活细胞高分辨率成像在生命科学基础研究、疾病早期诊断及药物研发中至关重要,现有活细胞成像技术存在明显局限:基于荧光标记的成像技术虽应用广泛、分辨率较高,但需依赖染料或基因修饰,易引发光毒性、干扰细胞正常生理功能,且难以实现长时间动态观测;基于无标记的传统成像技术虽可避免标记干扰,但要么空间分辨率不足,无法清晰分辨细胞内细微结构,要么需要较高的入射照明功率,易损伤活细胞,难以兼顾高分辨率与低光毒性的需求。回音壁模式微腔兼具高Q值与光谱响应特性,却因模式周期性导致波长测定范围窄,多微腔拓展效果仍不及其他原理,难以兼顾宽光谱、高精度与高集成性。
此外,当前活细胞无标记高分辨率成像研究仍存在未解决的核心问题:一方面,传统无标记成像技术的信号检测灵敏度有限,在活细胞复杂的内环境中易受背景噪声和散斑干扰,导致成像对比度低,难以精准区分目标结构与周围环境;另一方面,现有高分辨率无标记成像方案多依赖复杂的光学系统设计,设备体积庞大、集成度低,且缺乏适配活细胞观测的低功率照明优化策略,无法实现芯片级集成与便携式应用,同时难以在长时间观测中维持细胞活性,制约了活细胞无标记高分辨率成像技术的实用化与普及。
针对上述问题,研究团队创新性地提出干涉图像扫描显微镜无标记成像方案(如图1概念示意)。通过将干涉散射检测与图像扫描显微镜技术深度融合,利用衍射受限光斑的逐点扫描与干涉信号叠加,突破传统无标记成像技术横向分辨率不足的局限,在活细胞内部实现120纳米的高分辨率成像,同时彻底规避荧光标记带来的光毒性和生物功能干扰。
展开剩余65%研究团队还开发了自适应像素重分配算法。通过该算法对扫描采集的干涉信号进行精准解析和像素重构,有效抑制活细胞复杂内环境中的背景噪声与散斑干扰,显著提升成像对比度,解决传统无标记成像在活细胞环境中信号辨识度低的问题;同时结合低功率照明策略,将单个衍射受限光斑的入射照明功率降低一个数量级,实现活细胞的长时间低损伤动态观测。
此外,研究人员进一步优化了成像系统的光学结构与器件适配方案(如图2系统特性展示)。通过精简干涉检测模块的光学元件、优化光路布局提升系统集成度,克服传统高分辨率成像设备体积庞大、操作复杂的弊端,为便携式活细胞成像设备的研发奠定基础;同时优化后的光学系统与活细胞培养环境具有良好兼容性,无需对样品进行特殊预处理,解决现有高分辨率成像技术对活细胞样品适配性差的问题,推动无标记活细胞成像技术的实用化发展。
综上,该研究通过干涉散射检测与图像扫描显微镜的创新性融合,结合自适应像素重分配算法及优化的系统光学设计,成功实现活细胞内部的无标记高分辨率成像。研究不仅突破传统无标记成像技术分辨率不足、光毒性强的核心瓶颈,还提升了系统集成度与样品适配性,为活细胞内细微结构的动态观测提供了可靠技术手段,推动了无标记成像技术在生命科学研究中的实用化进程。
未来研究可进一步优化光学系统的集成度与便携性,推动设备的小型化开发以满足现场检测需求;同时可拓展技术的适用光谱范围,结合多模态成像策略提升对复杂活细胞环境的观测能力。此外,通过算法的持续迭代提升成像速度,有望实现对活细胞生理过程的高速动态追踪,为疾病机制研究与精准医疗提供更有力的技术支撑。
科学技术的发展离不开科研仪器的进步。凯视迈(KathMatic)自2014年创建以来,一直“致力于高精尖光学测量技术”,已成为集“研发、制造、销售”为一体的国产高端光学精密测量仪器新力量。推出了KC系列多功能精密测量显微镜、KS系列超景深3D数码显微镜以及KV系列激光多普勒测振系统,取得了良好的市场成绩。详情欢迎留言咨询!
发布于:江苏省嘉正网提示:文章来自网络,不代表本站观点。