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我国科学家开发出纳米级三维各向同性超分辨显微镜
2025年12月04日 09:36:47
来源：化工仪器网 作者：杨 点击量：5030
这项技术通过设计基于光电偏转器的高速切换照明光路，在X、Y、Z三个方向同时引入干涉光，并实现了小于1微秒的干涉条纹切换时间。
近日，中国科学院生物物理研究所研究团队，研制出三维干涉定位显微镜(ROSE-3D)，并在单分子定位成像领域，实现了基于相机的纳米尺度三维各向同性分辨率。团队通过设计基于光电偏转器的高速切换照明光路，使ROSE-3D在X、Y、Z三个方向同时引入干涉光，实现了小于1微秒的干涉条纹切换时间。
传统荧光显微镜的分辨率受光学衍射特性的限制，最高只能达到约250纳米，无法满足在更精细尺度上观察细胞结构和功能的需求。超分辨荧光显微技术的出现突破了这一限制，使研究人员能够在纳米尺度观察细胞和生物分子，该技术也因此在2014年荣获诺贝尔化学奖。
单分子定位显微镜作为超分辨技术的代表，通常能够实现横向20纳米、轴向50纳米的分辨率，相比传统荧光显微镜提升了一个数量级。但它存在一个根本性问题：轴向分辨率显著低于横向分辨率。当成像深度超过一定范围时，样品内部复杂的生物和光学环境会引起点扩散函数畸变，导致轴向定位信息严重缺失，定位精度迅速恶化。
面对传统技术的局限性，中国科学院生物物理研究所徐涛院士课题组与纪伟课题组研制出三维干涉定位显微镜(ROSE-3D)。这项技术通过设计基于光电偏转器的高速切换照明光路，在X、Y、Z三个方向同时引入干涉光，并实现了小于1微秒的干涉条纹切换时间。ROSE-3D采用干涉定位方法，摆脱了对单分子形状的依赖。它利用干涉产生的条纹对单分子荧光进行编码，从而实现对单个分子的三维高精度定位。这种创新方法突破了传统超分辨成像分辨率各向异性的瓶颈。
ROSE-3D在技术性能上实现了显著突破，其核心优势在于首次在单分子定位成像领域实现了基于相机的纳米尺度三维各向同性分辨率。与传统基于柱面镜成像的方法相比，ROSE-3D表现出卓越的定位精度提升。对于聚焦良好的分子，ROSE-3D将横向定位精度提高了2倍，轴向精度提高了3.5倍。在离焦条件下，ROSE-3D的优势更加明显：横向定位精度提高6倍，轴向定位精度提高8倍。
这项技术的成功研发，为细胞原位三维纳米结构的研究提供了强有力的工具。它使得科学家能够在接近自然状态的条件下，以纳米分辨率观察细胞内部各种结构的精细组织和生物大分子的原位组装机制。目前，这项技术已在怀柔科学城成功实现落地转化，助力高端科学仪器国产化进程。
相关研究成果Molecular-scale isotropic 3D super-resolution microscopy via interference localization于近日发表在《自然-方法》(Nature Methods)上。
参考资料来源：中国科学院生物物理研究所
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