普通显微镜用特殊设计的光收缩材料观察超分辨率

Light-Shrinking材料

这种光收缩材料使传统的光学显微镜变成超分辨率显微镜。信贷:Junxiang赵

加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)的电气工程师开发了一种技术,可以提高普通光学显微镜的分辨率,从而可以直接观察活细胞的更精细结构和细节。

这项技术将传统的光学显微镜变成了所谓的超分辨率显微镜。它包括一种特殊的工程材料,当它照亮样品时,它缩短了光的波长——这种缩小的光本质上使显微镜能够以更高的分辨率成像。

“这种材料可以将低分辨率的光转换成高分辨率的光,”加州大学圣地亚哥分校电子和计算机工程教授刘兆伟(音译)说。“它非常简单易用。只需要将样品放在材料上,然后将整个材料放在普通显微镜下,不需要花哨的修改。”

光收缩材料倒置显微镜

放置在倒置显微镜台上的材料信贷:Junxiang赵

这篇文章发表在自然通讯,克服了传统光学显微镜分辨率低的缺陷。光学显微镜对活细胞的成像很有用,但它们不能用来观察更小的物体。传统的光学显微镜的分辨率限制为200纳米,这意味着任何比这个距离更近的物体都不能作为单独的物体被观察到。虽然有更强大的工具,如电子显微镜,可以看到亚细胞结构的分辨率,但它们不能用于活细胞成像,因为样本需要放置在真空室中。

刘说:“主要的挑战是找到一种技术,它既具有很高的分辨率,又对活细胞安全。”

刘的团队开发的技术结合了这两种特性。有了它,传统的光学显微镜可以用高达40纳米的分辨率来成像活的亚细胞结构。

双曲超材料显微镜

对比无双曲超材料(左列)和双曲超材料(右列)的光学显微镜拍摄的图像:Cos-7细胞中两个紧密的荧光珠(上列),量子点(中列)和肌动蛋白丝(下列)。来源:自然通讯

该技术由一个显微镜载玻片组成,载玻片上覆盖着一种称为双曲超材料的光收缩材料。它由纳米级的银和硅玻璃交替层组成。当光通过时,它的波长会缩短并散射,产生一系列随机的高分辨率斑点图案。当一个样本被安装在幻灯片上时,它会被这一系列散斑光模式以不同的方式照亮。这就产生了一系列低分辨率的图像,所有这些图像都被捕获,然后通过重建算法拼接在一起,产生了高分辨率的图像。

研究人员用商用倒置显微镜测试了他们的技术。他们能够在荧光标记的Cos-7细胞中成像细小的特征,如肌动蛋白丝——这些特征仅用显微镜本身是无法清晰识别的。这项技术还使研究人员能够清楚地分辨出间隔在40到80纳米的微小荧光珠和量子点。

研究人员表示,这种超分辨率技术在高速运行方面具有巨大潜力。他们的目标是将高速、超分辨率和低光毒性结合到一个活细胞成像系统中。

刘的团队现在正在扩展这项技术,以便在三维空间中进行高分辨率成像。这篇论文表明,该技术可以在二维平面上产生高分辨率的图像。刘的团队之前发表了一篇表明该技术也能够以超高的轴向分辨率(约2纳米)成像。他们现在正致力于将两者结合起来。

参考文献:Yeon Ui Lee, Junxiang Zhao, Qian Ma, Larousse Khosravi Khorashad, Clara Posner, guangu Li, G. Bimananda M. Wisna, Zachary Burns, Jin Zhang和Zhaowei Liu, 2021年3月10日,自然通讯
DOI: 10.1038 / s41467 - 021 - 21835 - 8

这项研究得到了Gordon and Betty Moore基金会和美国国立卫生研究院(R35 CA197622)的支持。这项工作是在加州大学圣地亚哥分校的圣地亚哥纳米技术基础设施(SDNI)完成的,SDNI是国家纳米技术协调基础设施的成员,该基础设施由国家科学基金会(echs -1542148赠款)支持。

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