北大工学院席鹏课题组在超分辨显微方面取得突破

镜子或许是人类最早发明的光学器件。迄今为止，它仍然在人们的日常生活中扮演着重要作用。通过将一个简单的反射面引入生物显微样品中，北大工学院席鹏课题组解决了一个长期以来困扰科学工作者的问题：将显微镜的三个维度的分辨率同时提升，以便对细胞进行更好的观察。

这一新技术巧妙地利用了光的干涉，当光在到达镜面后，反射波会和入射波形成一层100纳米的干涉层，将成像平面约束在其中。这一技术所达到的轴向分辨率比传统的共聚焦等技术提升了6倍。这一技术被称作MEANS，它与TIRF技术形成了互补，可以将处于细胞不同层面的精细结构清晰地显示出来。

镜面提升生物显微镜分辨率

通常显微镜的分辨率在水平方向较高，而轴向较低。通过干涉，该技术将轴向分辨率降低到了100nm的水平，甚至超过了水平分辨率。这一工作近日发表在Light:Science & Applications，作者来自北京大学、美国佐治亚理工学院和澳大利亚悉尼技术大学。

本文的合作者之一，悉尼技术大学生物医学材料和仪器中心主任金大勇教授在采访中提道：“这一简单的技术使得我们能够看清楚过去在细胞中无法看清的事物。一个细胞是10微米大小的球体，在它里面一个细胞核大约5微米左右，其上布满了小小的叫做核孔蛋白的物质。这些核孔蛋白就像一道道闸门，用于调控信使生物大分子，其大小约在十五分之一到二十分之一个微米。MEANS超分辨技术让我们能够看清这些微孔的精细结构。”

北京大学席鹏副教授提道：“在过去，生命科学家观察到的视野被光学显微镜的水平和轴向分辨率所限制。这就好比阅读一叠打印在透明塑料上的报纸一样，很多层被叠在一起。通过在样品下面放置镜面形成一个极薄的干涉层，我们能够将成像平面约束在其中，因此每张报纸上的字迹就变得更加清楚了。”他同时提道，通过干涉可提升电磁场的强度，因此能够进一步增强超分辨显微的水平分辨率，用于解析细胞核孔和人类呼吸道合胞体病毒的精细结构。“利用这一简单而有力的武器，生命科学家将能够攻克一些过去由于分辨率限制而无法准确分辨的问题。”席鹏指出。

虽然MEANS对于光学系统的要求非常小，在镜子上生长样品并不是常规的样品制备过程，因此需要广泛的合作。美国佐治亚理工学院生物医学工程系的Philip J. Santangelo教授团队是本文的重要合作者，该团队发展了一系列细胞和病毒染色的技术。相关的细胞培养技术由佐治亚理工学院的博士生Eric Alonas和北京大学-佐治亚理工学院联合培养博士生谢浩共同开发完成。

MEANS可以与几乎所有共聚焦技术完美地结合。与STED超分辨技术结合后，MEANS不仅能够提升STED的轴向分辨率，同时能够在不增加光强的前提下，使STED分辨率提升2倍。由于生物样品不能在高光强下工作，这一发现对于生命科学的应用至关重要。该工作展示了经MEANS增强的STED达到了19nm的分辨率，这也是STED超分辨率在生物样品上达到的最高纪录。

由于该工作的合作者分别来自中国、美国和澳大利亚，时间上的配合对团队来说是一个不小的挑战。但所有合作者都认为克服时差困难、实现跨区域合作是非常值得的付出。

金大勇教授指出：“发展镜面增强的超分辨技术的历程向我们生动地展示了国际化、多学科合作研究能够带来的丰厚成果。（这一技术）对于我们团队，乃至整个显微领域都是一项重要的成就，能够与团队各成员并肩作战我深感荣幸。”

*本文引用: Xusan Yang,et al.,“Mirror-enhanced,axial narrowing,super-resolution microscopy”Light: Science & Applications,2016. http://dx.doi.org/

编辑：山石