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光学工程
结构照明显微术,令小动物纤毫毕现

对生物结构在不同尺度、不同维度和不同部位的观察与形态分析,为科学研究提供了最直接的证据,在众多学科领域扮演着不可或缺的角色。目前生物结构的二维形态观察手段已非常成熟,但三维成像技术手段却明显滞后且应用范围不广。已有的三维成像技术无法同时解决复杂突变样本的形态信息缺失、成像速度慢、真实纹理难以还原等问题。

近日,中国科学院动物研究所杨星科研究组与西安光学精密机械研究所姚保利、雷铭研究组合作,共同提出一种基于结构照明显微术(Structured Illumination Microscopy,SIM)的针对微小动物的三维层析成像方法。针对六种不同门类的无脊椎动物样本的成像结果表明,这一方法能有效地解决以上问题。该研究成果发表在Frontiers in Zoology [13: 26, 1-10 (2016)]上。


图1. LED-SIM成像系统光路图

这一方法的原型是由姚保利、雷铭研究组于2013年研发的D-SIM技术(Scientific Reports 3, 1116 (2013))。该技术使用高速数字微镜器件(DMD)和高亮度LED光源来产生结构光场,既可以实现超分辨成像也可以用于三维层析成像。与传统的三维光学成像技术相比,D-SIM不仅具有更高的空间分辨率、更短的成像时间(一般只需要几十秒到几分钟)和更好的成像质量,并且大幅降低了装置的复杂性和成本。

图2. 几类微小动物(寄生蜂,线虫,螨)的D-SIM成像结果

在三维层析模式下,D-SIM技术原本主要针对亚毫米量级的样本进行观察,然而很多生物样本的尺寸为厘米量级甚至更大尺寸。为了满足这些生物样本成像的尺寸要求,两个课题组通力合作,提出了这一专门针对微小动物快速三维成像的解决方案。

通过与CLSM、Micro-CT、FIB-SEM、MRI等当今流行的三维成像技术进行对比发现, D-SIM技术在成像的单一指标方面虽未必占优,但是综合成像质量、成像速度、样本制备方法等要素,其在微小动物精微三维结构成像方面的整体优势确实比较明显。另外,D-SIM技术与传统光学显微镜具有良好兼容性,并且在设备成本方面也存在巨大优势,因此有望在实验室大规模普及,成为常用成像设备。


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