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加快打造原始創(chuàng)新策源地,加快突破關(guān)鍵核心技術(shù),努力搶占科技制高點,為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康,率先實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展,率先建成國家創(chuàng)新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設(shè)國際一流科研機構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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光鑷切片顯微術(shù)破解懸浮細胞三維觀測難題

2025-07-04 西安光學(xué)精密機械研究所
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近日,中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所聯(lián)合瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院,在生物光學(xué)顯微成像與微操縱方面取得進展。該團隊提出了光鑷切片顯微術(shù),實現(xiàn)了懸浮生物細胞的全光式三維成像,為光鑷技術(shù)開拓了新應(yīng)用方向。

光學(xué)切片能夠有效分離光學(xué)成像過程中的離焦信號進而提取焦信號,是解析細胞三維結(jié)構(gòu)和厚組織深層形態(tài)的重要工具,其實現(xiàn)方法包括共聚焦、雙光子、光片、結(jié)構(gòu)光照明顯微等技術(shù)。但是,這些技術(shù)依賴樣品的機械式固定或粘附,難以適用于懸浮運動目標,限制了其在細胞原位觀測中的應(yīng)用。此外,人工固定方法存在干擾細胞正常生理機能的風險。

為解決懸浮細胞三維成像難題,該研究將全息光鑷與結(jié)構(gòu)光照明顯微結(jié)合,研制出光鑷切片顯微術(shù),為光學(xué)切片三維成像提供了全光式解決方案。這一技術(shù)的基本思想是利用全息光鑷對懸浮細胞進行固定和軸向掃描,在每個軸向切片位置,采集三幅等相移的結(jié)構(gòu)光照明圖像,最后通過OS-SIM算法重建細胞三維圖像。

其中,全息光鑷在這一技術(shù)中扮演了三重角色。一是,全息光鑷通過瓣狀光勢阱實現(xiàn)細胞的多自由度光學(xué)束縛,將其布朗運動限制在成像分辨率和結(jié)構(gòu)光條紋周期內(nèi),這對結(jié)構(gòu)光照明顯微成像至關(guān)重要。二是,全息光鑷對細胞的軸向操控能力滿足樣品掃描需求,消除了對機械平移臺的依賴。三是,集成全息光鑷的顯微技術(shù)展現(xiàn)出多功能性,兼具對細胞陣列的三維組裝和成像功能,有望為細胞動力學(xué)及胞間通信研究提供三維視角。

上述研究實現(xiàn)了光學(xué)微操縱技術(shù)與結(jié)構(gòu)光照明顯微的交叉融合,通過光鑷的非接觸式操控能力,突破了懸浮細胞光學(xué)切片三維成像的技術(shù)瓶頸,建立了“光學(xué)捕獲-光學(xué)切片-三維重構(gòu)”技術(shù)途徑,為生物成像與操控從2D向3D范式轉(zhuǎn)換提供了途徑。同時,該成果有望促進光鑷與其他顯微技術(shù)的跨領(lǐng)域融合研究,以滿足一些應(yīng)用對各向同性分辨率、大視場和超分辨率成像的需求。

7月2日,相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)進展》(Science Advances)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和國家重點研發(fā)計劃等的支持。

論文鏈接

光鑷切片顯微術(shù)基本原理

光鑷切片顯微術(shù)對12個懸浮酵母菌細胞排布形成幾何圖案的3D成像

打印 責任編輯:侯茜

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