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先进院超分辨光学显微成像方面取得重大突破

2017-06-21 09:58
flinay
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近日,中国科学院深圳先进技术研究院郑炜研究员与美国国立卫生研究院Hari Shroff教授合作,成功研发出新型双光子激发的超分辨光学显微成像系统,该系统同时具备超分辨光学显微成像功能和大深度三维成像能力,使光学超分辨成像深度推进至破纪录的250微米,相应研究成果Adaptive optics improves multiphotonsuper-resolution imaging(《自适应光学提升超分辨显微成像》)发表在2017年8月刊《自然-方法》(Nature Methods)上,郑炜研究员是该文的第一作者兼通讯作者。

“看得细”和“看得深”是光学显微成像领域面临的两大挑战,经过科研人员几十年来的不懈努力,无论是在“看得细”还是“看得深”方面,都涌现了一批创新技术,取得了巨大成功,但是同时具备“看得细”和“看得深”这两项功能的光学显微成像技术却并不多见。

在该项研究中,郑炜等人把具备深层生物组织成像能力的双光子显微成像技术(Two-Photon Microscopy, TPM)和具备超分辨成像功能的瞬时结构光照明显微成像技术(InstantStructuredIllumination Microscopy, ISIM) 有机结合起来,实现双光子激发的超分辨显微成像功能。同时,研究人员又利用自适应光学(Adaptive Optics, AO)技术成功克服了由生物组织引起的波前相位畸变问题,最终实现176纳米的横向分辨率、729纳米的纵向分辨率及250微米的探测深度的成像效果。利用该技术,可以对细胞、线虫胚胎及幼虫、果蝇脑片和斑马鱼胚胎开展高清晰三维成像研究,成像效果显著优于传统双光子成像质量。值得一提的是,由于该技术提高了光子利用效率,从而降低了所需激光功率,可以对线虫胚胎的发育过程开展长时间、高清晰地三维动态观测。在长达1个小时的连续三维成像过程中未对线虫胚胎发育造成任何影响,该技术对胚胎发育研究具有重要作用。

该研究得到了国家自然科学基金、国家重点基础研究发展(973)计划和深圳市海外高层次人才创新创业孔雀计划的项目支持。

左图为果蝇脑片在传统双光子成像(2P WF)、双光子超分辨成像(2P ISIM)和结合有自适应光学的双光子超分辨(2P ISIM AO)显微成像结果对比,右上图为位于胶原凝胶150微米深处细胞三维成像对比,可见无论是横向还是纵向,新技术的分辨率都有显著提升。右下图为线虫胚胎发育过程中连续1小时的三维观测,细胞正常分裂进程证明了该技术可用于胚胎发育动态研究。

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