超分辨率显微镜

突破性技术重新定义光学显微镜

和传统光学显微镜相比超分辨率显微镜具有更高的分辨率,近年来在生命科学研究的前沿研究中越来越被受重视。尼康的创新技术实现了纳米级观察,直观呈现细胞内最为错综复杂的结构。

在光学领域,包括照相机和显微镜,分辨率或分辨力指的是区分两种相近物体的能力。一般来说,传统显微镜受限于物镜大小和光波长,其最大分辨率约为200纳米。超分辨率显微镜的分辨率则要高得多。

用光学方法观察错综复杂的细胞器结构在过去是不可能的。现在超分辨率显微镜做到了。这将大大促进多种领域的发展,尤其是在对纳米级观察有着极大需求的医学和生物学领域。

N-SIM

超分辨率显微镜N-SIM通过结合尼康独特的光学技术和结构化照明显微术(简称SIM,由Dr. Mats G.L. Gustafsson*于2000年在旧金山加州大学宣布的一项技术),获得高效的超分辨能力,达到传统光学显微镜约两倍的分辨率。

利用带有精细条纹图案的照明光源(结构化照明)投射到样本上会生成摩尔纹图形,从而降低了图像的空间频率,使得原本超越物镜分辨能力的精细图像也能容易地被光学显微镜捕捉。N-SIM在拍摄过程中不断变化结构照明的方向和相位,得到一系列含有摩尔纹的图像。然后对这些图像进行分析处理,通过数学方式还原样本的复杂结构。采用这一突破性技术,N-SIM通过使用新的照明方案,在不用大幅度更改显微镜原理的同时显著提高了分辨率。

超分辨图像还原过程:使用在不同方向和相位捕获的多个带条纹的照片生成超分辨率图像。
传统显微镜捕获的图像
N-SIM捕获的图像

N-STORM

尼康与哈佛大学合作,采用哈佛的随机光学重建显微镜(STORM)技术,共同开发了用于荧光观察的超分辨率显微镜N-STORM。

荧光观察的原理是通过激发光(如可见激光等)照射样本激发荧光分子,捕获释放的荧光光子并成像。当一个观察样本的几个荧光分子的距离小于200纳米——超过最大分辨力时,传统显微镜则无法分辨图像,只能观察到一片模糊。

N-STORM利用新发现的荧光分子,其在特定情况下会反复闪烁。显微镜将激光照射到上述荧光分子使其反复闪烁,捕获荧光分子并以十几纳米的精度准确定位。显微镜重复操作此过程5000至10000次,重构图像,犹如点刻图片一般。有了这一新技术,N-STORM的分辨率达到传统光学显微镜的约10倍。