鬼成像方法加快超分辨率熒光光學(xué)顯微鏡成像速度

　　【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院宏觀量子中心研究員王中陽(yáng)課題組和中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究員韓申生課題組合作，提出利用鬼成像方法加快超分辨率熒光光學(xué)顯微鏡的成像速度。
 

 

　　“鬼”成像( ghost imaging)又稱雙光子成像( two-photon imaging ) 或關(guān)聯(lián)成像( correlated imaging) ，是一種利用雙光子復(fù)合探測(cè)恢復(fù)待測(cè)物體空間信息的一種新型成像技術(shù)傳統(tǒng)的光學(xué)觀察是基于光場(chǎng)的強(qiáng)度的分布測(cè)量，關(guān)聯(lián)光學(xué)則基于光場(chǎng)的強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)測(cè)量，并且現(xiàn)有的成像技術(shù)主要利用光場(chǎng)的一階關(guān)聯(lián)信息(強(qiáng)度與位相)，而經(jīng)典“鬼”成像利用的光場(chǎng)的二階關(guān)聯(lián)被認(rèn)為是一種強(qiáng)度波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)相關(guān)。
 

　　新方法有望捕獲細(xì)胞內(nèi)以亞毫秒速度發(fā)生的生物過(guò)程。相關(guān)研究成果以Single-frame wide-field nanoscopy based on ghost imaging via sparsity constraints 為題發(fā)表在美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)刊物OPTICA上(DOI: 10.1364/OPTICA.6.001515)，并被美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)(The Optical Society, OSA)作為高影響研究工作在發(fā)表的同時(shí)同步向媒體進(jìn)行宣傳推廣。
 

　　超分辨光學(xué)顯微技術(shù)通過(guò)克服光的衍射極限來(lái)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的分辨率。盡管傳統(tǒng)超分辨顯微鏡可以定位細(xì)胞內(nèi)單個(gè)分子，并構(gòu)建超分辨圖像，但在活細(xì)胞中卻很難使用，因?yàn)橹亟▓D像需要成百上千幀——這個(gè)過(guò)程太慢，無(wú)法捕捉快速變化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。為了解決這個(gè)問(wèn)題，該研究團(tuán)隊(duì)將隨機(jī)相位調(diào)制器加入到熒光顯微鏡中實(shí)現(xiàn)熒光信號(hào)的編碼，并結(jié)合鬼成像技術(shù)與隨機(jī)測(cè)量壓縮感知方法，大幅度提高圖像信息獲取效率，數(shù)量級(jí)地減少重構(gòu)超分辨圖像所需的采樣幀數(shù)。研究結(jié)果表明，在高標(biāo)記密度下只需要通過(guò)單幀熒光圖像的采樣就可實(shí)現(xiàn)80nm分辨率的超分辨光學(xué)成像。
 

　　光學(xué)顯微鏡憑借其非接觸、無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)是生物醫(yī)學(xué)研究的重要工具。但是，自1873年以來(lái)，人們一直認(rèn)為，光學(xué)顯微鏡的分辨率極限約為200 nm，無(wú)法用于清晰觀察尺寸在200 nm以內(nèi)的生物結(jié)構(gòu)。超分辨光學(xué)成像(Super-resolution Optical Microscopy)是本世紀(jì)光學(xué)顯微成像領(lǐng)域重大的突破，打破了光學(xué)顯微鏡的分辨率極限(換言之，超越了光學(xué)顯微鏡的分辨率極限，故被稱為超分辨光學(xué)成像)，為生命科學(xué)研究提供了工具。
 

　　此外，研究的新方法還與2014年諾貝爾獎(jiǎng)三大超分辨率技術(shù)之一的隨機(jī)光學(xué)重建顯微鏡(STORM)相結(jié)合，將STORM的采樣幀數(shù)減少了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。研究結(jié)果顯示成像一個(gè)60nm的環(huán)，該方法只用10幀圖像就可以重構(gòu)圖像，而傳統(tǒng)的STORM方法需要多達(dá)4000幀圖像才能達(dá)到同樣的效果。該方法還實(shí)現(xiàn)用100幀圖像分辨40nm標(biāo)尺。并且研究的超分辨成像顯微鏡不需要高的照明強(qiáng)度，這有助于減少光漂白和光毒性，有利于長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)生物過(guò)程和活細(xì)胞成像研究。因此這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)有望在生物、醫(yī)學(xué)等超分辨顯微成像研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
 

　　資料來(lái)源：上海高等研究院、百科