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从0到1,哈工大光学超分辨显微成像技术领域取得突破性进展


  来源: 中国仪器仪表学会 时间:2021-11-17 编辑:仪器仪表WXF
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近日,哈尔滨工业大学仪器学院现代显微仪器研究所在光学超分辨显微成像技术领域取得突破性进展。研究团队在低光毒性条件下,把结构光显微镜的分辨率从110纳米提高到60纳米,实现了长时程、超快速、活细胞超分辨成像。11月16日,研究成果以《稀疏解卷积增强活细胞超分辨荧光显微镜的分辨率》(Sparse deconvolution improves the resolution of live-cell super-resolution fluorescence microscopy)为题,以长文形式在线发表于国际权威杂志《自然-生物技术》(Nature Biotechnology,2020年影响因子54.908,只发表对生命科学领域有重大突破的工程技术)。



该项研究成果主要由哈尔滨工业大学仪器学院和北京大学未来技术学院合作完成。哈尔滨工业大学为论文第一单位,哈工大博士生赵唯淞、北大博士后赵士群和李柳菊为论文共同第一作者,哈尔滨工业大学李浩宇副教授和北大陈良怡教授为论文共同通讯作者,我校刘俭教授和谭久彬院士均为论文共同作者和哈工大科研团队负责人。合作单位还包括中科院国家纳米中心、中科院生物物理所、武汉大学等。


显微仪器的分辨能力代表人类对科学探索的边界,2014年诺贝尔化学奖就授予了3位在超分辨率荧光显微技术领域取得重要成就的学者。哈尔滨工业大学现代显微仪器研究所团队提出了一种可突破光学衍射极限的计算显微成像算法,利用荧光成像的前向物理模型与压缩感知理论,并结合稀疏性与时空连续性的双约束条件,建立起一个通用的解算框架——稀疏解卷积技术,突破了现有光学超分辨显微系统的硬件限制,扩展了时空分辨率和频谱。



在此基础上,研究团队研发了超快结构光超分辨荧光显微镜系统(Sparse-SIM),该系统具有超分辨、高通量、非侵入、低毒性等特点,在高速成像条件下,具备优于60纳米的分辨率和超过1小时的超长时间活细胞动态成像性能。团队首次观察到了胰岛分泌过程中具有的两种特征的融合孔道,第一次利用线性结构光显微镜观察到只有在非线性条件下才能分辨的环状的不同蛋白标记的核孔复合体与小窝蛋白。此外,研究人员还展示了利用该影像技术解析肌动蛋白动态网络、细胞深处溶酶体和脂滴的快速行为,并记录了双色线粒体内外膜之间的精细相对运动。


该项工作在物理和化学方法基础上,首次从计算的角度提出了突破光学衍射极限的通用模型,实现了从0到1的原理创新,是目前活细胞光学显微成像中分辨率最高(60纳米)、速度最快(564帧/秒)、成像时间最长(1小时以上)的超分辨显微仪器。该技术框架也被证明适用于目前多数荧光显微镜成像系统模态,均可实现近两倍的稳定空间分辨率提升,为精准医疗和新药研发提供了新一代生物医学超分辨影像仪器,使未来大幅度加速疾病模型的高精度表征成为可能。


关键词:哈工大 光学超分辨显微成像技术 突破    浏览量:906

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