科研新聞

工學院席鵬課題組在結構光照明顯微成像上取得新進展

2020-06-14

近年來,超分辨顯微成像技術的發展為科學家們探索納米尺度的微觀世界提供了技術支持。其中,結構光照明顯微成像技術(SIM)具有成像速度快、標記簡單、光毒性小、能進行活細胞成像等優勢,尤為受到生物學家的青睞。一般商用和實驗室搭建的快速結構光照明顯微成像系統多采用空間光調制器和激光干涉來實現結構光照明,但其價格昂貴。也有研究人員使用數字微透鏡陣列(DMD)與非相干光源投影來實現結構光照明,雖降低了成本,但受衍射極限的限制很難獲得高對比度的結構光。

為了實現快速、低成本、高分辨率的結構光照明顯微成像,北京大學席鵬課題組開發了基于數字微鏡陣列的激光干涉結構光照明顯微成像系統(LiDMD-SIM)。相關研究成果以“Structured Illumination Microscopy using Digital Micro-mirror Device and Coherent Light Source”為題,發表于Applied Physics Letters期刊(原文鏈接:https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0008264),并得到SciLight的新聞報道(https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0001456)。

DMD作為閃耀光柵,其衍射特性與波長和入射角度相關,這些參數的設置會對SIM的成像質量產生影響。因此,席鵬等人首先對DMD衍射過程進行了仿真分析和實驗探究,確定了滿足DMD閃耀條件(形成強度均一的正負1級光)的光路設置?;诖?,研究人員選定561 nm的激光光源以12°入射至DMD這一條件搭建了 LiDMD-SIM成像系統,并分別對100 nm的熒光小球,哺乳動物細胞的核孔復合物以及微管進行了成像。成像結果顯示,該系統可以獲得相比于寬場成像兩倍的空間分辨率,可應用于多種不同的生物樣本中。進一步,通過同時使用DMD的開關角度調制特性,席鵬等人提出了實現多色LiDMD-SIM成像的新方法。LiDMD-SIM技術首次利用DMD和激光干涉來進行SIM成像,具有快速、空間分辨率高、樣品毒性小、多色成像以及成本低等優點,在解決細胞器間相互作用等多種生物學問題方面具有廣闊的應用前景。


圖 1 LiDMD-SIM系統示意圖及成像結果圖

席鵬課題組近年來致力于SIM超分辨成像技術開發,如:1) 開發了減幀SIM技術將結構光成像的速率提升2倍以上 (IEEE TIP 2018);2) 開發了偏振光結構光顯微技術,同時提取熒光偶極子的方位角與空間超分辨信息(Nature Communications 2019。這一工作得到Nature Methods的研究亮點評述(https://www.nature.com/articles/s41592-019-0682-6);3) 參與了Hessian-SIM超高速結構光成像技術的開發,并提出滾動SIM技術,可提升SIM成像速度3倍以上(Nature Biotechnology 2018)這些工作為本工作奠定了堅實基礎。

本文工作共同第一作者為工學院生物醫學工程系博士生李美琪和李雅寧。席鵬教授與課題組博士后張昊為共同通訊作者。本工作受到國家自然科學基金委、科技部、北京市科委杰出青年科學基金、北京大學儀器專項的資助。

 

 

 
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