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光收缩材料让普通显微镜看到超分辨率

方形,半透明材料保持着光线。

该光收缩材料将传统的光学显微镜转换为超分辨率显微镜。信贷:君祥赵

加州大学圣地亚哥分校的电子工程师开发了一种技术,可以提高普通光学显微镜的分辨率,从而可以直接观察活细胞中更精细的结构和细节。

该技术将传统的光学显微镜转变为称为超分辨率显微镜。它涉及一种特殊的工程化材料,其缩小光的波长,因为它照亮样品 - 这种缩小光线是基本上使显微镜能够以更高分辨率的图像实现图像。

显微镜阶段的特写镜头。

安装在倒置显微镜台上的材料。信贷:君祥赵

“这种材料将低分辨率的光转换为高分辨率的光,”加州大学圣地亚哥分校电子与计算机工程教授刘兆伟说。“它非常简单,易于使用。只需要在材料上放一个样本,然后把整个东西放在普通显微镜下——不需要花哨的修饰。”

这项工作,发表在自然通信,克服了传统光学显微镜的巨大限制:低分辨率。光学显微镜对于成像活细胞有用,但它们不能用于看到更小的东西。传统的光学显微镜具有200纳米的分辨率限制,这意味着不会观察到比该距离更近于该距离的物体作为单独的物体。虽然存在更强大的工具,但是,诸如电子显微镜,其具有分辨率来看亚细胞结构,它们不能用于图像活细胞,因为样品需要放置在真空室内。

刘说:“主要的挑战是找到一种技术,它有很高的分辨率,而且对活细胞来说是安全的。”

刘的团队开发的技术结合了这两个功能。利用它,传统的光学显微镜可用于将活性亚细胞结构图像的分辨率高达40纳米。

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新的超分辨率显微技术的艺术渲染。动物细胞(红色)被安装在涂有多层双曲超材料的载玻片上。纳米级结构光(蓝色)由超材料产生,然后照亮动物细胞。图片来源:Yeon Ui Lee

该技术由显微镜载玻片组成,涂有一种称为双曲线超材料的光收缩材料。它由纳米薄的银和二氧化硅玻璃组成。随着光通过,其波长缩短和散射以产生一系列随机的高分辨率斑点图案。当样品安装在载玻片上时,通过该系列的斑点轻型模式以不同的方式照亮。这产生了一系列的低分辨率图像,它们都被捕获并通过重建算法拼凑在一起以产生高分辨率图像。

显微镜图象显示在桔子反对黑背景。

光学显微镜拍摄的图像的比较,无双曲超材料(左柱)和双曲面超材料(右柱):两个关闭荧光珠(顶行),量子点(中间排),以及COS-7细胞中的肌动蛋白细丝(底行)。适应自然通信

研究人员用商业倒置显微镜测试了它们的技术。它们能够以荧光标记的COS-7细胞(例如荧光标记的COS-7细胞)成像细胞图像,这些特征是不可能使用显微镜本身清晰可辨别的特征。该技术还使研究人员能够清楚地区分40至80纳米的微小荧光珠和量子点。

研究人员说,超分辨率技术具有很大的高速运行潜力。他们的目标是在一个系统的一个系统中加入高速,超分辨率和低光毒性,用于活细胞成像。

刘的团队现在正在扩大技术在三维空间中进行高分辨率成像。本目前的论文表明,该技术可以在二维平面中产生高分辨率图像。刘的团队以前发表了一个这表明,该技术还能够实现超高轴向分辨率成像(约2纳米)。他们现在正致力于将两者结合起来。

纸质标题:“通过随机超分辨率斑点的超材料辅助照明纳米镜。“共同作者包括:Yeon Ui Lee *,Junxiang Zhao *,Qian Ma *,Larousse Khosravi Khorashad,Clara Posner,Guangru Li,G. Bimananda M. Wisna,Zachary Burns和Jin Zhang,UC San Diego。

*这些作者同等贡献这项工作

这项工作得到了戈登和贝蒂摩尔基金会和国家卫生研究院的支持(R35CA197622)。这项工作部分是在美国国家纳米技术协调基础设施的成员的美国大学南迪哥的San Diego纳米技术基础设施(SDNI)的一部分,该基础设施是国家科学基金会(Grant ECCS-1542148)的支持。


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