席鹏课题组在结构光照明显微成像上取得新进展

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近年来，超分辨显微成像技术的发展为科学家们探索纳米尺度的微观世界提供了技术支持。其中，结构光照明显微成像技术（SIM）具有成像速度快、标记简单、光毒性小、能进行活细胞成像等优势，尤为受到生物学家的青睐。一般商用和实验室搭建的快速结构光照明显微成像系统多采用空间光调制器和激光干涉来实现结构光照明，但其价格昂贵。也有研究人员使用数字微透镜阵列（DMD）与非相干光源投影来实现结构光照明，虽降低了成本，但受衍射极限的限制很难获得高对比度的结构光。
        为了实现快速、低成本、高分辨率的结构光照明显微成像，北京大学席鹏课题组开发了基于数字微镜阵列的激光干涉结构光照明显微成像系统（LiDMD-SIM）。相关研究成果以“Structured Illumination Microscopy using Digital Micro-mirror Device and Coherent Light Source”为题，发表于Applied Physics Letters期刊（原文链接：https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0008264），并得到SciLight的新闻报道（https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0001456）。
        DMD作为闪耀光栅，其衍射特性与波长和入射角度相关，这些参数的设置会对SIM的成像质量产生影响。因此，席鹏等人首先对DMD衍射过程进行了仿真分析和实验探究，确定了满足DMD闪耀条件（形成强度均一的正负1级光）的光路设置。基于此，研究人员选定561 nm的激光光源以12°入射至DMD这一条件搭建了 LiDMD-SIM成像系统，并分别对100 nm的荧光小球，哺乳动物细胞的核孔复合物以及微管进行了成像。成像结果显示，该系统可以获得相比于宽场成像两倍的空间分辨率，可应用于多种不同的生物样本中。进一步，通过同时使用DMD的开关角度调制特性，席鹏等人提出了实现多色LiDMD-SIM成像的新方法。LiDMD-SIM技术首次利用DMD和激光干涉来进行SIM成像，具有快速、空间分辨率高、样品毒性小、多色成像以及成本低等优点，在解决细胞器间相互作用等多种生物学问题方面具有广阔的应用前景。

图 1 LiDMD-SIM系统示意图及成像结果图

       席鹏课题组近年来致力于SIM超分辨成像技术开发，如：1) 开发了减帧SIM技术将结构光成像的速率提升2倍以上 (IEEE TIP 2018)；2) 开发了偏振光结构光显微技术，同时提取荧光偶极子的方位角与空间超分辨信息（Nature Communications 2019。这一工作得到Nature Methods的研究亮点评述（https://www.nature.com/articles/s41592-019-0682-6）；3) 参与了Hessian-SIM超高速结构光成像技术的开发，并提出滚动SIM技术，可提升SIM成像速度3倍以上(Nature Biotechnology 2018)这些工作为本工作奠定了坚实基础。
      本文工作共同第一作者为工学院生物医学工程系博士生李美琪和李雅宁。席鹏教授与课题组博士后张昊为共同通讯作者。本工作受到国家自然科学基金委、科技部、北京市科委杰出青年科学基金、北京大学仪器专项的资助。
       文章来源：北京大学
       席鹏，北京大学工学院研究员。致力于光学超分辨成像技术的研究，发展了一系列新型超分辨技术。2015年当选美国光学学会资深会员，和中国光学学会生物医学光学分会常务委员。现担任四份SCI收录国际学术期刊的编委：Scientific Reports, Microscopy Research and Techniques, Micron, 和Chinese Optics Letters。同时担任多个国际著名学术期刊如Nat. Comm., OL, OE, BOE 等的审稿人。在Light: Science&Applications, ACS Nano, Laser & Photonic Research, Opt. Expr., Opt. Lett.等国际一流期刊发表SCI收录期刊论文49篇，总影响因子超过240。2013年获得绿叶生物医药杰出青年学者奖。2016年获得中国光学重要成果奖。已授权美国专利2项，中国专利8项，编辑专著2部。多次被OSA和SPIE组织的国际会议邀请作大会邀请报告。