提要：超分辨光學成像技術是目前國際上光學領域的一個重要研究方向，在此領域的取得的研究成果使西安光機所在超分辨光學顯微成像技術方面躋身于世界前列。該技術的成果轉化將改變我國在超分辨光學顯微鏡市場沒有自主知識產權高端科學儀器的局面。該技術通過與生物醫(yī)學、材料化學等學科的交叉合作，將大大提高我國在該領域的研究水平。
眾所周知，光學成像技術在人類探索和發(fā)現未知世界奧秘的活動中扮演著重要的角色。大到宇宙，小到分子，看得更遠、更細、更清楚是人們不斷追求的目標。但受限于光的衍射特性，傳統(tǒng)光學系統(tǒng)的空間分辨率不可能無限小，存在著瑞利-阿貝物理極限。能否突破這個極限，繼續(xù)提高光學系統(tǒng)的成像分辨率?成為當今光學領域公認的一個重大研究課題。
雖然電子顯微鏡、原子力顯微鏡等技術可以獲得更高的分辨率，但由于各種原因和限制(如不能活體實時成像，樣品制備復雜)，光學顯微鏡仍然是當前生物醫(yī)學、材料化學等學科研究中的主要觀測設備。但普通光學顯微鏡的橫向分辨率極限約為200nm，這對亞細胞結構和分子生物學研究還不夠精細。為了突破衍射極限，近年來涌現出了不少光學超分辨方法，如光激活定位法(PLAM)，隨機光學重構法(STORM)、受激發(fā)射損耗法(STED)等。但受限于單分子定位算法或點掃描成像方式，這幾種超分辨技術成像速度較慢，而且需要一些特殊染料標記樣品。另外一種方式就是使用結構光照明的顯微技術(SIM)，它使用特殊調制的光場照明樣品，通過空間頻譜處理的方式獲得超分辨圖像。由于它屬于寬場成像方式，因此成像速度很快。SIM技術目前只有美國、德國、英國、瑞士、日本等幾個國家掌握，我國在這方面的研究相對滯后。
作為明美光電的客戶，中科院西安光學精密機械研究所瞬態(tài)光學與光子技術國家重點實驗室姚保利研究組長期從事光學微操縱技術和光學超分辨成像等生物光子技術的研究工作(其中光鑷技術已產品化)。自2010年開始SIM成像技術以來，在科技部重大科學研究計劃項目和國家自然科學基金項目支持下，開展了深入細致的理論和實驗研究工作，掌握了其中的關鍵技術，并創(chuàng)新性地提出了與現有激光干涉照明SIM技術不同的方案(已申請國家發(fā)明專利)，首次提出并實現了基于數字微鏡器件(DMD)和LED照明的SIM技術。該技術與激光干涉照明SIM技術相比，具有更高的空間分辨率，更快的成像速度和更好的圖像質量，而且大大降低了裝置的復雜性和成本。經標定，系統(tǒng)的橫向分辨率達到了90nm，這也是目前國際上同類技術的最好水平。
為了驗證該技術和樣機裝置在生物醫(yī)學上的實際應用效果，研究組與國內第四軍醫(yī)大學和德國康斯坦茨大學進行了聯(lián)合實驗研究，利用該系統(tǒng)成功獲得了牛肺動脈內皮細胞(BPAE)線粒體和小鼠腦神經元細胞的超分辨圖像，并且還實現了小鼠腦神經元細胞和植物花粉的三維光切片成像，其成像深度和成像速度比當前同類切片顯微技術均提高了約十倍，這對深層生物樣品的大面積快速三維成像提供了一種新的技術手段。該研究成果發(fā)表在1月23日出版的Nature子刊Scientific Reports上，論文題為DMD-based LED-illumination Super-resolution and optical sectioning microscopy。
超分辨光學成像技術是目前國際上光學領域的一個重要研究方向，本研究取得的成果使西安光機所在超分辨光學顯微成像技術方面躋身于世界前列。該技術通過與生物醫(yī)學、材料化學等學科的交叉合作，將大大提高我國在該領域的研究水平。同時該技術的成果轉化將改變我國在超分辨光學顯微鏡市場沒有自主知識產權高端科學儀器的局面。
（來源：中國科學院）
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