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中科院突破新型纳米显微镜,可实现更快成像

2019-12-14
来源:与非网

  引述外媒报道,中国科学院发布消息,中国研究团队开发了一种先进的成像技术,以前所未有的速度实现了超分辨率显微镜,并且图像数量更少。新方法应该可以捕获活细胞中以前无法达到的速度。

  超分辨率技术(通常称为纳米技术)通过克服光的衍射极限来实现纳米级分辨率。尽管纳米显微镜可以捕获细胞内单个分子的图像,但很难与活细胞一起使用,因为重建图像需要成百上千的图像 - 这个过程太慢,无法捕获快速变化的动力学。

  在由光学学会(OSA)出版的《高影响力研究》杂志 Optica 页中,中科院上海光学精密机械研究所(SIOM)的研究人员描述了他们如何使用称为“鬼影”的非常规成像方法提高纳米显微镜的成像速度。他们的新技术使用比传统纳米技术少几个数量级的图像来产生纳米分辨率。

  研究小组共同负责人王忠阳说:“我们的成像方法可以潜在地探测亚细胞结构中毫秒级尺度上发生的动力学,其空间分辨率为数十纳米 - 发生生物过程的时空分辨率。”

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  结合技术以实现更快的成像

  新方法基于随机光学重建显微镜(STORM),这是 2014 年获得诺贝尔化学奖的三位研究人员之一。STORM,有时也称为光激活定位显微镜(PALM),是一种使用荧光的广域技术在发光状态(亮)和暗状态(灭)之间切换的标签。

  采集成百上千个图像,每个图像捕获在给定时间开启的荧光标记的子集,可以确定每个分子的位置并用于重建荧光图像。

  研究人员转向重影成像,以加快 STORM 成像过程。鬼影成像通过将与对象交互的光图样与不与之交互的参考图样相关联来形成图片。

  单独地,灯光图案不会携带有关物体的任何有意义的信息。研究人员还使用了压缩成像技术,这是一种计算方法,可以使用更少的曝光量重建图像,因为它使用一种算法来填充丢失的信息。

  “尽管 STORM 需要低密度的荧光标记和许多图像帧,但是我们的方法可以使用很少的帧和高密度的荧光团来创建高分辨率图像,”研究团队的其他共同负责人之一韩申生说。“它也不需要任何复杂的照明,这有助于减少可能损害动态生物过程和活细胞的光致漂白和光毒性。”

  提高成像效率

  为了实施这项新技术,研究人员使用了一种称为随机相位调制器的光学组件,将样品中的荧光转变为随机的斑点图案。通过这种方式对荧光进行编码,可以使非常快的 CMOS 相机的每个像素在单个帧中收集来自整个对象的光强度。

  为了通过重影成像和压缩成像形成图像,将光强度与参考光图案关联起来只需一步即可。结果是更有效的图像获取,并减少了形成高分辨率图像所需的帧数。

  研究人员通过使用该技术对 60 纳米环成像来测试了该技术。新的纳米显微镜方法仅使用 10 张图像即可解决环问题,而传统的 STORM 方法可能需要多达 4000 帧才能达到相同的结果。新方法还解决了带有 100 幅图像的 40 纳米标尺。

  “我们希望这种方法可以用于各种荧光样品,包括那些荧光强度比本研究中所用荧光弱的样品。” Wang 说。

  研究人员还希望使该技术更快,以实现具有大视野的视频速率成像,从而获取 3D 和彩色图像。

  不得不说,从上个世纪中期一直到现在,芯片技术都是高科技领域的尖端技术,现在的一部智能手机都要用到几十款芯片,不仅如此,芯片的集成度越来越高,制造难度越来越大,即使强大如英特尔,这么多年来也一直徘徊在 14nm 工艺,迟迟没有大规模向 10nm 工艺转型。

  如果回想十年前,那个时候芯片的制造工艺可以一下子从 90nm 升级到 65nm,进而继续保持大幅度升级到 45nm、22nm 等工艺,但是近年来,芯片的制造工艺升级幅度越来越小,例如从 22nm 之后就开始进入 16nm 工艺,再之后就是 14nm、12nm、11nm、10nm、8nm,现在最先进的是 7nm,所以我们看到似乎每向前前进 1nm 都变得异常艰难。

  然而这次中科院科学家在芯片制造方面的重大突破,可以说为以后我们在芯片制造领域做好了技术支撑,而剩下的需要我们攻克的,也算是芯片领域的最后一段难关,就是芯片的制造设备,其中主要是光刻机,目前全球仅荷兰的 ASML 可以提供最为先进的支持极紫外光刻技术的光刻机,相信我们的科学家未来一定可以为我们带来惊喜,我们拭目以待,对此大家有什么看法呢?


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