逍遥学能 2018-09-16 22:13
镜子或许是我们人类最早发明的光学器件。迄今为止，它仍然在我们日常生活中扮演者重要作用。通过将一个简单的反射面引入生物显微样品中，北京大学席鹏课题组解决了一个长期以来困扰科学家的问题：将显微镜的三个维度的分辨率同时提升，以便对细胞进行更好的观察。
这一新技术巧妙地利用了光的干涉，当光在到达镜面后，反射波会和入射波形成一层100纳米的干涉层，将成像平面约束在其中。这一技术所达到的轴向分辨率比传统的共聚焦等技术提升了6倍。这一技术被称作MEANS。通常显微镜的分辨率在水平方向较高，而轴向较低。通过干涉，这一技术将轴向分辨率降低到了100nm的水平，甚至超过了水平分辨率。
MEANS可以与几乎所有共聚焦技术完美地结合，带来轴向超分辨。同时，将它与STED超分辨技术结合后，MEANS不仅能够提升STED的轴向分辨率，同时能够使得STED在不增加光强的前提下，分辨率进一步提升2倍。由于生物样品不能工作在高光强下，这一发现对于生命科学的应用至关重要。本文展示了MEANS增强的STED达到了19nm的分辨率，这也是STED超分辨在生物样品上达到的分辨率的最高纪录。
这一工作发表在Nature旗下的Light:Science&Applications，作者来自北京大学、美国佐治亚理工学院和澳大利亚悉尼技术大学。
本文的通讯作者，北京大学席鹏副教授提到：“在过去，生命学家观察到的视野被光学显微镜的水平和轴向分辨率所限制。这就好比阅读一叠打印在透明塑料上的报纸一样，很多层被叠在一起。通过在样品下面放置镜面形成一个极薄的干涉层，我们能够将成像平面约束在其中，因此每张报纸上的字迹就变得更加清楚了。”他同时提到，通过干涉可提升电磁场的强度，因此能够进一步增强超分辨显微的水平分辨率，用于解析细胞核孔和人类呼吸道合胞体病毒的精细结构。
本文的合作者之一，悉尼技术大学的金大勇教授提到：“这一简单的技术使得我们能够看清楚过去在细胞中无法看清的事物。一个细胞是10微米大小的球体，在它里面一个细胞核大约5微米左右，其上布满了小小的叫做核孔蛋白的物质。这些核孔蛋白就像一道道闸门，用于调控信使生物大分子，其大小约在十五分之一到二十分之一个微米的大小。MEANS超分辨技术让我们能够看清这些微孔的精细结构。”
虽然MEANS对于光学系统的要求非常小，在镜子上生长样品并不是常规的样品制备过程，因此需要广泛的合作。美国佐治亚理工学院生物医学工程系的PhilipJ.Santangelo教授团队是本文的重要合作者，该团队发展了一系列细胞和病毒染色的技术。相关的细胞培养技术由佐治亚理工学院的博士生EricAlonas，和北京大学-佐治亚理工学院联合培养博士谢浩共同开发完成。