北京大学未来技术学院席鹏团队开发保真优先的荧光显微镜反卷积方法
技术前沿2024/9/5 8:53:27
滨松将双光子激发荧光显微镜空间分辨率提高了20%
来源：滨松中国2022/6/7 9:30:22126
导读
滨松公司利用多年积累的自主光控技术和空间光调制器(Spatial Light Modulator，以下简称SLM *1)，确立了双光子激发荧光显微镜的空间分辨率增强技术。
滨松公司利用多年积累的自主光控技术和空间光调制器(Spatial Light Modulator，以下简称SLM *1)，确立了双光子激发荧光显微镜的空间分辨率增强技术。
目前脑神经科学和生物学等领域里，使用SLM的双光子激发荧光显微镜得到广泛利用且已经进入实用化阶段，利用上述空间分辨率增强技术，可方便地提高显微镜的分辨率，能对生物样品的深部进行精准化测量。其结果是能够以更高的精度观察到细胞内细胞器的状态变化，有助于推动脑功能研究和肾脏等疾病的病因分析等方面的应用。
本双光子显微镜外观
本研究成果发表在神经科学学术期刊“Frontiers in Neuroscience(前沿神经科学)” 4月20日(星期三)电子版上。是同滨松医科大学的生物光子学创新研究实验室和病毒与寄生虫学研究实验室合作完成的。※1 SLM：用液晶控制激光等入射光的波前，以调整反射光的波前形状，对入射光的像差和畸变进行 校正等，是可自由控制激光的照射模式的光学设备。
荧光显微镜的工作原理
光照射在以荧光色素等标记过样本时所发出的光被称为荧光。利用这种现象，可用激光照射特定位置使之发光，并用显微镜的光电检测器进行检测。
研究背景
在脑神经科学、生物学和医学等领域里，往往需要对大脑等有厚度生物样本的深层部位进行观测。双光子激发荧光显微镜是利用在生物体内具有良好穿透性的近红外光，它与传统的可见光荧光显微镜相比，能使激光到达样本的更深位置。但另一方面，深部样本会由于透镜特性和样品不同，产生所谓的像差(*2)而导致分辨率显著降低，因此我们在传统的双光子激发荧光显微镜中搭载了利用输入相息图可对像差进行校正的SLM，目的是推动双光子激发荧光显微镜的进一步实用化。
我们基于大学和科研机构等希望提高分辨率以能更精细地观察样本深部的需求，与滨松医科大学合作，一起开发提高分辨率的技术。※2像差：属于光的波面的畸变。如果存在像差，会导致聚光性变差，导致显微镜的分辨率和激光加工效率等变低。通过SLM调制波前，可以实现消除像差的目的。
SLM的像差校正原理
将用于校正像差的相息图通过计算机输入到SLM，入射到SLM的激光通过相息图得到校正后反射。在双光子激发荧光显微镜中，用校正像差后的激光照射样品可以得到更清晰的特定位置成像。
研究成果概要
此前我们已经开发了输入相息图到SLM的像差校正技术，能清晰观察到距离生物样本表面约200微米(以下简称μm，μ为百万分之一)深的组织。
本次我们基于多年积累的自主光控技术，通过对相息图图案环数量和形状等的分析，成功找到了能够实现更高分辨率的最佳图案。同时搭配能控制偏光(*3)的光学元件，进一步提高了分辨率。本次研究通过增加1个光学元件以及输入最佳的相息图图案，双管齐下，在不大幅修改显微镜光学系统的前提下，提高分辨率约20%。
通过应用本次研究成果，可以推进脑神经科学和生物学等广泛领域面向实用化的进程。而提高搭载SLM双光子激发荧光显微镜的分辨率，可对生物样品的深部进行清晰、高分辨和更精准的测量。结果表明，由于能够以高精度观察细胞内细胞器状态的变化，有望在脑功能研究和肾脏等疾病的病因查明等方面得到进一步的应用。此外，也期待其应用于未来的治疗药物的研发。
今后，我们将继续进行研发，以进一步提高分辨率并推进实用化。※3 偏光：是指偏向特定方向振动的光，或其状态。
传统双光子激发荧光显微镜(左)和搭载SLM双光子激发荧光显微镜(右)的测量实例
图例为测量球形荧光纳米金刚石样品表面约50um深度的测量结果。 图例为离表面约50um深度的球形荧光纳米金刚石样品的测量结果。 利用本次搭载SLM双光子激发荧光显微镜，可以实现比以往更高的分辨率。
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