深圳湾实验室发表新型高速三维随机读取显微成像技术研究成果

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关键词：

来源：

Communications Engineering

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来源地址：

https://www.nature.com/articles/s44172-024-00320-2

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

英语

原文发布日期：

2024-11-11

摘要：

2024年11月11日，深圳湾实验室侯尚国团队联合上海交通大学仲冬平团队、南昌大学邓素辉团队，在Nature旗下期刊Communications Engineering上发表了题为“Three-dimensional random-access confocal microscopy with 3D remote focusing system”的研究论文。研究团队提出了一种新型的具有远程聚焦系统的三维随机读取共聚焦显微成像技术（3D-DyFI）。相比传统的三维随机读取成像方法，该技术在保持空间分辨率的同时，将轴向响应时间提升了34倍，实现了高达500 Hz的成像刷新率。研究团队通过荧光微球、活细胞成像及不同位置荧光珠的监测实验，验证了3D-DyFI技术的有效性。该技术有望为细胞生物学、神经科学及疾病研究提供更加快速、精准的成像手段。并且该论文被选录于“Microscopic Imaging in Deep Tissue”专辑。3D-DyFI系统采用635 nm、561 nm和488 nm激光作为激发光源，支持多色成像。激光经消色差双合透镜扩束后进入三维动态聚焦系统（3D Galvo），该系统由两个正交振镜和一对平凹透镜组成，可精确控制激光焦点在三维空间中的位置。激光经扫描筒镜进入物镜，有效减少因振镜扫描带来的场畸变和像差。荧光信号经物镜收集，并通过三维动态聚焦系统实现去扫描，最后由雪崩光电二极管（APD）检测记录。实验结果显示，3D-DyFI的成像点扩散函数（PSF）与传统压电平台相当，验证了其高空间分辨率。进一步表明系统在x、y、z轴的电压与焦点位置呈线性关系，证明了系统对激光焦点的精准控制和稳定性。为表征3D-DyFI的空间分辨性能，研究团队通过测量不同侧向和轴向位置的PSF，并在较大扫描范围（40 µm × 40 µm × 10 µm）内验证了其分辨率均匀性。实验结果显示，3D-DyFI的平均空间分辨率在x、y、z轴分别为319 ± 55 nm、405 ± 56 nm和1.10 ± 0.11 µm，且在整个成像范围内保持稳定。在时间分辨率方面，研究团队将3D-DyFI与传统压电平台系统进行对比，结果表明，3D-DyFI在x、y、z轴的响应时间分别为0.74 ms、0.82 ms和0.65 ms，显著优于传统系统（13.6 ms、9.3 ms和22.3 ms）。特别是在z轴上，3D-DyFI的响应时间提升了约34倍，实现了近乎各向同性的高速响应，这对于快速随机读取成像至关重要。研究团队进一步通过活细胞成像实验，展示了3D-DyFI在细胞结构（如细胞膜、线粒体、细胞微管和脂滴等）三维成像中的强大能力。与传统压电平台成像效果相比，3D-DyFI表现出高度一致性，验证了其在生物样本成像中的可靠性。在随机读取成像实验中，3D-DyFI与压电平台系统对比测试了三维空间中不同位置的荧光珠信号。结果显示，3D-DyFI的成像刷新率可达500 Hz，比传统系统快25倍，实现了对生物系统中动态事件的毫秒级观测。这种高速成像能力为研究细胞内快速变化的生物过程提供了强有力的工具。综上所述，3D-DyFI作为一种创新的三维随机读取共聚焦显微成像技术，展示了多方面的显著优势：（1）该系统通过远程聚焦避免了移动样品或物镜带来的机械运动干扰；（2）通过使用三维动态聚集系统，显著提升了三维随机读取成像速度；（3）系统搭建成本低，对预算不充足的实验室友好；（4）可进行多色成像和多光子成像。3D-DyFI有望在细胞生物学、神经科学等领域得到广泛应用，帮助实时监测细胞内分子动态变化。未来，3D-DyFI有望与其他技术融合，进一步提升性能，在生物医学研究中发挥重要作用。