbow 信号的免疫染色。(C) 分别通过突触后标记homer1和Gephyrin的免疫染色来区分抑制性和兴奋性突触。插图(D)−(F)和(G)−(I) 显示图像的更多细节图。(J)和(K)神经元的形态重建(使用ImageJ软件插件nTracer)，包括其各自传入的特征。虚线框表示(B)和(C)中所示的区域。重建的神经元按顺序编号。标尺(膨胀前的)：10μm(B/C)、2.5μm(I)、20μm(J/K)。4.3. 神经科学中的光电联合显微镜电子显微镜(EM)和电子断层扫描具有光学显微镜无法达到的空间分辨率，可以获得细胞和细胞器的超微结构信息。然而，EM和电子断层扫描不能标记特定的分子，因此难以识别未知的细胞结构或具有相似形态特征的结构。用胶体金标记结合抗体可以实现蛋白质的纳米级定位，但抗原的标记效率低下，这意味着胶体金颗粒的数量仅占抗原总数量的1%到20%。而另一方面，荧光显微镜虽然分辨率较低，但可以进行大视场成像和对活细胞中蛋白质进行定位。对固定样本细胞中的各种分子进行高效和特异的分子标记后，结合超分辨率荧光显微镜方法，达到的空间分辨率可以远低于衍射极限。因此，光电联合显微镜（CLEM）作为一种通用的方法，在电子显微镜提供的细胞超微结构背景下，通过超分辨率成像来可视化蛋白质的定位和相互作用。然而，将超分辨率成像与EM结合起来更为困难，因为乍一看，这主要是由于两种方法的样品制备流程不同且不兼容。例如，EM中保存超微结构所需的固定和染色会引入很强的自发荧光。而且荧光蛋白还会在固定和聚合物包埋所需的脱水和氧化条件下淬灭。此外，这两幅图像必须在纳米精度下精确叠加，首先需要使用在荧光成像和EM中都表现出极好的对比度的固定对准标记物，如裸金微球。 另外，样品脱水引起的结构变形会严重破坏两幅图像的正确叠加。所以必须在超微结构和荧光保存之间找到折衷方案。例如，已经证明，对于某些周期性分子结构，如核孔复合体，无需使用对准标记，dSTORM和EM扫描图像可以以20 nm的精度叠加。光电联合显微镜的流程是先对轴突和树突进行荧光实时成像后，再使用透射电镜观察。例如，表达GFP的脑组织在荧光成像后进行化学固定，再使用电子密度标记进行免疫标记，例如EM金。或者采用更成熟的方法，如过氧化物酶或胶体金标记。最后，可以通过光转化在荧光团处局部生成二氨基联苯胺（DAB）聚合物。为了克服标记问题并确保超微结构的保存，已经开发了用于EM (NATIVE)的纳米体辅助组织免疫染色。NATIVE能够高效标记蛋白质，无需苛刻的渗透步骤、特殊树脂、锇替代物或透明化试剂。随着方法的改进和技术的发展，光电联合显微镜已被证明是研究不同种类突触和定位突触蛋白的理想选择。5.超分辨显微镜观察神经元隔室/突触以及神经元−胶质细胞相互作用下面我们将展示通过超高技术获得的有关细胞骨架组成和动力学、突触前室和突触后室对神经传递准确性至关重要的分子组装，以及形成神经元功能的星形细胞结构的调节和构建的最新数据。5.1. 细胞骨架神经元的极化性质以及树突和轴突的长度都需要结构和功能性支架来支持它们的稳定性、适应可塑性和物质运输，这些特性对神经元的存活和信号传递是必不可少的。因此，神经细胞骨架的结构在过去几十年中引起了神经科学家的注意，并在其它文献中进行了详细的回顾。20世纪70年代的电镜研究表明，神经细胞骨架由三种主要类型的神经纤维组成：大小约为20−30 nm的微管，直径为10 nm的神经纤维和5−10 nm大小的肌动蛋白丝。微管是由异二聚体在GTP依赖性组装过程中结合α和β微管蛋白单体组装而成的圆柱体，称为原丝，再由13个这样的原丝形成一个微管单元。轴突的微管成束状组织，并根据其相对于神经元胞体的位置显示不同的方向。它们的极化通过快速增长的正端和缓慢增长的负端体现。STED显微镜揭示了快速生长极依赖钙锚定在肌动蛋白皮质上。使用dSTORM对发育中的神经元进行活细胞成像证明了神经元极性和轴突具有方向一致的、平行的由TRIM46驱动的微管束，而树突微管的特征是混合极性。用Motor-PAINT方法进行纳米跟踪发现稳定和乙酰化的微管显示负端向外的方向，而动态和酪氨酸酶化的微管则显示相反的方向（图7）。例如轴突起始节中微管密集地聚集在束簇中，由于密集的重叠定位，使用SMLM方法具有挑战性。这个问题可以通过两种实验方法来解决：第一，设计更小的标记探针，如微管蛋白纳米抗体，这不需对神经元微管更详细的观察。第二，一种降低群聚密度的超分辨率方法，如ExM，可用于胞体和树突中微管亚群的可视化。神经纤维是在轴突中形成的广泛平行网络的异质聚合物，它为轴突提供稳定性并调节轴突直径和传导速度，其组成包括低、中、高分子量神经纤维、中间蛋白和外周蛋白的三联体。它们的自组装首先形成平行的异二聚体，然后半交错地结合成反平行的四聚体。最后，八个四聚体横向聚集成单位长度的神经纤维，进一步拉长并径向压缩至最终的神经纤维外观。用电镜观察到在神经纤维之间的交界面，形成3−5 nm大小的交叉桥，但对其功能及其与神经纤维的分子相互作用仍不清楚。在这里，ExM与SMLM的结合或DNA-PAINT的应用可能有助于研究密集神经纤维中的这种相互作用。神经纤维动力学已经通过光转换和光活化SRM实验进行了研究，显示了端到端蛋白合成中的退火和切断过程。肌动蛋白最初被认为与一组更集中的短肌动蛋白丝结合在一起，在轴浆中形成斑点状的膜下层。在原代神经元和脑切片中使用phalloidin Alexa Fluor 647进行STORM成像，揭示了轴突肌动蛋白的新的组成原理。这些实验揭示了轴突中存在圆周式肌动蛋白环，每190 nm固定重复间隔绕一圈，并进一步表征了轴突中具有类似尺寸的ßII血影蛋白和钠通道的周期性条带，而树突状腔室内显示出更细长的肌动蛋白组织。此外，通过STORM成像发现，并通过STED显微镜的研究得到证实，这种肌动蛋白组织模式的普遍性也存在于树突中。进一步的报告发现，尽管树突中也存在基于肌动蛋白血影蛋白的周期性膜骨架，树突中这种结构的形成倾向和发育速度低于轴突。此外，本文还显示了肌动蛋白和血影蛋白在胞体和部分树突中的二维多边形晶格结构，类似于红细胞中的膜骨架结构。此外，使用SiR-actin，可通过STED显微镜在活的原代神经元中观察到这种周期性结构。最后，最近的CLEM方法结合铂金复原电镜（PREM）和STORM研究了无顶轴突中的肌动蛋白组织，并提供了轴突编织状肌动蛋白结构与周期性肌动蛋白超微结构相关的证据（图8）。图8。原代神经元无顶轴突（unroofed axons）的CLEM成像（结合铂复型电子显微镜和STORM的光电联合成像）。用铂复型电镜（PREM）（灰色）显示的轴突辫状条带（箭头）被叠加到大鼠原代神经元的超分辨肌动蛋白环（伪彩）上，比例尺=2, 1, 0.2μm（从左到右）。中间：轴突辫状条带间距测量后显示出与周期肌动蛋白间距相似的尺寸。右图：在铂复型电镜（PREM）中记录的神经纤维厚度，未分裂（交织在一起）和分裂（分裂开）的轴突肌动蛋白辫状条带为蓝色，树突中的单个肌动蛋白神经纤维为紫色，微管为灰色参考。采用平均值和标准误显示数据。Copyright 2019 Springer Nature.ßII 血影蛋白基因敲除导致周期性肌动蛋白环结构破坏，同时细胞器的双向轴突运输受损。SMLM结果显示，与轴突相比，轴突起始节中的分子组织其特征是轴突起始节（AIS）蛋白ankyrin-G和ßIV-血影蛋白，这种基于肌动蛋白-血影蛋白的细胞骨架与远端轴突相似。此外，在AIS中存在ßIV-血影蛋白和Ankyrin G，而在远端轴突中存在ßi--血影蛋白和Ankyrin B。SMLM显示与肌动蛋白环相连的纵向头对头ßIV血影蛋白和Ankyrin的二价取向有助于建立紧凑的AIS超微结构，该超微结构甚至对针对肌动蛋白和微管的药物治疗具有抵抗力。进一步显示Ankyrin-G会聚集到亚结构域，增强神经元活性，而成为精神疾病的主要风险基因。随后的SMLM研究还阐明了αII血影蛋白与ßIV血影蛋白共同在AIS提供强健的周期性细胞骨架组织以及防止AIS装配不完全和神经变性的重要性。一份相关报告显示，αII 血影蛋白丰度随有髓鞘轴突直径的增加而增加，表明大直径轴突更容易发生神经退行性病变。在免疫标记II血影蛋白后，将其连接到一种可膨胀的聚合物，并在水中膨胀后，通过ExM研究ßII spectrin沿轴突的周期性模式。这一新方法证实了如前所述的细胞骨架内部的组织原理。不幸的是，在ExM过程中，phalloidin探针在膨胀过程中被冲掉。有两种策略解决这一问题：一方面，携带甲基丙烯酸基团的phalloidin三功能抗体被设计用于与凝胶的有效标记；另一方面，最近的一份报告使用荧光团结合抗体，类似于常规免疫染色，将荧光团靶向phalloidin探针与凝胶连接。在中枢神经系统的几种神经细胞类型和动物物种中，肌动蛋白和附属蛋白的强大超微结构组织也得到了证实。外周神经系统（PNS）中，STED显微镜也显示在梳理的神经纤维样本上有重复的细胞骨架成分。最后，SMLM揭示了肌动蛋白-血影蛋白骨架的一个重要生物学功能：它可以作为一个信号平台，通过组织跨膜信号蛋白，包括G蛋白偶联受体（GPCR）、细胞粘附分子（CAM）和受体酪氨酸激酶（RTK），在神经元中进行信号转导从而实现GPCR-和CAM介导的RTK信号。5.2. 突触前室为了确保有效的神经化学传递，突触前膨大参与突触囊泡循环、神经递质填充以及与突触前膜在活性区（特殊蛋白质密集分布的纳米隔室）的融合，以最终释放神经递质。在这里，我们关注SRM如何扩展我们对突触前功能的理解。早期只能使用EM对化学固定神经元里的小直径突触小泡进行研究，但随着SRM的出现，应用快速STED显微镜，通过免疫标记位于突触前室突触小泡上的钙传感器突触标记蛋白1（SYT1）来观察突触小泡的活动。STED显微镜进一步显示，突触小泡融合后Syt1分子似乎驻留在突触膜上，也支持胞吐后突触小泡蛋白的清除过程。此外，在突触小泡融合过程中，当暴露于细胞外空间时，靶向Synaptobevin 2 pHluorin的荧光团结合纳米体后，亚衍射追踪显示了突触小泡的异质性迁移。一种类似的方法使用vGlut1 pHluorin在原代神经元中的表达来观察单个神经元突触小泡，定位精度为27 nm，并揭示了突触小泡的多个不同释放位点。作为一项方法学的进步，为了对主动循环的小泡成像，设计了一种名为mCLING的亲脂膜探针，该探针可对突触膜进行染色，通过内吞作用和固定，可以进行免疫标记，且和SRM相结合。突触小泡的胞吐过程需要一组属于突触前细胞基质的突触前蛋白质的高度可靠的相互作用，使突触小泡接近和暂时驻留在所谓活动区的膜上，并最终释放突触小泡。黑腹果蝇易于遗传，有助于精确定位果蝇幼虫神经肌肉接头（NMJ）活动区的第一个重要蛋白质。Bruchpilot（Brp）是一种必不可少的活性区成分，是一种大的、卷曲的螺旋蛋白，对于钙通道聚集和突触囊泡定位到突触释放位点至关重要。除了通过Brp研究钙通道聚集外，STED显微镜还证明了该蛋白细长的组织结构，并揭示了与Brp相互作用的蛋白（如syd-1α、liprin和rim结合蛋白（RBP））的定位。定量dSTORM方法研究了果蝇活动区Brp丝的数量，并显示了Brp的结构组织与其功能之间的强相关性。接下来的研究通过dSTORM评估Syt1敲除后的活动区（CAZ）电生理学和细胞基质参数。这项研究表明，在果蝇NMJs 1b型突触膨胀中，Syt1基因的敲除导致更高的Brp计数和簇内Brp图谱的改变。在哺乳动物突触中，突触前支架蛋白bassoon 和 piccolo参与突触囊泡释放的调节。据报道，bassoon蛋白通过与RBP的相互作用来控制CaV2.1型钙通道的定位。此外bassoon蛋白能加速囊泡释放，因为其丢失导致小脑苔藓纤维到颗粒细胞突触中的突触囊泡数量显著减少和突触抑制。STED显微镜显示bassoon 和 piccolo蛋白是一个夹心三明治结构，两侧为piccolo蛋白，bassoon蛋白居中。STORM成像通过距离测量显示bassoon蛋白相对于突触前和突触后室中其他相关突触蛋白质的方向。囊泡胞吐过程由一组可溶性ethylmaleimide敏感因子附着受体（SNARE）蛋白质进一步协调。位于突触膜上的囊泡SNAREs (v-SNAREs) 蛋白和 t-SNARES蛋白的复杂形成导致突触囊泡成功融合。在质膜上的突触体相关蛋白25（SNAP-25）和突触融合蛋白聚集首先通过STED显微镜进行研究。这项研究表明，大约75个突触融合蛋白分子被堆积成50- 60 nm大小的纳米团簇。在之后的研究中，SMLM以更高的精度对SNAP-25和突触融合蛋白的分布进行成像。在这里，描述了Syntaxin簇内的分子密度梯度。dSTORM成像显示，未聚集的分子紧密地定位于聚集区域。最近的一项研究显示了一种以syntaxin或SNAP-25为靶点的纳米抗体。这使密集的突触前区域更好的标记，并显示突触外突触融合蛋白可在增强突触活动后进入突触室。SNARE结合蛋白tomosyn被证明定位于突触融合蛋白簇，据报道，其ß-螺旋结构域的突变是SNAP-25复合物形成的关键。此外，tomosyn与v-SNARE突触结合蛋白竞争，与突触融合蛋白和SNAP-25形成复合物，因此被认为下调了胞吐过程。 相反，rim结合蛋白2（RBP2）可根据所研究的突触类型在调节突触可塑性方面发挥多种作用。SRM显示RBP2通过调节CaV2.1钙通道相对于释放位点的纳米定位来调节释放概率。此外，STED显微镜显示海马脑片中RBP2对锥体CA3-CA1突触的神经传递只有轻微的影响，它通过控制munc-13-1的定位，在苔藓纤维突触中强烈调节囊泡启动和释放概率。图9。与突触释放位点相关的Munc-13-1纳米组装体。上排：应用高钙溶液和钾通道阻滞剂（A1）以及相应的munc-13-1信号（A2）激活突触后eEOS（增强型谷氨酸光学传感器）的荧光反应图像。注意主动释放条件下的紧密空间相关性。比例尺：5μm。第二行：常规显微镜图像（B1）与munc-13-1（B2）的3D STORM成像。比例尺：500nm。（C） 释放位点数量与munc-13-1纳米团数量的相关性。（D） munc-13-1（黄色）和syntaxin-1A（蓝色）的超分辨双色图像。比例尺：2μm。侧面（顶部）和正面（底部）视图。比例尺：200nm。Copyright 2017 Springer Nature.Munc-13是unc-13的哺乳动物直系同源物，是引发突触小泡释放的另一个不可或缺的成分。Munc-13-3被证明能够将钙通道募集到活动区，3D-STORM成像提供了证据，证明Munc-13-1聚集在突触释放位点，并与突触融合蛋白分子相关（图9）。通过活体成像和STED显微镜对果蝇中显示不同突触前钙通道距离的两种munc-13亚型进行研究，发现unc-13亚型由CAST/ELK同源物Brp和RIM结合蛋白定位，导致释放部位相对于钙通道的不同超微结构。在神经元发育过程中改变不同Unc-13亚型的比率，通过改变其与钙通道的纳米结构域耦合，导致神经传递增强。Unc-13 A定位通过突变分析表明C末端部分调控释放位点的产生，而蛋白质的N末端部分参与活性区靶向调节。 在活性区内，钙通道的纳米定位和潜在的动力学对于有效调节神经传递至关重要。钙通道和突触小泡之间的纳米域耦合可以是紧密的，也可以是松散的，并以这种方式决定神经传递的精确性。小脑突触中的免疫金电镜定量显示，强突触的耦合距离约为10nm，但其钙通道数量是弱突触的三倍，弱突触的特征是耦合距离较长且低效。一项结合电生理学的免疫金冷冻断裂EM研究提供了证据，证明释放部位随突触前钙通道数量的增加而增加。为了研究电压门控钙通道的活动性，应用单粒子跟踪PALM（sptPALM）对原代神经元成像。研究表明，集中在突触前部位的60%的通道是可变的。此外，通过应用BAPTA钙缓冲降低了钙通道的扩散。结果表明，突触小泡和钙通道之间的纳米域偶联保证了神经传递的精确度，并可根据需要通过突触前钙通道的扩散进行精细调节。 在融合和递质释放后，内吞机制诱导循环产生新的囊泡，从而重建可释放的囊泡池并为持续的神经传递提供基础。囊泡循环的主要机制由网格蛋白介导的内吞作用组成。使用光遗传学和”闪光冷冻”电镜的研究也报道了比超快的内吞快200倍的过程。如双色iso-STED显微镜所示，通过摄取针对囊泡内膜结合位点的Syt 1抗体，将内吞位点定位到活性区外周。此外，在神经内分泌细胞中，STED显微镜也揭示了囊泡只能部分与突触前膜融合释放递质，形成一个“Ω”形状的结构，而没有完全融入膜中，因此有利于“接触后即脱离”（kiss and run）的模式。与网格蛋白介导的内吞作用相比，它会产生更快囊泡再循环率的递质释放模型。依赖于活性的大量内吞作用进一步增加了可能涉及的机制的复杂性，有人提出，根据突触类型和活动，多种内吞模式可能并行运作。本文由超高显微技术应用工程师郭连峰、黄梓彤编译

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/strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "尴尬：高端医疗器械遭遇“洋垄断”/span/strongbr/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。/spanbr/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/strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "曙光：“中国之光”撕开垄断“夜幕”/span/strongbr/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。/spanbr/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/spanbr/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。/spanbr/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/spanbr/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

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.

双倍提升结构光照明显微技术分辨率蔡司新一代超高分辨率显微成像系统Elyra 7 with Lattice SIM2蔡司推出了具有开创性的Lattice SIM²，可提高结构照明显微镜（SIM）的分辨率和光切质量。使用显微镜系统蔡司 Elyra 7上的Lattice SIM²，将传统的SIM分辨率提高一倍，生命科学研究人员现在可以以60nm分辨率区分出活的和固定的样品的最佳亚细胞结构。SIM是一种基于栅格的照明技术，可以以超出光学显微镜衍射极限的分辨率进行成像。两年前，随着蔡司Lattice SIM的推出，SIM成像技术迈入新的时代，蔡司将SIM的分辨率优势与成像速度和检测灵敏度的大幅提高相结合，使超高分辨率显微镜蔡司 Elyra 7成为活细胞成像的理想选择。借助Lattice SIM²，蔡司通过不懈努力将超高分辨率成像技术又向前推进一大步，使研究人员能够突破以往超高分辨率成像技术在分辨率，成像速度和光毒性等方面的限制。Lattice SIM2同时提升分辨率、光切性能和样品适用性Lattice SIM²在分辨率，光切性能和样品适用性方面均优于传统的SIM，而无需特殊的染色方案或复杂的显微镜技术的专业知识。Lattice SIM²不仅可以解析低至60 nm的结构，还可以同时进行超高分辨率和高动态成像——这是观察活细胞或生物体中快速生物过程的必要条件。以远低于100 nm分辨率进行活体生物样品成像借助Lattice SIM²，研究人员现在可以同时以低于100 nm的分辨率和高达255fps速度进行活体生物样品的细节成像。这种简单易用又能达到高时空分辨率的成像方式，将使发现新的亚细胞功能原理成为可能，并有助于更好地了解细胞器的分布和结构。发育生物学，神经科学，植物科学和相关学科的研究人员将通过揭示快速的细胞过程，以更深的成像深度解析3D结构并研究分子水平的结构变化，来获得对模式生物和标本的更多见解。参与产品测试的用户立即意识到Elyra 7 with Lattice SIM²的研究潜力，并对新的可能性表示了热情。约克大学影像与细胞计量学负责人Peter O’Toole：“我记得最初看到结果时，我惊讶的大笑。我的下一个反应是向可以立即受益的一些关键用户发送电子邮件。从组织神经生物学家到细胞和分子免疫学家，再到从事酵母和细菌研究的科学家，他们都已经从Lattice SIM²中受益。”随着Lattice SIM²的推出，蔡司Elyra 7将不断发展成为兼容活细胞的超高分辨率显微成像的主要平台。蔡司有着强大的动力，想为科学界提供可轻松使用先进的成像技术

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！

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。

仪器信息网讯 2015年3月17日，北京理化分析测试技术学会和北京市电镜学会主办的&ldquo 北京市2015年度激光共焦超高分辨显微学学术研讨会&rdquo 在北科大厦举行。该会议旨在推动北京市及周边省市激光共焦超高分辨显微学的进步和发展，提高广大相关工作者的学术及技术水平，促进上述学科在生命科学等领域中的应用。会议得到了相关学者的热烈响应，约160余人参加了此次会议。会议现场　　北京市电镜学会理事长郑维能、秘书长张德添，北大医学部何其华、北大医学部第一医院王素霞主持会议。　　超高分辨显微技术进展　　自荷兰博物学家、显微镜创制者列文虎克在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。正是因为有了列文虎克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。　　然而为了更好地理解生命过程和疾病发生机理，生物学研究需要观察细胞内器官等细微结构的精确定位和分布，阐明蛋白等生物大分子如何组成细胞的基本结构，重要的活性因子如何调节细胞的主要生命活动等，而这些体系尺度都在纳米量级，远远超出了常规的光学显微镜的分辨极限(约为200nm)。　　为了解决生命科学研究面临的一系列难题，超高分辨率显微技术应时而生，并且一经问世就得到了广泛的响应。2008年Nature Methods将这一技术列为年度之最。2014年，美国科学家Eric Betzig，德国科学家Stefan W. Hell，美国科学家William E. Moerner，因他们在超分辨率荧光显微技术领域取得的成绩，获得了该年度的诺贝尔化学奖。报告人：北京大学 席鹏　　目前，超高分辨显微技术虽然能获取很高的空间分辨率，却总是以牺牲时间分辨率为代价。同时，这些方法技术复杂、系统成本较高，这给推广应用带来一定困难。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。　　北京大学席鹏课题组一直致力于超分辨显微成像技术研究。在报告中，席鹏介绍了超分辨显微技术的发展与应用，并详细介绍了课题组研究的两类超分辨技术：多色联合标记超分辨技术和多模态三维超分辨技术。其中多色联合标记超分辨研究成果发表于Nature出版的Scientific Reports期刊，多模态三维超分辨技术相关研究成果发表于Springer和清华大学出版社联合出版的Nano Research期刊上。报告人：蔡司 库玉龙　　库玉龙介绍了蔡司在2014年最新推出的Airyscan技术。Airyscan技术可以应用于蔡司LSM 800和LSM880激光共聚焦显微镜，是第一款可用于正置显微镜观察的超高分辨率产品。据介绍，传统的共聚焦显微镜通过针孔来阻止非焦平面的发射光。Airyscan检测器不在针孔处限制光通量，而是直接用一个32通道的六边形平面探测器收集所有发射光，其中每个探测器元件都是有效的单个针孔。这一技术的使用，使LSM880的总体分辨率增加了1.7倍，即140 nm的横向分辨率和 400nm的轴向分辨率。报告人：徕卡 吴立君　　吴立君介绍说，2014年诺贝尔化学奖获得者Stefan W. Hell与徕卡显微系统的工程师和科学家有长期良好的合作关系，从他还是博士生时，他就与徕卡共同研发超高分辨显微镜，至今双方合作超过15年。早在2004年双方合作推出了商业化4Pi超高分辨显微镜 2007年, Stefan W. Hell将STED(受激发射损耗)专利技术授权徕卡研发。　　此外，吴立君介绍了徕卡推出的Leica TCS SP8 STED 3X受激发射损耗显微镜，以及即将推向市场的光谱更宽、分辨率更高、样品保护更强的受激发射损耗显微镜新产品。报告人：尼康 赵媛　　赵媛介绍了尼康的N-SIM和N-STORM超分辨显微镜。据介绍，N-SIM结构照明显微技术专门为活细胞超高分辨率成像而设计，使用了全内反射结构照明(TIRF-SIM)来提高样品表面的空间分辨率，并且时间分辨率可以达到0.6秒/帧。其中结构照明显微技术(SIM)由旧金山加州大学授权。　　N-STORM则将哈佛大学授权的&ldquo 随机光学重构显微术(STORM)&rdquo 与尼康的Eclipse Ti研究级倒置显微镜结合在了一起，能够显著提高分辨率，可达到传统光学显微镜分辨率的十倍或者更多，可采集纳米级的二维或三维多光谱图像。报告人：奥林巴斯 方琳　　方琳介绍了奥林巴斯近年来推出的多光子扫描显微镜和超高分辨技术。2013年9月，奥林巴斯推出了FVMPE-RS多光子扫描显微镜，具有高速高灵敏度双光子成像技术、空间精确红外光刺激和可见光光刺激及更深的成像深度，更长波长光校准及透过率系统。能够有效收集动态影像，如被标记的细胞在血液中&ldquo 缓缓&rdquo 流动，斑马鱼的心脏&ldquo 慢慢&rdquo 起伏等。　　2014年10月，奥林巴斯推出了独创的超高分辨技术FV-OSR，结合了众多精良的光学部件和超高灵敏度探测器，成功将传统共聚焦显微镜的分辨率提高了两倍，理想条件下XY水平分辨率可达120~150 nm。实现了简化操作和广泛兼容等新特性，将共聚焦技术与特制的超分辨光学附件相结合，可以在FV1000或FV1200共聚焦系统上升级。报告人：珀金埃尔默 卢毅　　高内涵筛选(HCS)系统可以对细胞形态或生化特性所发生的改变进行高通量分析。现在，高内涵筛选系统已经成为基础科学和药物研发领域中的一个重要工具。　　卢毅介绍说，PerkinElmer在2014年推出了Opera Phenix&trade 共聚焦HCS系统。这款设备的设计旨在令速度最大化，同时不牺牲系统的灵敏度。对于HCS系统来说，在获取数据的同时进行数据分析会限制检测的灵敏度，不过这样能够节省筛选的时间。有时光谱重叠会导致不同的荧光素发生相互干扰，从而限制整个系统的灵敏度。而Phenix依赖于PerkinElmer的专利技术Synchony&trade Optics，该技术可以控制荧光素的激发，从而减少荧光信号之间的干扰，提高了系统的灵敏度。　　超高分辨显微技术应用　　很长时间以来，人们都认为光学显微镜技术无法突破&ldquo 阿贝分辨率&rdquo ，即永远不可能获得比所用光的波长一般更高的分辨率。然而近十多年来，科学家们在此领域获得了精彩的成果，突破了光的衍射极限分辨率。其中尤其是STED（受激发射损耗）显微技术和分子定位显微技术，让科学家能在纳米水平观察到活细胞内个别分子的作用路径，可以看到分子是如何在大脑神经细胞形成突触的 也可以跟踪哪些与帕金森症、阿茨海默症等疾病有关的蛋白质分子聚集，在真正意义上扩大了科学家们的视野。而这些都将有助于人们进一步了解这些疾病的形成机理，帮助我们去克服治愈它们。报告人：清华大学 谢红　　清华大学谢红在报告中介绍了双光子活体成像技术在学习记忆和阿尔兹海默病研究中的应用。双光子显微镜现在已经成为活体脑功能研究中重要的研究工具，双光子成像具有较深的穿透力、更为集中的空间聚焦、较小的组织损伤性等特征。因此，一方面利用双光子显微镜能够在细胞甚至是亚细胞水平上对活体中的神经细胞结构形态、离子浓度、细胞运动、分子相互作用等生理现象和过程进行直接的成像监测，另外还能进行光裂解、光激活、光转染和光损伤等光学操纵。报告人：中科院生物物理所 李岩　　中科院生物物理所李岩目前的研究主要为：以果蝇为动物模型，探索高级脑功能的细胞分子机制，涉及的研究领域和方法包括神经发育生物学、分子遗传学、学习认知行为的神经环路等方面。并以已有的行为范式，如进食，睡眠和学习记忆为基础，深入研究单基因对细胞形态、神经网络发育、及高级脑功能的作用，并探讨环境因素，如地磁场等对生物高级脑功能的影响及其机制。在她的研究中，激光共聚焦超分辨显微学技术发挥了重要作用。报告人：阜外医院 聂宇　　阜外医院聂宇则介绍了激光共聚焦超分辨显微技术在&ldquo 激活心外膜&mdash &mdash 哺乳动物心肌再生调控的新途径&rdquo 中的应用。据介绍，由于心肌梗死发生后，梗死区被纤维组织替代，心脏泵功能受损，最终导致心衰和死亡 其原因在于心肌无法实现对损伤的自我修复，心肌细胞发生凋亡或坏死后，如果有充足的心肌细胞来源，对其进行替代和补充，将可能实现心功能的重新恢复。故而，心肌再生是目前心血管科学领域的研究热点。撰稿：秦丽娟

仪器信息网讯 2021年4月10日，“北京市2021年度激光共焦及超高分辨显微学学术研讨会”在北京召开。会议由北京市电镜学会主办，北京理化分析测试技术学会协办，会议旨在推动北京市及周边省市激光共焦超高分辨显微学的进步和发展，提高广大相关工作者的学术及技术水平，促进上述学科在生命科学等领域中的应用。150余名光学高分辨显微学领域国内专家学者、青年科技工作者，及相关仪器厂商代表慕名参会。会议现场“铁打的”进口品牌，悄然崛起的国产技术本次参会，从专家报告分享到会见交流，都给笔者留下一个印象——国产仪器技术正在逐渐崛起。以下笔者整理了仪器信息网参加的近六届“北京市年度激光共焦及超高分辨显微学学术研讨会”（2020年度因新冠疫情停办一次）仪器技术相关报告情况，从仪器技术分享报告数量来看（含仪器技术研究与商业化技术），近六年来，进口品牌变化不大，而国产技术已在悄然崛起。谈应用：市场需求大 超分辨荧光成像解决的科学问题还比较有限中国科学院动物研究所财务资产部资产管理办公室主任王荣荣分享了动物所在激光共聚焦超高分辨显微镜等技术支撑下的科研创新情况。其影像学平台主要提供光学成像类分析测试服务，先进的设备可满足XY分辨率从50nm-500nm的成像需求，专业团队可提供从分析测试到后期图像处理、定量计算的整套解决方案。据介绍，影像学平台配置有结构光照明、激光扫描共聚焦显微镜、双光子显微镜等成像要求设备17套，目前处于饱和运行，接下来还有很大采购需求。在这些设备支持下，平台支持的许多科研成果发表在《Cell Research》、《PNAS》、《Cell Stem Cell》等国际高水平期刊上。中国科学院生物物理研究所王晋辉研究员分享了光学成像技术在示踪大脑记忆细胞方面的应用，以小鼠大脑成像进行研究，对小鼠的胡须、嗅觉，及尾巴进行温度刺激，研究表明，多个相关信号是联合捕获的，大脑会集成和存储这些相关信号，且信号间可相互检索，联想记忆是认知和感情的基础。且联想记忆相关的脑细胞可以对多个相关信号的存储进行编码，可以接受多种来源突触神经的支配。中国农业大学傅静雁教授分享了团队利用超分辨显微技术解析中心体骨架蛋白装配的研究进展。如何重建中心体以满足细胞的需求？基于组装中心体蛋白质动态3D形态的目标，其团队利用系列超高分辨显微技术研究了中心中心体蛋白质的3D结构及形成过程。分别利用3D-SIM技术（120nm分辨）研究得出中心体的分层模型，及中心体蛋白动态装配顺序；进一步利用STED技术（50nm分辨率）研究得出中心体核心蛋白空间分布；接着，利用Expansion microscopy+3D-SIM技术（30nm分辨率）最终研究得出中心体九轴对称的分子基础结构。谈仪器技术之“铁打的”进口品牌：新技术百花齐放徕卡显微系统邢斯蕾介绍了徕卡去年推出的STELLARIS共聚焦平台。与以往平台相比，STELLARIS性能显著增强。蓝-绿波段的灵敏度增强（PDE 55%）提升了最常用光谱的检测限值和动态范围。集成式TauSense是基于荧光寿命而无需增加额外专用硬件的创新成像模式。能够让研究者区分特异性的荧光信号和多余的自发性荧光，从而改善最终图像的质量并通过光谱分离技术将原先无法分离的荧光分离出来。Andor（牛津仪器）王坤主要介绍了其多模式共聚焦显微成像系统Dragonfly，其核心功能是多点高速，高灵敏度共聚焦成像，其采集速度比普通点扫描共聚焦技术快至20倍。另外采用高分辨，高灵敏的探测器，有效减少活细胞成像的光毒性及光漂白，同时也适合于固定样品的高分辨快速三维成像。据介绍，该产品推出以来已经实现全球装机200台，中国装机50台。卡尔蔡司吕冰洁介绍了其去年推出的全新Lattice Light Sheet晶格层光显微镜——Lattice Lightsheet 7，该产品基于Ernst H.K. Stelzer教授在德国海德堡欧洲分子生物学实验室，以及诺贝尔奖获得者Eric Betzig教授在美国霍华德休斯医学研究所Janelia研究园区对于光片技术开创性的研究成果。该产品具有非常低的光毒性，从而能长时间以亚细胞分辨率观察细胞及微小生物体的3D动态过程。配置以环境温控系统以及稳定的光学设计，该产品能帮助研究人员连续观察活体样本数小时，甚至数天。奥林巴斯王咏婕主要介绍了其NoviSight 3D分析软件带来的共聚焦显微凸显分析新方法。该软件特别适合对多孔板多细胞球等标本在复杂的3D范围内进行数据分析。具有精准快速的3D检测、简单便捷的分类分析、数据图片实时联动、与多种共聚焦兼容等特点。上海仁科生物黎瑜辉介绍了美国3i光片显微镜系统产品，包括Lattice LightSheet（超分辨光片系统，实现活细胞内超分辨4D成像）、Marianas LightSheet（多功能光片显微镜，专为活细胞定制）、VIVO LightSheet（活体多光子成像系统）、Cleared Tissue LightSheet（CLTS光片显微镜，专为透明化组织成像定制）等。尼康仪器薛志红分享了其2020年推出的新品显微镜自动培养和成像系统BioPipeline-Live，可解决研究人员在细胞培养与细胞成像环节中的潜在难题。产品具有高内涵平台、摆脱箱式系统的束缚、强大软件系统等特性，采取了灵活的高内涵倒置显微镜平台,可适用于高内涵采集和分析的镜、探测器、影像采集设备和应用程序。软件系统NIS-Elements为用户提供了一个处理和分析工具箱，同时也搭载了全新三大AI模块。谈仪器技术之悄然崛起的国产技术：产业化品牌逐现中国科学院生物物理研究所黄韶辉研究员分享了其团队关于荧光相关光谱（FCS）单分子技术的仪器研发机产业化工作。相关成果在广东中科奥辉科技有限公司实现转化，研制出首创的桌面式荧光相关光谱单分子分析仪CorTectorTM SX100，被纳入中科院首批（2019）推荐国产仪器目录，并认定为广东省高新技术产品，首批客户包括美国国立卫生研究院（NIH）、加州大学旧金山分校等。锘海生物翟星帏主要介绍了其于2019年推出的锘海LS 18平铺光片显微镜，LS 18是一款为透明化大组织样品设计的高分辨率3D成像仪器，采用自主研发的动态虚拟光片平铺技术，克服传统光片显微镜3D空间分辨率、Z轴层析能力和成像视野之间的矛盾，摒弃了原有选择性平面照明显微镜中的单光片照明的方式，利用多个薄的光片分段照明，在不损失成像视野的情况下，获得高分辨率的3D图像，具有高速高分辨率成像、成像模式灵活可调，多色同时成像等优势。据悉，该产品已完成10台销售。北京大学陈良怡教授发明了一系列高时空分辨率生物医学成像方法，还将原创技术转化为国内急需的高端显微镜产品，解决国内高端显微镜“卡脖子”现状。发明的主要技术包括：高分辨微型化双光子显微镜、高三维成像速度的贝塞尔三光子荧光显微镜、大视场下高分辨双光子三轴扫描光片显微镜、海森结构光成像结构超分辨荧光显微镜等。在广州超视计生物科技有限公司产业化的自主创新超灵敏结构光超分辨显微镜HiS-SIM PRO，性能参数皆由于国外厂商同类高端超分辨显微镜，且商品化产品已经达到已经发表高水平文章中的效果。北京世纪桑尼赖博分享了公司于2018年启动研发，2019年实现上市的CSIM 100/110共聚焦成像系统，基于独特光路结构（激光和荧光相向穿过同一个针孔等）和自主开放的信号放大电路（更高信号转换效率等），该系统具有相应时间快、重复精度高等优点。目前该系统DAMO及装机用户包括兰州大学、遗传发育所、军科院、北京大学等高校院所，并表示性能不弱于进口品牌。最后，赖博分享了超分辨技术摄像的探讨及接下来的研发工作，基于其发现的无限远校正光学系统原理，提出增加扫描透镜和真空透镜距离，可提高系统轴向分辨率，突破物镜分辨率极限的计划畅想。

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