熒光助力顯微技術(shù)迎新突破

2021年伊始，顯微鏡技術(shù)也迎來(lái)新的跨越。光物理學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種新方法，利用現(xiàn)有顯微鏡技術(shù)，無(wú)需添加染色劑或熒光染料，就能更詳細(xì)地觀察活細(xì)胞內(nèi)部。一種熒光壽命顯微鏡技術(shù)，能夠使用頻率梳而不是機(jī)械部件來(lái)觀察動(dòng)態(tài)生物現(xiàn)象。

我認(rèn)為無(wú)標(biāo)簽技術(shù)將是一個(gè)重要的研究方向。特別是以無(wú)標(biāo)簽的方式對(duì)細(xì)胞內(nèi)外病毒和外來(lái)體等小顆粒進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)將是未來(lái)成像設(shè)備的一個(gè)趨勢(shì)?！?/p>

其中一項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)者、日本東京大學(xué)光子科學(xué)與技術(shù)研究所副教授Takuro Ideguchi在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示。

更大范圍 更小相位變化

由于單個(gè)細(xì)胞幾乎是半透明的，因此顯微鏡照相機(jī)必須能探測(cè)到穿過(guò)部分細(xì)胞的光線的極其細(xì)微的差異。這些差異被稱(chēng)為光的相位。相機(jī)圖像傳感器則受到它們能檢測(cè)到的光相位差的限制，即動(dòng)態(tài)范圍。

“為了使用同一圖像傳感器看到更詳細(xì)的信息，我們必須擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，這樣就可以探測(cè)到更小的光相位變化?！?/p>

Ideguchi說(shuō)，“更大的動(dòng)態(tài)范圍允許我們測(cè)量小型和大型的相位圖像。例如，如果測(cè)量一個(gè)細(xì)胞，細(xì)胞的主干會(huì)產(chǎn)生大的相位變化，而細(xì)胞內(nèi)的小顆粒/分子會(huì)產(chǎn)生小的相位變化。為了使兩者可視化，我們必須擴(kuò)大測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍?！?/p>

該研究小組開(kāi)發(fā)了一種技術(shù)，通過(guò)兩次曝光分別測(cè)量光相位的大小變化，然后將它們無(wú)縫連接起來(lái)，制造出詳細(xì)的最終圖像。

他們將這種方法命名為自適應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍偏移定量相位成像（ADRIFT-QPI）。相關(guān)論文近日發(fā)表于《光：科學(xué)與應(yīng)用》。

一直以來(lái)，定量相位成像是觀察單個(gè)細(xì)胞的有力工具，它允許研究人員進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量，比如根據(jù)光波的位移跟蹤細(xì)胞的生長(zhǎng)速度。然而，由于圖像傳感器的飽和容量較低，該方法無(wú)法跟蹤細(xì)胞內(nèi)及周?chē)募{米顆粒。

而新方法克服了定量相位成像的動(dòng)態(tài)范圍限制。在ADRIFT-QPI中，相機(jī)需要兩次曝光，并產(chǎn)生一個(gè)最終圖像，其靈敏度是傳統(tǒng)定量相顯微鏡的7倍。

兩次曝光 告別光毒

第一次曝光是用常規(guī)的定量相位成像產(chǎn)生的——平的光脈沖指向樣品，并在它通過(guò)樣品后測(cè)量光的相移。計(jì)算機(jī)圖像分析程序基于第一次曝光的圖像，快速設(shè)計(jì)一個(gè)反射樣品圖像。

然后，研究人員用一個(gè)叫做波前整形裝置的獨(dú)立組件，用更高強(qiáng)度的光產(chǎn)生一種“光雕塑”，以獲得更強(qiáng)的照明，并向樣品發(fā)出脈沖，進(jìn)行第二次曝光。

如果第一次曝光產(chǎn)生的圖像是樣品的完美代表，第二次曝光的雕刻光波將以不同的相位進(jìn)入并穿過(guò)樣品，最終只能看到一個(gè)黑暗的圖像。

“有趣的是，我們?cè)谀撤N程度上抹去了樣本的圖像。實(shí)際上，我們幾乎什么都不想看到。我們?nèi)サ袅舜蟮慕Y(jié)構(gòu)，這樣就能看到小的細(xì)節(jié)?！?/p>

Ideguchi解釋道，由于第一次測(cè)量中存在較大的相位對(duì)象，受動(dòng)態(tài)范圍的限制，無(wú)法對(duì)較小的相位對(duì)象進(jìn)行可視化，研究人員稱(chēng)之為“洗掉”。

他們需要第二次測(cè)量觀察動(dòng)態(tài)范圍移位的小相位物體的細(xì)節(jié)。

此外，該方法不需要特殊的激光、顯微鏡或圖像傳感器，研究人員可以使用活細(xì)胞，而且不需要任何染色或熒光，出現(xiàn)光毒性的可能性很小。

光毒性是指用光殺死細(xì)胞，這也是其他成像技術(shù)如熒光成像面臨的一個(gè)問(wèn)題。

改造熒光成像

實(shí)際上，熒光顯微鏡廣泛用于生物化學(xué)和生命科學(xué)，因?yàn)樗试S科學(xué)家直接觀察細(xì)胞及其內(nèi)部和周?chē)哪承┗衔铩晒夥肿幽芪仗囟úㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)的光，然后在較長(zhǎng)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)重新發(fā)射。

然而，傳統(tǒng)熒光顯微技術(shù)的主要局限性是其結(jié)果難以定量評(píng)價(jià)，而且熒光強(qiáng)度受實(shí)驗(yàn)條件和熒光物質(zhì)濃度的顯著影響。現(xiàn)在，一項(xiàng)新研究將徹底改變熒光顯微鏡領(lǐng)域。

當(dāng)熒光物質(zhì)被一束短脈沖光照射時(shí)，產(chǎn)生的熒光不會(huì)立即消失，而是隨著時(shí)間的推移“衰減”。

但熒光衰減非?？?，普通相機(jī)無(wú)法捕捉到它。雖然可以使用單點(diǎn)光電探測(cè)器，但必須在整個(gè)樣本區(qū)域進(jìn)行掃描，才能從每個(gè)測(cè)量點(diǎn)重建出完整的二維圖像。這個(gè)過(guò)程涉及到機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)，這極大限制了圖像捕捉的速度。

幸運(yùn)的是，在最近發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種不需要機(jī)械掃描就能獲得熒光壽命圖像的新方法。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的日本德島大學(xué)Post-LED光子學(xué)研究所教授Takeshi Yasui告訴記者，“我們能在2D空間上同時(shí)映射44400個(gè)‘光秒表’來(lái)測(cè)量熒光壽命——所有這些都在一次拍攝中，不需要掃描?！?/p>

研究人員使用光學(xué)頻率梳作為樣品的激發(fā)光。一個(gè)光學(xué)頻率梳本質(zhì)上是一個(gè)光信號(hào)，它們之間的間隔是恒定的。

研究人員將一對(duì)激發(fā)頻率梳信號(hào)分解為具有不同強(qiáng)度調(diào)制頻率的單個(gè)光拍信號(hào)（雙梳光拍），每個(gè)光拍攜帶單個(gè)調(diào)制頻率，輻照到目標(biāo)樣品上。

而且，每束光束都在一個(gè)不同的空間位置擊中樣本，在樣本二維表面的每個(gè)點(diǎn)和雙梳光拍的每個(gè)調(diào)制頻率之間形成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

研究人員用數(shù)學(xué)方法將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，根據(jù)調(diào)制頻率處的激發(fā)信號(hào)與測(cè)量信號(hào)之間存在的相位延遲，計(jì)算出每個(gè)像素處的熒光壽命。

Yasui表示，這將有助于動(dòng)態(tài)觀察活細(xì)胞，還可以用于多個(gè)樣本的同時(shí)成像和抗原檢測(cè)——這種方法已經(jīng)被用于新冠肺炎的診斷。該技術(shù)還有助于開(kāi)發(fā)出新的頑固性疾病療法，提高預(yù)期壽命。

同樣，Ideguchi也提到，ADRIFT-QPI能夠在整個(gè)活細(xì)胞的背景下看到微小顆粒，而不需要任何標(biāo)簽或染色。

“該技術(shù)可以檢測(cè)到來(lái)自納米級(jí)粒子的細(xì)小信號(hào)，比如病毒或在細(xì)胞內(nèi)外移動(dòng)的粒子，這樣就可以同時(shí)觀察它們的行為和細(xì)胞的狀態(tài)?！?br /> 責(zé)編AJX