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光學工程
結構照明顯微術,令小動物纖毫畢現

對生物結構在不同尺度、不同維度和不同部位的觀察與形態分析,為科學研究提供了最直接的證據,在眾多學科領域扮演著不可或缺的角色。目前生物結構的二維形態觀察手段已非常成熟,但三維成像技術手段卻明顯滯后且應用范圍不廣。已有的三維成像技術無法同時解決復雜突變樣本的形態信息缺失、成像速度慢、真實紋理難以還原等問題。

近日,中國科學院動物研究所楊星科研究組與西安光學精密機械研究所姚保利、雷銘研究組合作,共同提出一種基于結構照明顯微術(Structured Illumination Microscopy,SIM)的針對微小動物的三維層析成像方法。針對六種不同門類的無脊椎動物樣本的成像結果表明,這一方法能有效地解決以上問題。該研究成果發表在Frontiers in Zoology [13: 26, 1-10 (2016)]上。


圖1. LED-SIM成像系統光路圖

這一方法的原型是由姚保利、雷銘研究組于2013年研發的D-SIM技術(Scientific Reports 3, 1116 (2013))。該技術使用高速數字微鏡器件(DMD)和高亮度LED光源來產生結構光場,既可以實現超分辨成像也可以用于三維層析成像。與傳統的三維光學成像技術相比,D-SIM不僅具有更高的空間分辨率、更短的成像時間(一般只需要幾十秒到幾分鐘)和更好的成像質量,并且大幅降低了裝置的復雜性和成本。

圖2. 幾類微小動物(寄生蜂,線蟲,螨)的D-SIM成像結果

在三維層析模式下,D-SIM技術原本主要針對亞毫米量級的樣本進行觀察,然而很多生物樣本的尺寸為厘米量級甚至更大尺寸。為了滿足這些生物樣本成像的尺寸要求,兩個課題組通力合作,提出了這一專門針對微小動物快速三維成像的解決方案。

通過與CLSM、Micro-CT、FIB-SEM、MRI等當今流行的三維成像技術進行對比發現, D-SIM技術在成像的單一指標方面雖未必占優,但是綜合成像質量、成像速度、樣本制備方法等要素,其在微小動物精微三維結構成像方面的整體優勢確實比較明顯。另外,D-SIM技術與傳統光學顯微鏡具有良好兼容性,并且在設備成本方面也存在巨大優勢,因此有望在實驗室大規模普及,成為常用成像設備。


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