山西大學最新文章；新型超分辨率熒光成像

　　來自山西大學激光光譜研究所, 量子光學與光量子器件國家重點實驗室的研究人員將熒光探針分子ALEXA647標記在仿生水凝膠的聚合物鏈上, 利用全內反射熒光顯微鏡進行熒光成像, 并采用超分辨率光學波動成像的方法(SOFI)對仿生水凝膠的熒光成像進行超分辨率成像分析。 通過SOFI成像及反卷積處理獲得了高分辨率、高信噪比和高對比度的仿生水凝膠熒光成像。

　　細胞中的蛋白纖維網絡結構是構成細胞的骨架, 主要包括微管、肌動蛋白絲及中間絲等。 細胞骨架能夠維持細胞形態、承受外力和保持細胞內部結構的有序性。 細胞骨架同時也參與許多重要的生命活動。

　　仿生水凝膠已經被應用于藥物的傳輸體系, 實現對藥物釋放速率的控制, 以及人體器官的移植等。 高彈性、高韌性的仿生水凝膠的開發將有望用于制作人造軟骨等人體組織。 通常原子力顯微鏡(AFM)被用來研究仿生水凝膠的結構特性。 AFM成像雖然可以獲得聚合物鏈的綁定數目, 但是其掃描速率較慢、成像范圍較小且不能夠實時追蹤樣品的動態轉變過程, 而光學成像的方法可以彌補這些不足。 但是由于受到光學衍射極限的影響, 遠場顯微鏡的分辨率只能達到約300 nm。 這樣的分辨能力對于細胞、組織等微觀生物樣品的成像是遠遠不夠的。

　　近年來人們根據具體的實際需要已經開發了幾種能夠突破光學衍射極限的超分辨率熒光成像方法, 如受激輻射損耗顯微鏡(STED)、基態損耗顯微鏡、結構照明顯微鏡(SIM)和成像干涉顯微鏡等。 另外基于隨機光開關的技術發展了光活化定域顯微鏡(PALM)和隨機光學重構顯微鏡(STORM)等。 但是這些超分辨率成像的方法各有一些不足之處, 如PALM和STORM可以實現納米量級的分辨率, 但需要花費幾十分鐘甚至更長的成像采集時間； STED雖然可以快速成像, 但是在探針分子的選擇、樣品標記過程方面要求非常苛刻并且需要非常精密的光路準直； SIM可以達到11 Hz的成像率, 但是僅能實現2倍的橫向分辨率。

　　在這篇文章中，研究人員利用超分辨率光學波動成像的方法(SOFI)首次對仿生水凝膠進行超分辨成像。

　　基于對熒光輻射體在時序上的熒光波動(熒光輻射的間歇現象)的分析,SOFI成像可以突破光學衍射極限。 相比于其他技術,SOFI成像具有明顯的優勢: 對成像背景噪聲免疫可以進一步增強成像的對比度； 成像采集時間僅需要十幾秒至幾十秒； 不需要控制、同步光活化和復雜的電子系統設備。 SOFI成像需要滿足3個條件, 即熒光輻射體的熒光輻射需要具有亮暗兩個態(或具有熒光強度可區分的多個態)、不同的熒光輻射體之間的熒光發射相互獨立和成像CCD像素尺寸小于光學衍射極限。 這里我們將利用SOFI成像的方法研究仿生水凝膠的結構、聚合物鏈之間的綁定方式和溶液環境下仿生水凝膠的特性。

　　通過對仿生水凝膠的熒光成像進行SOFI成像分析及反卷積處理，研究人員獲得了高信噪比、高對比度和高分辨率的仿生水凝膠成像。 研究發現聚合物鏈形成仿生水凝膠時首先相互纏繞形成較粗的聚合物鏈, 然后再經過相互纏繞后依次先形成小孔然后形成大孔, 最終形成一個大小孔徑相間的網狀結構。 聚合物鏈的濃度控制著仿生水凝膠的孔徑尺寸和孔隙的疏密分布, 而聚合物鏈的綁定數目不受聚合物鏈濃度的影響。 由于水凝膠在水中快速地運動使得不能夠捕捉到溶液中的仿生水凝膠。