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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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超分辨顯微鏡研究獲進(jìn)展

2019-12-16 上海高等研究院

【字體：大中小】

語音播報

　　超分辨光學(xué)顯微技術(shù)通過克服光的衍射極限來實現(xiàn)納米級的分辨率。盡管傳統(tǒng)超分辨顯微鏡可以定位細(xì)胞內(nèi)單個分子，并構(gòu)建超分辨圖像，但在活細(xì)胞中卻很難使用，因為重建圖像需要成百上千幀——這個過程太慢，無法捕捉快速變化的動力學(xué)過程。為了解決這個問題，該研究團(tuán)隊將隨機(jī)相位調(diào)制器加入到熒光顯微鏡中實現(xiàn)熒光信號的編碼，并結(jié)合鬼成像技術(shù)與隨機(jī)測量壓縮感知方法，大幅度提高圖像信息獲取效率，數(shù)量級地減少重構(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單幀熒光圖像的采樣就可實現(xiàn)80nm分辨率的超分辨光學(xué)成像。

　　此外，研究的新方法還與2014年諾貝爾獎三大超分辨率技術(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)減少了一個數(shù)量級以上。研究結(jié)果顯示成像一個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，有利于長時間的動態(tài)生物過程和活細(xì)胞成像研究。因此這項創(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。

　　文章的第一作者是上海高研院博士研究生李文文。該工作受到國家重點研發(fā)計劃（“數(shù)字診療裝備研發(fā)”專項）的資助。

圖：顯微鏡裝置示意圖與重構(gòu)結(jié)果

　　中國科學(xué)院上海高等研究院宏觀量子中心研究員王中陽課題組和中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所量子光學(xué)實驗室研究員韓申生課題組合作，首次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。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)表在美國光學(xué)學(xué)會刊物OPTICA上（DOI: 10.1364/OPTICA.6.001515），并被美國光學(xué)學(xué)會（The Optical Society, OSA）作為高影響研究工作在發(fā)表的同時同步向媒體進(jìn)行宣傳推廣。
　　超分辨光學(xué)顯微技術(shù)通過克服光的衍射極限來實現(xiàn)納米級的分辨率。盡管傳統(tǒng)超分辨顯微鏡可以定位細(xì)胞內(nèi)單個分子，并構(gòu)建超分辨圖像，但在活細(xì)胞中卻很難使用，因為重建圖像需要成百上千幀——這個過程太慢，無法捕捉快速變化的動力學(xué)過程。為了解決這個問題，該研究團(tuán)隊將隨機(jī)相位調(diào)制器加入到熒光顯微鏡中實現(xiàn)熒光信號的編碼，并結(jié)合鬼成像技術(shù)與隨機(jī)測量壓縮感知方法，大幅度提高圖像信息獲取效率，數(shù)量級地減少重構(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單幀熒光圖像的采樣就可實現(xiàn)80nm分辨率的超分辨光學(xué)成像。
　　此外，研究的新方法還與2014年諾貝爾獎三大超分辨率技術(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)減少了一個數(shù)量級以上。研究結(jié)果顯示成像一個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，有利于長時間的動態(tài)生物過程和活細(xì)胞成像研究。因此這項創(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。
　　文章的第一作者是上海高研院博士研究生李文文。該工作受到國家重點研發(fā)計劃（“數(shù)字診療裝備研發(fā)”專項）的資助。
　　圖：顯微鏡裝置示意圖與重構(gòu)結(jié)果
　　

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