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新技術(shù)可以把普通的顯微鏡變成超分辨率納米顯微鏡。

一個(gè)來(lái)自德國(guó)和挪威的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種可使傳統(tǒng)顯微鏡擁有納米級(jí)分辨率的光芯片。研究人員聲稱：光芯片不僅為更多的人開(kāi)啟了使用納米顯微鏡的大門，而且批量生產(chǎn)的光芯片將比當(dāng)前依賴于復(fù)雜顯微鏡的納米顯微技術(shù)提供更大的視野范圍。

納米顯微鏡又稱為超分辨率顯微鏡。科學(xué)家借助納米顯微鏡可以觀察到比衍射極限還小的物質(zhì)，衍射極限大約是可見(jiàn)光波長(zhǎng)的一半。納米顯微鏡的分辨率高達(dá)20~30納米，大約要比普通顯微鏡高10倍。這些技術(shù)在生物和醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用，有望增進(jìn)我們對(duì)疾病的理解，并改善醫(yī)療診斷。

德國(guó)比勒費(fèi)爾德大學(xué)的物理學(xué)家MarkSchüttpelz解釋道：“標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)顯微鏡的分辨率主要受到光的衍射極限的限制，這使得顯微鏡對(duì)可見(jiàn)光的分辨率介于200~300納米。但是，許多結(jié)構(gòu)的尺寸，尤其是諸如細(xì)胞區(qū)室之類的生物結(jié)構(gòu)都是小于衍射極限的。在這里，超分辨率將為我們理解細(xì)胞打開(kāi)新的視角，通過(guò)觀察蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的‘工作情況’，可以更好地理解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化。”

又貴又麻煩

大多數(shù)的納米顯微技術(shù)都是要先用熒光染料標(biāo)記待成像樣品內(nèi)的分子。之后，再用一種特殊的顯微鏡照射樣品，然后在納米精度下確定單個(gè)熒光分子的位置，并成像。但是，這些技術(shù)的問(wèn)題在于它們需要使用昂貴且復(fù)雜的設(shè)備。Schüttpelz說(shuō)：“獲得超分辨率圖像并不是一件簡(jiǎn)單直接的事情。雖然在市場(chǎng)上有一些相當(dāng)昂貴的納米顯微鏡，但是要想獲得高質(zhì)量的納米級(jí)分辨率圖像還得需要經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的且經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員?！?/span>

為了解決上述問(wèn)題，Schüttpelz及其同事完全改變了當(dāng)前的顯微技術(shù)。他們不再是將樣品放在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的顯微鏡的載玻片上，而是將簡(jiǎn)單的顯微鏡與復(fù)雜且高產(chǎn)量的光芯片相結(jié)合來(lái)成像，其中光芯片用以放置和照射樣品。

挪威北極大學(xué)的物理學(xué)家BalpreetAhluwalia解釋道：“我們的光芯片技術(shù)可以改裝任何標(biāo)準(zhǔn)的顯微鏡，從而使其分辨率達(dá)到納米量級(jí)?！?/span>

刻蝕凹槽

光芯片實(shí)質(zhì)上是一個(gè)波導(dǎo)，有了光芯片，顯微鏡不再需要安裝能激發(fā)熒光分子的光源。它由五個(gè)25~500微米寬的刻蝕凹槽構(gòu)成，這些凹槽被刻蝕在能使光發(fā)生全反射的復(fù)合材料上。

光芯片是由兩臺(tái)通過(guò)透鏡或透鏡光纖耦合到其上的固體激光器所照射。兩種不同波長(zhǎng)的光被很好地限制在凹槽內(nèi)，從而照射置于芯片上的樣品。顯微鏡上的透鏡和照相機(jī)記錄下了熒光信號(hào)，并利用所獲得的數(shù)據(jù)構(gòu)建出樣品的高分辨率圖像。

研究者使用肝臟細(xì)胞的成像來(lái)檢測(cè)光芯片的效果。他們證實(shí)：不足30秒，便可獲得視野范圍為0.5 × 0.5 平方毫米且分辨率約為340納米的圖像。目前為止，這是一種快到足以獲取細(xì)胞中生命動(dòng)態(tài)的技術(shù)。若成像時(shí)間大于30分鐘，則在同樣大小的視野范圍，其分辨率可達(dá)到140納米。使用該芯片同樣可以獲得分辨率小于50納米的圖像，但是需要更高放大率的透鏡，而且要將視野范圍限制在150微米左右。

大量細(xì)胞

Ahluwalia在《物理世界》上說(shuō)：“在納米顯微學(xué)中使用光芯片的優(yōu)勢(shì)在于它能夠分離入射的光并能探測(cè)入射光的傳播路徑，且借助波導(dǎo)可以照亮更大的視野范圍?！彼€補(bǔ)充說(shuō)：“利用這項(xiàng)技術(shù)，我們的團(tuán)隊(duì)可以獲得比其他顯微技術(shù)大100倍的超分辨圖像?！边@項(xiàng)技術(shù)使得將50個(gè)活細(xì)胞呈現(xiàn)在一張圖像上成為可能。

據(jù)Schüttpelz所說(shuō):“該技術(shù)是納米光學(xué)顯微鏡發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。不僅高度專業(yè)化的實(shí)驗(yàn)室能獲得超分辨率的圖像，而且全球的許多科學(xué)家都能改裝標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡以使用波導(dǎo)芯片，從而使標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡成為超分辨率的顯微鏡。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，任何人都可以以較低的成本使用納米顯微鏡?！?/span>

作者：Michael Allen

翻譯：邱云

校審：趙昌昊

原文章鏈接：https://www.163.com/dy/article/HQ735A2R0553THP6.html

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