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我国科研人员研发出生命样本超分辨实时观测技术

导读: 近日,来自中国科学院沈阳自动化研究所的研究人员研发出具有实时视觉反馈能力的扫描微透镜超分辨成像技术,该技术无需荧光染色和激光激发,可以在自然条件下打破光学衍射定律所限制的观测极限,实现了生命和非生命样品的超分辨实时观测。

  近日,来自中国科学院沈阳自动化研究所的研究人员研发出具有实时视觉反馈能力的扫描微透镜超分辨成像技术(Scanning Superlens Microscopy, SSUM),该技术无需荧光染色和激光激发,可以在自然条件下打破光学衍射定律所限制的观测极限,实现了生命和非生命样品的超分辨实时观测。该项成果对实现纳米尺度生命物质和非生命物质的动态追踪,提升纳米机器人的功能和性能具有重要意义。

  该项研究以Scanning superlens microscopy for non-invasive large field-of-view visible light nanoscale imaging为题发表于2016年12月9日《自然通讯》(Nature Communications)期刊上。《自然通讯》是国际著名科技期刊《自然》(Nature)子刊,该期刊主要出版自然科学领域具有重要突破的高质量创新性研究成果。本次发表论文第一作者为博士研究生王飞飞,通信作者为刘连庆研究员和李文荣研究员。

  据介绍,超分辨观测是科学界的重要研究方向,是生物科技、纳米科技和信息科技等进步的重要基石。超分辨观测对于机器人的发展同样重要,它将为纳米机器人提供锐利之眼,这对纳米尺度下机器人作业能力和功能的提升具有重要意义。就观测而言,人眼所能分辨最小颗粒直径约为100微米,尽管光学显微镜极大提升了人的观测能力,但是根据阿贝衍射定律,光学显微镜所能观测的物体极限尺寸为200nm,仍然不能满足科学发展的需求。

  近来,为了突破衍射极限,业界科研人员发展了STED、PALM、STORM等一系列新型光学成像技术,极大扩展了人类观测微小世界的能力。但是这些成像技术多采用时间换空间的方式,存在速度慢、需要荧光染色、外部激光激发等问题。这就使得这些超分辨荧光显微镜在实际应用中存在一定局限性,考虑到纳米机器人操作对象和工作环境,这些方法的局限性将表现得尤为突出。

  为此,沈阳自动化所微纳米课题组对微透镜超分辨成像物理机制进行了深入研究,证明了倏逝波在微透镜超分辨成像中所起到的作用,解释了超分辨能力来源,对微透镜成像机理进行了研究,基于谱分析方法进行的理论分析与实验结果具有很好的一致性。提出了基于改变光照条件来提高微透镜分辨率的方法,并对背后机理进行了理论阐述。在此基础上,借鉴机器人的感知、决策和控制理论,设计并搭建了具有自主知识产权的超分辨成像系统,提出了具有纳米精度的对微透镜空间位置动态闭环反馈控制方法,实现了微透镜与样品间距与相互作用力的有效控制。在免标记自然光照射条件下,对活体细胞、IC芯片等实现了实时、大范围超分辨成像,分辨率达到65nm,验证了相关理论的先进性和正确性。由于该技术不受样品和环境的限制,因而存在更为广阔的应用前景。

  据悉,该技术已经申请了国内和国际发明专利,未来将进一步提升分辨率,向着实用化的方向坚实迈进。超分辨观测是多学科交叉的系统技术,课题组在前期工作中开展了基于近场白光干涉的三维超分辨成像、基于微透镜的超分辨在体观测、微透镜阵列制造方法等研究,相关结果连续发表在applied Physics Letters、Optics Express、Scientific Reports等期刊上。这些方法和技术相互交联,形成体系,为超分辨技术的整体性提升和成熟做出了重要贡献。。

  上述研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院、机器人学国家重点实验的支持。

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