超分辨显微

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 中国科学院上海高等研究院宏观量子中心研究员王中阳课题组和中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学实验室研究员韩申生课题组合作，首次提出利用鬼成像方法加快超分辨率荧光光学显微镜的成像速度。新方法有望捕获细胞内以亚毫秒速度发生的生物过程。相关研究成果以Single-frame wide-field nanoscopy based on ghost imaging via sparsity constraints& nbsp 为题发表在美国光学学会刊物OPTICA上（DOI:& nbsp 10.1364 / OPTICA.6.001515），并被美国光学学会（The Optical Society, OSA）作为高影响研究工作在发表的同时同步向媒体进行宣传推广。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 超分辨光学显微技术通过克服光的衍射极限来实现纳米级的分辨率。尽管传统超分辨显微镜可以定位细胞内单个分子，并构建超分辨图像，但在活细胞中却很难使用，因为重建图像需要成百上千帧——这个过程太慢，无法捕捉快速变化的动力学过程。为了解决这个问题，该研究团队将随机相位调制器加入到荧光显微镜中实现荧光信号的编码，并结合鬼成像技术与随机测量压缩感知方法，大幅度提高图像信息获取效率，数量级地减少重构超分辨图像所需的采样帧数。研究结果表明，在高标记密度下只需要通过单帧荧光图像的采样就可实现80nm分辨率的超分辨光学成像。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 此外，研究的新方法还与2014年诺贝尔奖三大超分辨率技术之一的随机光学重建显微镜(STORM)相结合，将STORM的采样帧数减少了一个数量级以上。研究结果显示成像一个60nm的环，该方法只用10帧图像就可以重构图像，而传统的STORM方法需要多达4000帧图像才能达到同样的效果。该方法还实现用100帧图像分辨40nm标尺。并且研究的超分辨成像显微镜不需要高的照明强度，这有助于减少光漂白和光毒性，有利于长时间的动态生物过程和活细胞成像研究。因此这项创新技术有望在生物、医学等超分辨显微成像研究领域得到广泛的应用。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 文章的第一作者是上海高研院博士研究生李文文。该工作受到国家重点研发计划（“数字诊疗装备研发”专项）的资助。& nbsp /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 516px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/bdc8a826-986f-499a-b428-d54bb5a2570c.jpg" title=" 显微镜装置示意图与重构结果.jpg" alt=" 显微镜装置示意图与重构结果.jpg" width=" 600" height=" 516" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " 图：显微镜装置示意图与重构结果 /p

p 　　近日，中国科学院深圳先进技术研究院研究员郑炜与美国国立卫生研究院教授Hari Shroff合作，成功研发出新型双光子激发的超分辨光学显微成像系统，该系统同时具备超分辨光学显微成像功能和大深度三维成像能力，使光学超分辨成像深度推进至破纪录的250微米，相应研究成果Adaptive optics improves multiphoton super-resolution imaging(《自适应光学提升超分辨显微成像》)最近发表在《自然-方法》(Nature Methods)上，郑炜是该文的第一作者兼通讯作者。 br/ /p p 　　“看得细”和“看得深”是光学显微成像领域面临的两大挑战，经过科研人员几十年来的不懈努力，无论是在“看得细”还是“看得深”方面，都涌现了一批创新技术，取得了巨大成功，但是同时具备“看得细”和“看得深”这两项功能的光学显微成像技术却并不多见。 /p p 　　在该项研究中，郑炜等人把具备深层生物组织成像能力的双光子显微成像技术(Two-Photon Microscopy, TPM)和具备超分辨成像功能的瞬时结构光照明显微成像技术(InstantStructuredIllumination Microscopy, ISIM) 有机结合起来，实现双光子激发的超分辨显微成像功能。同时，研究人员又利用自适应光学(Adaptive Optics, AO)技术成功克服了由生物组织引起的波前相位畸变问题，最终实现176纳米的横向分辨率、729纳米的纵向分辨率及250微米的探测深度的成像效果。利用该技术，可以对细胞、线虫胚胎及幼虫、果蝇脑片和斑马鱼胚胎开展高清晰三维成像研究，成像效果显著优于传统双光子成像质量。值得一提的是，由于该技术提高了光子利用效率，从而降低了所需激光功率，可以对线虫胚胎的发育过程开展长时间、高清晰的三维动态观测。在长达1个小时的连续三维成像过程中未对线虫胚胎发育造成任何影响，该技术对胚胎发育研究具有重要作用。 /p p 　　该研究得到了国家自然科学基金、国家重点基础研究发展(“973”)计划和深圳市海外高层次人才创新创业孔雀计划的项目支持。(来源：中国科学院深圳先进技术研究院) /p p 　　 a href=" http://www.nature.com/nmeth/journal/vaop/ncurrent/full/nmeth.4337.html" target=" _self" title=" " 论文链接 /a /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/noimg/86d620c1-204c-489e-b896-ab006f4ab6e2.jpg" title=" 1.jpg" width=" 462" height=" 282" style=" width: 462px height: 282px " / /p p 　　左图为果蝇脑片在传统双光子成像(2P WF)、双光子超分辨成像(2P ISIM)和结合有自适应光学的双光子超分辨(2P ISIM AO)显微成像结果对比，右上图为位于胶原凝胶150微米深处细胞三维成像对比，可见无论是横向还是纵向，新技术的分辨率都有显著提升。右下图为线虫胚胎发育过程中连续1小时的三维观测，细胞正常分裂进程证明了该技术可用于胚胎发育动态研究。 /p p br/ /p

近日，北京大学工学院席鹏特聘研究员课题组联合香港大学的Wen-Di Li教授课题组、台湾Huan-Cheng Chang课题组以及清华大学黄蕾博士，分别利用受激辐射光淬灭技术(STED)和结构光照明超分辨技术(SIM)，实现了对NV center的超光学极限分辨率的显微成像对比。 　　受激辐射光淬灭技术(STED)和结构光照明超分辨技术(SIM)作为两种超光学极限分辨显微技术，已经在生命科学领域得到广泛应用。过去，两种超分辨显微技术的特性还没有在同一样品上进行过比较。利用NV center无光漂白的特性，作者对这两种超分辨显微技术的分辨率等参数进行了深入全面的对比研究。利用35nm的NV center纳米钻石颗粒和大块钻石上的NV center点阵实现了对这两种方法对比成像。STED 具有更高的分辨率，然而SIM 具有更大的视场范围。相关成果发表于皇家化学学会出版集团的期刊RSC Advances上。 　　席鹏课题组研究生杨旭三为本文第一作者，席鹏为本文通讯作者。席鹏课题组的研究领域包括超衍射极限分辨率显微成像、激光共聚焦扫描显微成像、多光子显微成像和光学相干层析成像等。

2016年12月31日，中国科学院生物物理研究所徐平勇课题组、中国科学院计算技术研究所张法课题组以及美国科学院院士HHMI研究员Jennifer Lippincott-Schwartz合作在《细胞研究》(Cell Research)在线发表了题为Live-cell single molecule-guided Bayesian localization super-resolution microscopy 的文章，介绍了一种新型活细胞超分辨率显微技术及其独特优势。　　超分辨率荧光显微技术由于打破了传统光学衍射的限制，使得人们能够更深入地理解细胞生物学，获得了2014年诺贝尔化学奖。但是由于设备和时空分辨率的影响，活细胞超分辨率技术仍面临诸多挑战。近年来，贝叶斯定位显微技术(Bayesian analysis of the blinking and bleaching，3B)利用荧光蛋白漂白和闪烁的特性，通过分析整个图像序列的变化得到荧光蛋白的概率分布图，该方法用简单的光学设备就能实现活细胞动态结构的超分辨率成像，成为活细胞超分辨率成像的重要工具之一。作为细胞成像新的重要工具，它仍然有三个关键的问题没有解决：1)在精度方面，存在严重的结构缺失，定位精度不高 2)在速度方面，该方法极其耗时，为了得到1.5μ m的超分辨率结构，大约需要6小时，并且随着图像尺寸的增加，计算时间急剧增长 3)在分析尺度方面，由于速度的限制，该方法很难获得全细胞大尺度长时间的动态变化。针对以上问题，实验人员通过将单分子定位和贝叶斯技术相结合，开发了一种新型活细胞超分辨率显微技术(single molecule guided Bayesian localization microscopy，SIMBA)，该技术有以下优点：1)适用范围广，不需要任何额外的硬件设备，就能与主流TIRFM、PALM、STROM和light-sheet显微镜相结合，便于推广和使用 2)时空分辨率高，减少了结构伪迹的同时实现了50nm的空间分辨率和0.5-2s的时间分辨率 3)运行速度快，相比3B，加速比超过100倍，并且随着图像尺度的增大，加速效果更加明显 4)分析尺度大，实现了全细胞大尺度长时间动态变化分析。　　活细胞超分辨率显微技术是当前研究的热点，开发新型活细胞超分辨率成像探针和新方法是中科院生物物理所徐平勇课题组的重要研究方向。徐平勇、张法、Jennifer Lippincott-Schwartz为本文的通讯作者 徐帆、张名姝为共同第一作者。该工作受到国家“973”计划 、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中科院基金先导项目等的资助，并申请专利“一种贝叶斯显微成像方法”。SIMBA对于固定细胞actin和活细胞CLC重构结果展示

2022年5月7日，纳析科技为中国科学院深圳先进技术研究院等首批用户交付了Multi-SIM超分辨显微镜系统，为客户提供了性能优异的活细胞超分辨显微成像体验，获得了客户的广泛赞誉。纳析科技实现了国产超分辨显微成像设备的首次商业交付！纳析科技于今年3月完成天使轮融资后快速实现了超分辨产品商业化。纳析科技始终秉持求是与创新的理念，以深厚的源头技术创新积累，扎实推进生物显微成像新产品落地，完善核心部件国产化、丰富超分辨显微成像解决方案的产品管线、提供智能、定量的成像方案。纳析科技始终致力于为用户提供生物过程可视化全流程解决方案，包括细胞培养、样本标记、成像采集、图像重建、数据后处理分析、数据展示等步骤的全链式服务范式。用户评价中国科学技术大学/中国科学院深圳先进技术研究院 毕国强 教授表示：“我们非常高兴引入纳析科技研发的Multi-SIM系统，其优异的活细胞三维超分辨成像性能为我们研究神经突触等亚细胞结构的动态演变提供了有效的新技术手段，期待这一工具与冷冻电镜断层三维重构等方法的结合，将帮助我们更深入理解突触可塑性等脑认知功能的底层机制。”中国科学院深圳先进技术研究院 陶长路 副研究员表示：“Multi-SIM作为国产超分辨成像解决方案，其优异的成像效果，以及能够满足不同实验需求的多种成像模态，令人印象深刻；并且其易用性和稳定性，适于平台建设和运行。”

近, 法国abbelight公司研发的模块化多功能单分子定位显微 (SMLM)系统凭借其有的DAISY等技术在3D超分辨成像领域取得重大突破，在学术界引起了广泛的关注。该系统次实现在三维空间上的15 nm超3D定位；且因为模块化设计具有高兼容，仅需使用一个c-mount接口即可将客户的倒置荧光显微镜升成超分辨显微镜，是佳的超分辨搭建方案。 轴向延伸 定位Abbeligh公司系列超分辨模块采用了先进且特的双通路DAISY技术能够将以往定位不佳的Z轴精度提高到15 nm，真正实现三维空间上的15 nm超3D定位。同时此技术巧妙地结合DONALD和SAF技术的优势，有效解决采集过程中的热漂移和多色成像中不同波长激光位置不同等问题，大幅度提高了长时间和多色成像的度，并且还可实现多4色的同时3D成像。超大视野 图像采集在光路方面，SAFe light 能够实现在较低激光能量下对大视野图像的均匀照射。这使得abbelight能够在不增加采集时间的前提下，一次性采集200 × 200 μm2 范围内的图像，并且能够保证图像照射光的整体均一性。灵活兼容 轻松升abbelight具有高度兼容性，仅需使用一个c-mount接口即可将您的倒置荧光显微镜升成超分辨显微镜，并且基本不会破坏显微镜的原有功能，节约您的预算与空间。（除了模块外，abbelight也提供完整的超分辨系统）先进软件 功能强大abbelight 同时还是一台十分简便易用的设备，该设备的NEO软件简单、直观、优化良好，可提供全面的参数控制命令、实时3D漂移校正、实时3D重构图像、高速3D定位图像处理、空间分析和测量、分辨率计算等功能。初次应用 轻松上手对于超分辨中的光漂问题，abbelight的商业化成像液能够有效的降低成像过程中的光漂作用。对于初学者来说，abbelight 还提供全面的技术支持，帮助您快速的建立自己的超分辨观测方法，打开超分辨大门，助力科之路。【新发表文章】[1]. Belkahla, Hanen, et al. "Carbon dots, a powerful non-toxic support for bioimaging by fluorescence nanoscopy and eradication of bacteria by photothermia." Nanoscale Advances (2019).[2]. Jimenez, Angélique, Karoline Friedl, and Christophe Leterrier. "About samples, giving examples: Optimized Single Molecule Localization Microscopy." bioRxiv (2019): 568295.[3]. Cabriel, Clément, et al. "Combining 3D single molecule localization strategies for reproducible bioimaging." Nature communications 10.1 (2019): 1980.[4]. Capmany, Anahi, et al. "MYO1C stabilizes actin and facilitates the arrival of transport carriers at the Golgi complex." J Cell Sci 132.8 (2019): jcs225029.

近日，哈尔滨工业大学仪器学院青年教授李浩宇团队在生物医学超分辨显微成像技术领域取得突破性进展。针对目前超分辨显微镜所面临的成像通量限制，团队提出基于计算光学成像的新一代高通量三维动态超分辨率成像方法，通过计算成像技术增强荧光涨落探测灵敏度，使探测灵敏度提升两个数量级以上，突破了现有显微成像技术在高通量视场、高空间分辨率和高时间分辨率等难以兼顾的难题，将目前世界上超分辨显微镜中最高通量视场成像范围提升至毫米级，可在10分钟内对包含超过2000个细胞的视场上实现了128纳米的超高空间分辨率成像，为细胞学异质性和生物医学等研究提供新的科学影像仪器。 　　该研究成果以《通过增强荧光涨落检测实现高通量超分辨率成像》为题，以长文形式在线发表于国际权威杂志《自然光子学》(Nature Photonics，2021年影响因子39.7，光学类最高)。

p 　　12月26日，由中国科学院苏州生物医学工程技术研究所(简称“苏州医工所”)承担的国家重大科研装备研制项目“超分辨显微光学核心部件及系统研制”通过验收，标志着我国具备了高端超分辨光学显微镜的研制能力。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/f803a627-1300-4f36-923e-c53c4d3ad202.jpg" title=" 1123909972_15458328762871n_副本.jpg" alt=" 1123909972_15458328762871n_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 科研人员在用自主研制的激光扫描共聚焦显微镜观察细胞结构。 /strong /p p strong /strong /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/603787a6-59a2-4609-bb37-a8c293834c42.jpg" title=" 1123909972_15458328763351n_副本.jpg" alt=" 1123909972_15458328763351n_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 科研人员在用自主研制的双光子-STED显微镜观察亚细胞结构。 /strong /p p 　　在当今生物学和基础医学研究中，高/超分辨光学显微镜发挥着至关重要的作用，10-100nm尺度的超分辨显微光学成像是取得原创性研究成果的重要手段。我国对光学显微镜特别是高端光学显微镜的需求极其旺盛，但基本依赖于进口，这严重制约了我国生物学和基础医学等相关前沿领域的创新。 /p p 　　历时五年攻关，苏州医工所科研人员全面突破大数值孔径物镜、特种光源、新型纳米荧光增强试剂、系统集成与检测等关键技术，已经申请90余项国家发明专利，其中获得授权30余项 研制出激光扫描共聚焦显微镜、双光子显微镜、受激发射损耗(STED)超分辨显微镜、双光子-STED显微镜等高端光学显微镜整机 建成了高端显微光学加工、装调、检测以及显微镜整机技术集成工程化平台，培养出一支具备研制复杂精密高端光学显微镜能力的研发团队，为我国高端光学显微镜的发展提供了系统解决方案。 /p p 　　苏州医工所研制的超分辨显微镜或核心部件已在国内外多家研究机构使用并已取得部分成果。如：中科院动物所利用高端光学显微镜观察发育生物学中的基本现象，研究潜在调控机制。中科院药物所应用高端光学显微镜观察药物胞内靶向定位和输送，加速创新性新药研发。美国斯坦福大学、日本东京大学、陆军军医大学脑科学研究中心等专业实验室利用双光子显微成像技术进行了信息识别、行为控制等脑科学核心问题的研究以及动物在体成像实验，获得了高分辨实时神经元活动成像数据。 /p p 　　目前，显微镜和关键部件已有部分成果实现销售，例如：双光子显微镜已销往德国、以色列、美国等多家国外研究机构。北京大学、中科院神经科学研究所等国内科研机构也使用了该设备。具有自主知识产权的特种LED光源体系具备了国际竞争力，支撑了包括新一代投影、光医疗仪器以及远程照明等新兴产业的快速发展。共聚焦显微镜也已完成工程化，拟进行产业化生产和销售。 /p p 　　该项目的成功实施，极大改善了我国高端光学显微镜基本依赖进口的状况，对满足我国生物医学等前沿基础研究的定制化需求、提升创新能力，以及推动我国光学显微镜行业转型升级具有重要的战略意义。下一步，苏州医工所将结合研究所工程化及成果转化创新模式，实现科技成果在研发平台、工程化平台、产业化平台、市场平台的高效对接，通过系列化、组合化的产品布局，对显微镜系统和核心部件进行工程化、产业化。 /p

来自奥地利格拉茨大学的研究人员近日开发了一种新的测量和成像方法，可在不需要任何染料或标签的情况下解析小于光衍射极限的纳米结构。这种激光扫描显微镜新方法弥补了传统显微镜和超分辨率技术之间的差距，有朝一日或可被用来观察复杂样品的精细特征。在国际光学出版集团的高影响力期刊《光学》上描述的这种新方法，是对激光扫描显微镜的改进，它使用强聚焦激光束照射标本。研究人员扩展了这项技术，不仅可以测量光与被研究标本相互作用后的亮度或强度，还可以检测光场中编码的其他参数。“我们的方法可帮助扩展用于研究各种样品中纳米结构的显微工具箱。”研究小组组长彼得班泽说，“与基于类似扫描方法的超分辨率技术相比，我们的方法是完全非侵入性的，这意味着它不需要在成像前向标本中注入任何荧光分子。”研究表明，新方法可测量金纳米颗粒的位置和大小，精度为几纳米，即使在多个颗粒接触的情况下也可做到。在激光扫描显微镜中，光束在样品上扫描，并测量来自样品的透射光、反射光或散射光。大多数显微方法测量来自样品的光强度或亮度，但大量信息存储在光的其他特性中，例如它的相位、偏振和散射角。为了捕捉这些额外信息，研究人员检查了强度和偏振信息的空间分辨率。研究人员表示，光的相位、偏振和强度，在空间上都会发生变化，这种变化方式包含了与之相互作用的样品细节，然而，如果只在相互作用后测量总体光功率，那么大部分信息都会被忽略。研究人员研究了含有不同大小的金属纳米颗粒的简单样品，通过扫描感兴趣的区域，然后记录传输光的偏振和角度分辨图像展示了这种新方法。他们使用一种算法对测量数据进行评估，该算法创建了一个粒子模型，模型可自动调整，以尽可能精确地模拟测量数据。班泽说，尽管这些颗粒及其距离比许多显微镜的分辨率极限要小得多，但新方法能够解决这一问题。更重要的是，该算法能够提供有关标本的其他参数，如颗粒的精确大小和位置。

研究人员开发了一种新的测量和成像方法，可以解析小于光衍射极限的纳米结构。光与标本相互作用后，新技术可测量光强度以及光场中编码的其他参数。图片来源：约尔格S艾斯曼/奥地利格拉茨大学来自奥地利格拉茨大学的研究人员近日开发了一种新的测量和成像方法，可在不需要任何染料或标签的情况下解析小于光衍射极限的纳米结构。这种激光扫描显微镜新方法弥补了传统显微镜和超分辨率技术之间的差距，有朝一日或可被用来观察复杂样品的精细特征。在国际光学出版集团的高影响力期刊《光学》上描述的这种新方法，是对激光扫描显微镜的改进，它使用强聚焦激光束照射标本。研究人员扩展了这项技术，不仅可以测量光与被研究标本相互作用后的亮度或强度，还可以检测光场中编码的其他参数。“我们的方法可帮助扩展用于研究各种样品中纳米结构的显微工具箱。”研究小组组长彼得班泽说，“与基于类似扫描方法的超分辨率技术相比，我们的方法是完全非侵入性的，这意味着它不需要在成像前向标本中注入任何荧光分子。”研究表明，新方法可测量金纳米颗粒的位置和大小，精度为几纳米，即使在多个颗粒接触的情况下也可做到。在激光扫描显微镜中，光束在样品上扫描，并测量来自样品的透射光、反射光或散射光。大多数显微方法测量来自样品的光强度或亮度，但大量信息存储在光的其他特性中，例如它的相位、偏振和散射角。为了捕捉这些额外信息，研究人员检查了强度和偏振信息的空间分辨率。研究人员表示，光的相位、偏振和强度，在空间上都会发生变化，这种变化方式包含了与之相互作用的样品细节，然而，如果只在相互作用后测量总体光功率，那么大部分信息都会被忽略。研究人员研究了含有不同大小的金属纳米颗粒的简单样品，通过扫描感兴趣的区域，然后记录传输光的偏振和角度分辨图像展示了这种新方法。他们使用一种算法对测量数据进行评估，该算法创建了一个粒子模型，模型可自动调整，以尽可能精确地模拟测量数据。班泽说，尽管这些颗粒及其距离比许多显微镜的分辨率极限要小得多，但新方法能够解决这一问题。更重要的是，该算法能够提供有关标本的其他参数，如颗粒的精确大小和位置。

16日，记者从哈尔滨工业大学获悉，该校仪器学院现代显微仪器研究所在光学超分辨显微成像技术领域取得突破性进展。研究团队在低光毒性条件下，把结构光显微镜的分辨率从110纳米提高到60纳米，实现了长时程、超快速、活细胞超分辨成像。为精准医疗和新药研发提供了新一代生物医学超分辨影像仪器，使未来大幅度加速疾病模型的高精度表征成为可能。　　显微仪器的分辨能力代表人类对科学探索的边界，2014年诺贝尔化学奖就授予了3位在超分辨率荧光显微技术领域取得重要成就的学者。哈工大现代显微仪器研究所团队提出了一种可突破光学衍射极限的计算显微成像算法，利用荧光成像的前向物理模型与压缩感知理论，并结合稀疏性与时空连续性的双约束条件，建立起一个通用的解算框架——稀疏解卷积技术，突破了现有光学超分辨显微系统的硬件限制，扩展了时空分辨率和频谱。　　在此基础上，研究团队研发了超快结构光超分辨荧光显微镜系统（Sparse-SIM），该系统具有超分辨、高通量、非侵入、低毒性等特点，在高速成像条件下，具备优于60纳米的分辨率和超过1小时的超长时间活细胞动态成像性能。团队首次观察到了胰岛分泌过程中具有的两种特征的融合孔道，第一次利用线性结构光显微镜观察到只有在非线性条件下才能分辨的环状的不同蛋白标记的核孔复合体与小窝蛋白。此外，研究人员还展示了利用该影像技术解析肌动蛋白动态网络、细胞深处溶酶体和脂滴的快速行为，并记录了双色线粒体内外膜之间的精细相对运动。　　据悉，该项研究成果主要由哈工大仪器学院和北京大学未来技术学院合作完成。11月16日，研究成果以《稀疏解卷积增强活细胞超分辨荧光显微镜的分辨率》为题，以长文形式在线发表于国际权威杂志《自然-生物技术》。

近年来，以深度学习为代表的计算超分辨方法可在不损失其他成像性能的前提下，提升显微图像分辨率或信噪比，表现出广阔的应用前景。然而，针对生物医学研究必需高保真度、可定量分析的图像要求，深度学习显微成像方法存在三大共性问题：受限于深度学习内秉的频谱频移(spectral-bias)问题，输出图像分辨率无法达到真值(ground truth)水平；受限于超分辨重建、去噪问题的病态性(ill-posed problem)和神经网络模型的不确定性(model-uncertainty)，重建或预测结果的真实性无法得到保障；深度神经网络的训练需要大量数据，但高质量训练数据的采集在许多应用场景下极其困难、甚至无法实现。当前，深度学习显微成像方法的研究和发展如火如荼，并表现出超越传统成像性能极限的潜力，但上述问题阻碍了现有深度学习超分辨或去噪方法在生物显微成像实验中的使用。 　　10月6日，中国科学院生物物理研究所李栋课题组联合清华大学自动化系、清华大学脑与认知科学研究院、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院戴琼海课题组，美国霍华德休斯医学研究所博士Jennifer Lippincott-Schwartz，在Nature Biotechnology上，以长文(Article)的形式，发表了题为Rationalized deep learning super-resolution microscopy for sustained live imaging of rapid subcellular processes的论文。该研究提出了一套合理化深度学习(rationalized deep learning，rDL)显微成像技术框架，将光学成像模型及物理先验与神经网络结构设计相融合，合理化网络训练、预测过程，从而实现了高性能、高保真的显微图像去噪与超分辨重建，并结合实验室自主研发、搭建的多模态结构光照明显微镜(Multi-SIM)与高速晶格光片显微镜(LLSM)，将传统TIRF/GI-SIM、3D-SIM、LLS-SIM和LLSM的成像速度/时程提升30倍以上，实现了当前国际最快(684Hz)、成像时程最长(最长可达3小时、60,000时间点以上)的活体细胞成像性能，首次对高速摆动纤毛(30Hz)中转运蛋白(IFT)的多种运输行为以及完整细胞分裂过程中核仁液液相分离(liquid-liquid phase separation)过程进行快速、多色、长时程、超分辨观测。Nature Biotechnology针对这一工作同时发表了评述文章(Research Briefing)。 　　具体而言，李栋/戴琼海研究团队提出的合理化深度学习结构光超分辨重建架构(rDL SIM)不同于现有超分辨神经网络模型的端到端(end-to-end)训练模式，而是采用分步重建策略，首先利用所提出的融合成像物理模型和结构光照明先验的神经网络对原始SIM图像进行去噪和高频信息增强，然后通过经典解析算法进行SIM重建以获得最终的超分辨图像。相比于该团队去年在Nature Methods上提出的超分辨重建神经网络模型DFCAN/DFGAN，rDL SIM可将超分辨重建结果的不确定性降低3~5倍，并实现更高的保真度和重建质量；相比于其他去噪算法(如CARE)，rDL SIM可恢复出调制在原始图像中的莫尔条纹，并将高频信息增强10倍以上。 　　此外，针对晶格光片显微镜、共聚焦显微镜等宽场照明或点扫描成像模态，该团队提出了一种可学习的傅立叶域噪声抑制模块(FNSM)。该模块可以利用OTF信息对显微图像中的噪声进行自适应滤除。科研团队以此构建了嵌入FNSM的通道注意力去噪神经网络架构，并基于显微成像数据本身的时空连续性，提出了时空交织采样自监督训练策略(TiS/SiS-rDL)。该策略无需额外采集训练数据、亦无需保证时序数据具有时间连续性，即可实现媲美监督学习效果的去噪神经网络的训练，解决了实际生物成像实验中高质量训练数据难以获取的难题。 　　合理化深度学习超分辨显微成像方法可适用于包括2D-SIM、3D-SIM、LLSM等在内的多种显微成像模态，提供高分辨率、高保真的显微图像重建性能，相较于传统方法最多可以提升30倍的成像时程和10倍的成像速度。借助rDL成像技术，研究团队开展了诸多过去的成像手段无法开展的超分辨活体成像实验，并与Lippincott-Schwartz、中科院分子细胞科学卓越创新中心研究员朱学良、中科院遗传与发育生物学研究所研究员何康敏探讨了其潜在的生物学意义，包括：对滴落在玻片上的U2OS细胞贴壁生长过程进行双色、长时程(1小时以上)、超分辨(97nm分辨率)观测，清晰、真实地记录了细胞粘附和迁移的动力学现象，且不干扰这一漫长、脆弱的生命过程；对高速摆动纤毛以当前最快的684Hz成像速率进行长达60,000个时间点的连续超分辨观测，且过程中无明显光漂白或细胞活性损伤，并对纤毛摆动模式和频率进行统计分析；对摆动纤毛及纤毛内转运蛋白(IFT)进行超快、超分辨双色成像，揭示了IFT在行进途中碰撞、重组、掉头等多种新行为；通过对cCAS-DNA与ER进行双色、长时程、超分辨成像，观测到cGAS-DNA在保持与ER持续接触过程中的定向运动、转向或扩散等行为，拓展了对膜性细胞器与无膜细胞器相互作用机制的认知；对HeLa细胞分裂过程中的核仁磷酸蛋白(NPM1)、RNA聚合酶I亚基RPA49及染色质(H2B)进行超长时程(12秒采集间隔，2.5小时以上)的三维超分辨活体成像，实现了对完整有丝分裂过程中NPM1与RPA49两种结构形态变化的三维超分辨活体连续观测，揭示了细胞有丝分裂过程中核仁形成以及NPM1、RPA49两种无膜亚细胞结构的相变、互作规律；以10Hz的全细胞体成像帧率对高尔基体进行长达10,000时间点的连续拍摄，并实现了对完整细胞分裂过程内质网、溶酶体、线粒体等亚细胞结构的三色、高速(秒量级)、超长时程(小时量级，1000个时间点)三维观测，探究了细胞有丝分裂过程中细胞器在子代细胞中的均匀分配机制。 　　李栋/戴琼海合作团队通过人工智能算法与光学显微成像技术的交叉创新，提出了合理化深度学习超分辨显微成像框架，解决了现有深度学习成像方法分辨率损失、预测不确定性、训练集不易采集等难题，可为多种活体显微成像模态提供30倍以上的成像速度与时程的提升，为细胞生物学、发育生物学、神经科学等领域的发展提供了重要的研究工具。同时，该研究团队所坚持和倡导的人工智能算法与光学成像原理交叉创新、软硬结合的研究思路，为现代光学显微成像的发展开辟了新的技术路径。 　　研究工作得到国家自然科学基金、科技部、中科院、中国博士后科学基金、腾讯“科学探索奖”、清华大学“水木学者”计划的支持。图1.合理化深度学习超分辨显微成像神经网络架构图2.合理化深度学习超分辨显微成像方法应用概览

中国科学院上海高等研究院王中阳课题组提出新型的基于荧光量子相干的超分辨显微成像方法，研究成果以Breaking the diffraction limit using fluorescence quantum coherence为题，近日发表在 《光学快报》（Optics Express）上。 在经典光学成像中，显微镜的空间分辨率受阿贝衍射极限限制为？λ/2NA，其中λ为光波长，NA为显微物镜的数值孔径。近二十年来，各种超分辨荧光显微成像技术的出现打破了光学衍射极限，将空间分辨率提高到纳米尺度，主流技术包括随机光学重构超分辨成像技术（STORM）、结构光照明显微技术（SIM）和受激辐射损耗技术（STED）。其中STED和STORM通过不断提升测量精度极限来提高分辨率，如STED利用非线性受激辐射损耗机制来压制衍射受限的埃里斑尺寸再通过点扫描获得超分辨成像，而STORM通过统计荧光分子中心位置的定位精度来超衍射极限分辨，其分辨率由测量精度即统计分辨率极限？ ？N？1/2决定，？N？为探测到平均光子数。 在量子光学中，现有研究表明利用光的量子性质能够突破经典的空间分辨率限制，从而进一步提升分辨率。例如，利用N个纠缠光源的光子干涉能够将分辨率提升到海森堡极限？1 / N。而在荧光显微镜中，同样可以利用荧光光源的量子特性来实现分辨率的提升。单个荧光分子或原子的发射具有单光子辐射源的性质，在一次脉冲激发下仅发出单个光子，因此光子发射统计概率不同于热辐射光源的一簇一簇的光子辐射，而是一个接一个发出，体现了明显的反聚束统计特性，并且理想的单光子源发出的光子在光谱、偏振上完全相同，即具有高的光子不可区分特性。上述荧光的量子性质已被实验证明存在于荧光显微成像常用的荧光染料中，例如单个有机染料分子、单个量子点以及单个金刚石色心，为发展新型的超分辨荧光显微成像技术带来了新的量子信息维度。 基于此，王中阳课题组提出了基于荧光光源的量子性质的超分辨成像方法，并对成像机制展开研究。研究者从荧光光源的发光机制出发，考虑了大多数荧光染料所包含的退相和光谱扩散机制，构建了通用的单光子波函数并考虑其在显微系统中的时间和空间维成像变换；通过计算双光子干涉的时间和空间的探测概率分布，从而获得荧光量子相干统计模型。该模型为宏观部分相干理论与荧光微观辐射机制提供了桥梁。基于此模型，研究者还提出了一种基于荧光量子相干性的超分辨荧光显微成像方法。利用新型的单光子雪崩探测器（SPAD）阵列统计荧光光子的时间和空间涨落p(r, t)。为了提取荧光光子相干性，通过引入时间门Tg作为光子到达时间的后选择窗口来提取高度相干的光子并沿Tg积分构造时间相干调制函数p(r, Tg)，如图1所示。 时间相干调制函数与荧光光源空间分离量s有关。因此，通过准确测量时间相干调制函数，并预先确定其它变量，可从中准确提取出衍射极限内荧光光源空间分离距离s。此时，分辨率（即光源分离距离s）取决于荧光时空相干性的测量精度，而相干性测量精度又与探测到的光子数和空间采样率有关，如图2所示，仿真结果表明，当探测到的光子数达到104时，分辨率可以达到50 nm。该新型量子增强成像技术能够发掘荧光量子时空涨落特性及量子相干性，有助于实现荧光弱信号下的快速超分辨成像。　　论文链接 　　图1.基于荧光量子相干的超分辨荧光显微成像方法示意图。（a）实验装置图；（b）传统成像方式和SPAD阵列探测方案对比图；（c）成像过程时序图；（d）荧光光子时空相干性概率分布；（e）引入时间门调制后荧光光子时空相干性概率分布。 图2.不同累计光子数下p(0, Tg)的测量精度（荧光光源距离s分别为50和100 nm）

生命科学是从微观层面观察和研究生命过程，从而揭示生命的物质基础和基本现象。显微成像是观察微小物体的重要手段，但其分辨能力受光学成像系统的限制（即衍射极限），无法满足现代生命科学研究要求的更高解析度、更准确的成像需求。熵智科技作为中国原创3D视觉创业公司第一梯队，横跨机器视觉与微纳光学两大领域，深刻认识到微纳光学在生命科学研究领域中的巨大价值。9月23日，熵智科技在西安发布自研的超分辨及共聚焦显微成像分析系统。该系统易用、性价比高，相较于国内外显微成像产品，不仅突破了光学成像系统的限制，轻松实现纳米尺度的2D/3D动态图像解析能力，还将共聚焦+超分辨+后处理分析完美融合，软件结合场景模块化。无论新手用户还是专家用户，只需通过一套界面即可获取一流的超高分辨率图像及分析结果。熵智科技超分辨及共聚焦显微成像分析系统工作原理超分辨显微成像分析系统采用结构光照明显微成像术（英文Structured Illumination Microscopy, 简称SIM），突破传统显微镜的阿贝衍射极限，实现生物组织、细胞、神经元等活动样本的快速超分辨率成像，为生命科学、生物工程等领域提供创新的超分辨率成像技术产品，几乎可集成于任何荧光显微镜。共聚焦显微成像分析系统的软硬件均采用模块化设计，硬件集成SIM超分辨模块、软件支持多种后处理功能，从而提供精确的2D/3D成像，以及动态过程的成像。目前，共聚焦和超分辨光路共用了光源准直部分、物镜部分、聚焦成像部分。主要功能超分辨及共聚焦显微成像分析系统视野超10倍扩展，达1mm，拥有精确的多微细胞结构生物显微影像分析功能，实现双光路同时，宽场、共聚焦、超分辨三种模式自由切换。大视野拼图：多种不同的图像获取方式、可实现500um*500um视场上图片进行拼接。图像增强及处理：可对采集到荧光图像进行增益调节、对比度调节、亮度调节以及色阶调节。反卷积处理：在原有采集到图像基础上，对图像数据做实时清晰度优化，达到消除背景噪声，有用信息表达更精准的作用，处理速度10ms以下，速度快；可进一步结合DNN方法，提高应用场景的鲁棒性。特征统计分析：对于识别出的细胞，对其强度、直径、周长等15个属性做数值量化。特征标记分类：可对细胞的特征进行标记和分类。单细胞定量分析：可以准确分割出相互重叠的细胞，精度更高，在专业单细胞识别的基础上，结合深度学习AI算法，可以精确识别互相挤压重叠的细胞核，而且对于细胞轮廓边界识别更加准确。亚细胞结构分析：可以定位某种蛋白或者某个基因表达产物在细胞的具体存在部位，如细胞核，胞浆内，结合AI图像分析方法，以表格和数据统计输出结果。细胞亚群圈选分析：筛选特定的感兴趣细胞亚群，进行了10余种参数分析。特殊细胞/结构识别：提供特殊细胞如脂肪细胞的识别和数量统计。多重荧光染色：实现细胞核、细胞质、细胞膜的各种形态和染色，精确寻找目的细胞及其结构。细胞寻找及跟踪：实现特定细胞的动态识别和跟踪。核心参数激光共聚焦超分辨显微参数配置普通光纤激光器激光405nm、488nm、561nm、640nm扩展HC-PCF激光器920nm探测器 PMT3个；波长：400-750nm，GaAsP最大拍摄速度8fps@512×512像素；2fps@1024×1024像素；4096×4096最高；更多可配置；扫描方式X-Y, X-Y-Z, X-Y-T分辨率250nm in x, y and 550nm in z 共聚焦120 nm in x, y and 320nm in z (488nm wavelength) 超分辨共焦视场Φ18mm-Φ25mm 内接正方形成像深度100μm灵敏度提升4倍相对信噪比 SNR优良级 50dB显微镜电动显微镜奥林巴斯 倒置IX73显微镜，具备明场、微分干涉、荧光等观察方式物镜奥林巴斯或Mitutoyo平场复消色差物镜（防腐蚀陶瓷表面以及红外色差矫正）选型载物台奥林巴斯 电动IX3-SSU 扫描精度优于0.7μm光学放大1.0X；1.5X；3.2X；20X 适配/转换器共聚焦/超分辨率光路切换（电动）、6位电动物镜转换器荧光装置配荧光光阑*相机（lattice）SCMOS，分辨率2048×2048，100fps@全幅面，位深12bit工作站Windows10 Pro 64 bit；硬盘≥1TB；内存16GB软件控制软件：图像采集及2D/3D/4D处理；共聚焦和超分辨配置；*成像分析：细胞自动识别、单细胞定量分析、亚细胞结构分析、细胞亚群圈选分析等防震台频率范围（5～30Hz）：≤30μm/s均方根；频率范围（＞30Hz）： ≤60μm/s均方根增配双光子成像激光生成组件、高速扫描头、前置补偿单元应用场景超分辨及共聚焦显微成像分析系统可应用于基础生物学、临床医学、病毒学、精准药物筛选等领域，为活细胞超分辨率智能成像提供解决方案。基础生物学：皮肤病例研究、类器官培养观察、微生物形态研究、胚胎发育成像、组织结构三维重构。如通过斑马鱼胚胎发育过程的成像，研究血管疾病和血管药物的新兴模型，从而更好解决人类血管疾病；通过光学切片, 确定其复杂的内部结构与组织功能之间的关系。临床医学：细胞形态结构鉴定、病理显微成像、异常细胞跟踪检测、组织形态学观察。利用计算机进行图像处理, 不仅可观察固定的细胞、组织切片, 还可对活细胞的结构、分子等进行实时动态观察和检测。通过它可以直接观测细胞形态学的组织、细胞之间的相互作用、组织微环境、伤口的愈合等成像，有助于了解病理机制，以开发疾病治疗方法从而促进人体健康有重要的意义。病毒学：植物病毒研究、动物病毒研究、医学病毒研究、环境病毒研究、噬菌体研究。采用超分辨技术，可以实现病毒感染细胞及复制、组装、释放等动态过程的研究。药物筛选：药材显微鉴别、载药微粒结构、药物扩散跟踪、制药成型和释药研究、药理药效研究。通过药物筛选确定干预的潜在治疗方法，加速早期药物的研发和确定疾病的模型。利用显微镜观察植（动）物药材内部的细胞、 组织构造，从而达到鉴定药材的目的。选择合适的药物靶分子，针对高分辨率成像的固定样品及活细胞进行分析，从而满足不同实验的需求。关于熵智科技熵智科技是国家级高新技术企业，拥有底层成像系统和算法开发能力，软硬件一体化，致力于通过高性能的成像技术解决机器人柔性化、微纳级检测与测量等问题。熵智科技自2018年成立至今，先后获得字节跳动、拓金资本、松禾资本、远望资本、华控资本等投资。深圳、武汉、西安三地联合办公，目前研发和工程团队70余人，核心技术人员均硕士及以上学历，博士6人。未来，熵智科技将继续深耕微纳光学领域，以更优的产品与服务回馈广大合作伙伴及客户。

华中科技大学课题组3月12日在Nature Methods在线发表研究论文，提出了一种基于深度学习的超分辨荧光显微镜，实现对活细胞的精细动态和相互作用进行快速、三维、长时程地观测。　　细胞的稳态离不开内部多种亚细胞结构的精确分工和协同合作，洞悉细胞内细胞器/蛋白分子的精密运转是一项重要的生命科学研究需求，为揭示发育、疾病等浩瀚生命现象的微观机制提供重要参考。借助荧光显微成像技术，人们得以实现对亚细胞结构的特异性观测，但因光学衍射极限的存在，成像的分辨率被限制在200纳米左右，这大大阻碍了对其精细结构的进一步探究。超分辨荧光显微成像技术的出现，使清晰观测亚细胞结构成为可能，但目前主流的超分辨荧光显微镜需通过多组图像测量来突破光学衍射极限，伴随着显著降低的时间分辨率和剧增的光毒性。对活细胞进行低侵入性、高时空分辨率的精细观测目前依然存在巨大的挑战。　　研究在硬件上提出一种基于双环掩膜（Double-Ring, DR）调控的选择性光片照明方法（DR-SPIM），利用多级调制光的衍射显著抑制光片旁瓣的同时产生厚度仅为450纳米的超薄、静态、消色差光片，提供高轴向分辨率的原始三维图像并大幅度降低成像对活细胞的光毒性。　　在图像处理上，针对原始图像中噪声，衍射极限等多因素耦合造成的复杂降质，研究者们进一步提出各向同性、分而治之（Isotropic Divide-stage-to-process, ID）的计算重建新思路，构建了多段级联的卷积神经网络，先利用局部多级先验知识的分段训练精确模拟成像物理过程，再通过多种损失函数的联合优化对网络进行整体约束，将光学成像中固有的噪声、光学模糊、降采样、非均一性等降质问题联合求解，大幅度提升了算法在应对低信噪比-低分辨率图像时的增强性和精确性。最终，研究团队基于单组带噪、衍射受限的光片图像即实时重建出高信噪比的超分辨图像。　　研究人员表示，光学和算法的软硬联合（IDDR-SPIM），克服了超分辨成像中时间和空间分辨率的相互妥协，无损速度地打破衍射极限，将活细胞三维成像空间分辨率提升到各向同性100纳米的同时实现视频速度的高时间分辨率。　　研究人员进一步实现了GFP标记内质网和RFP标记线粒体结构的同步-三维-动态超分辨成像，捕捉到了内质网调控线粒体分裂的精细三维动态过程，并基于高时空分辨率的数据对内质网与线粒体的三维相互作用进行定量分析。得益于IDDR-SPIM成像极低的光漂白率，研究人员还对Drp1寡聚体调控线粒体分裂或分支的过程进行了持续观测，并分类表征了线粒体附着蛋白和游离蛋白在运动轨迹和速度上的不同。由于蛋白寡聚体较细胞器结构体积更小，包含荧光分子更少，且在三维空间均存在运动，使用传统的超分辨显微镜均难以捕捉，更难以完成长时间观察。　　该研究提出了一种新的光片超分辨显微成像策略，通过多级衍射调控的光片照明成像技术联合分而治之的深度学习单图超分辨算法，大幅突破现有三维超分辨成像的时空分辨率极限，为快速、三维、长时程地观测活细胞的精细动态和相互作用提供了强有力的新工具。　　华中科技大学教授费鹏和张玉慧为共同通讯作者。费鹏课题组博士生赵宇轩、周瑶，张玉慧课题组博士后张朦、博士生张文婷为论文共同第一作者。本研究在基金委重大研究计划培育项目、基金委面上项目、国家重点研发计划、基金委重大仪器研制项目、武汉光电国家研究中心WNLO创新基金的资助下开展和完成。

1873年，德国物理学家恩斯特阿贝(Ernst Abbe)提出光学显微镜存在分辨率极限，约为200nm。2014年的诺贝尔化学奖同时授予了三位科学家，他们在突破了“阿贝极限”，在超分辨荧光成像技术领域做出重要成绩，将光学显微技术带入到纳米尺度。近些年来，超分辨显微技术得到了快速发展，当前主要的超分辨技术有结构光照明（SIM）、受激发射损耗（STED）、光激活定位显微（PALM）、随机光学重构（STORM），相关技术陆续实现商业化，并且产品在不断完善。我国在超分辨显微镜的发展上也紧跟步伐，不仅传统光学显微镜厂商开始转向这一领域（永新光学今年已经发布超分辨显微镜），许多科研单位在相关技术上不断取得突破，并且落地成果，成立企业将相关技术产业化，如超视计、纳析光电、艾锐科技等。12月20-22日，仪器信息网将举办第四届先进生物显微技术及前沿应用网络会议（点击报名），21日上午，超视计、纳析光电、艾锐科技的创始人，同时也分别是北京大学和中科院生物物理所的PI，将分享相关技术和产业化进展。同一会场，清华大学蛋白质研究技术中心细胞影像平台和尼康生物影像中心平台主管王文娟博士将分享共聚焦显微镜在生命科学领域的高级应用，中科院细胞科学卓越创新中心的单琳博士（陈玲玲研究员课题组）讲分享她在科研工作中多种超高分辨率成像技术的应用；显微镜“四大家”之一徕卡的童昕老师将分享徕卡多模式智能显微技术在生命科学领域的应用。点击图片也可免费报名

光学超分辨显微成像技术使人们能够从微观纳米尺度观测细胞内的动态生命活动，是当今细胞生物学、发育生物学、神经科学等生命科学领域的重要研究工具。基于深度学习的超分辨成像技术在保证成像指标，如速度、时程或视野等性能的前提下，进一步提升了显微图像分辨率或信噪比，表现出更大的应用前景。近日，中国科学院生物物理研究所与清华大学，联合美国霍华德休斯医学研究所等研究团队，在Nature Biotechnology杂志上发表了题为“Rationalized deep learning super-resolution microscopy for sustained live imaging of rapid subcellular processes”的研究论文。该研究提出了一套合理化深度学习显微成像技术框架，将光学成像模型及物理先验与神经网络结构设计相融合，合理化网络训练、预测过程，从而实现了高性能、高保真的显微图像去噪与超分辨重建，并结合实验室自主研发、搭建的多模态结构光照明显微镜与高速晶格光片显微镜，将传统成像速度/时程提升30倍以上，实现了当前国际最快、成像时程最长的活体细胞成像性能，并首次对高速摆动纤毛中转运蛋白的多种运输行为以及完整细胞分裂过程中核仁液-液相分离过程进行了快速、多色、长时程、超分辨观测。综上，本研究提出了一种合理化深度学习超分辨显微成像框架，解决了现有深度学习成像方法分辨率损失、预测不确定性、训练集不易采集等难题。同时，人工智能算法与光学显微成像技术的交叉创新，也为现代光学显微成像的发展开辟了新的技术路径。　　原文链接：　　https://www.nature.com/articles/s41587-022-01471-3

德国哥廷根大学医学中心纳米专家Ali Shaib和Silvio Rizzoli团队开发了一种用于普通光学显微镜的方法——ONE显微镜的技术，这项技术记录了单个蛋白质图像和从未见过的细胞结构图像，其细节程度甚至超过了价值数百万美元的“超分辨率”显微镜。相关研究结果发表于预印本网站bioRxiv。“显微镜技术应该有某种形式的民主。” Rizzoli指出，该新技术的高分辨率适用于很多人，而不是少数富裕的实验室。传统光学显微镜的能力受到光学定律的限制，这意味着小于200nm的物体观测是模糊的。Rizzoli说，研究人员已经开发出了超越物理的超分辨率方法，可以将这一极限降低到10nm左右。这种方法获得了2014年诺贝尔化学奖，它使用光学技巧来精确定位附着在蛋白质上的荧光分子。2015年，研究人员提出了另一种规避光学限制的方法。美国麻省理工学院神经工程师Edward Boyden领导的研究小组表明，充气组织（使用尿布中的一种吸收性化合物）可以使细胞物体彼此远离。这种被称为膨胀显微镜的技术使显微镜分辨率有了飞跃，可以分辨20nm左右的结构。Shaib和Rizzoli的技术融合了这两种方法，以达到1nm以下的分辨率。这种清晰度足以揭示单个蛋白质的形状，而此前通常使用更昂贵的结构生物学方法，对这些蛋白质进行更详细的成像，如冷冻电子显微镜。膨胀显微镜的简单性是其吸引力的一部分，Boyden估计，超过1000个实验室已经采用了这项技术。样品经过化学物质处理，将蛋白质固定在一种聚合物上，加入水后，聚合物膨胀到原来的1000倍，使分子分离。ONE显微镜技术也利用热或酶来分解蛋白质，这样单个片段在膨胀过程中就会被拉伸到不同的方向。研究人员已经使用他们的方法记录了一种神经分子GABAA受体的图片，这与蛋白质的高分辨率低温电子显微镜和X射线晶体学图非常相似。他们还捕捉到了一种名为耳铁蛋白的大块蛋白质的轮廓，这种蛋白质的结构尚未确定，它有助于在大脑中传递音频信号。这个形状类似于AlphaFold深度学习网络做出的结构预测。虽然该方法无法与低温电镜的分辨率相匹配，后者在某些情况下可以揭示小于0.2 nm的近原子级细节，但是低温电镜技术既小气又昂贵。Rizzoli说，相比之下，ONE显微镜可以提供一种快速而简单的方法来了解几乎任何分子的结构。Rizzoli说，开发这项技术的部分动机是扩大尖端光学显微镜的可及性。ONE显微镜方法很简单，适用于20世纪90年代过时的荧光显微镜。开罗德国大学制药技术专家Salma Tammam计划今年夏天派一名博士生学习这项技术。她的实验室研究纳米颗粒如何在细胞中移动，他们想要看到粒子及其运载物的细节。但与低收入和中等收入国家的许多研究人员一样，他们无法获得昂贵的超分辨率显微镜。德国莱布尼茨分子药理学中心突触生物学家Noa Lipstein说，扩大超分辨率显微镜的应用范围对资金雄厚机构的科学家也很重要。她最近成立了一个独立的研究小组，并选择将ONE显微镜应用于他们对神经突触细节的研究。

当今世界，最顶尖的共聚焦显微镜观察到的物体大小在50纳米左右,而国内目前的技术只能达到200纳米-300纳米之间。不过，这种被欧美垄断的高精尖技术壁垒有望在苏州被打破，记者日前从中国科学院苏州医工所获悉，该所正在研制&ldquo 超分辨显微光学核心部件及系统研制&rdquo 项目，未来3到5年内，将推出分辨率为50纳米的超分辨显微镜，填补该技术的国内空白。目前，该项目已成功获批&ldquo 国家重大仪器专项&rdquo ，将拿到国家专项研究经费1.7亿多元。 　　&ldquo 目前，国内最先进的共聚焦显微镜也只能看到细胞，若能将分辨率推进到50纳米，便可清晰地看到细胞的活体结构、细胞内部的变化及其运动状态。打个比方来说，可以大约观察到一根头发丝千分之一的细胞内部的活体运动。&rdquo 江苏省医学光学重点实验室常务副主任、&ldquo 省双创人才&rdquo 、&ldquo 姑苏领军人才&rdquo 熊大曦向记者介绍。 　　长期以来，我国缺乏高端显微光学系统及其关键部件的自主研发与创新能力，这严重制约了我国的重大科学发现和技术创新，已经成为我国前沿科学研究和科学仪器行业发展的瓶颈。目前，国内运用的售价在200万元到500万元不等的高端激光扫描共聚焦显微镜全部依赖进口。而国外最先进的一台超分辨显微光学系统，报价要达到1000万元。 　　鉴于国内该行业的现状，2010年，苏州医工所瞄准国家重大战略需求，启动了激光扫描共聚焦显微镜的研制专项，仅用两年多时间，现已完成了激光扫描共聚焦显微镜样机的研制。在此基础上，苏州医工所又成功申报国家重大仪器专项&mdash &mdash &ldquo 超分辨显微光学核心部件及系统研制&rdquo 。据悉，该项目将依靠苏州医工所在光学设计、激光技术以及精密光学机械加工、检测和装调等方面的技术优势，研制出具有自主知识产权的超分辨显微光学系统，主要技术指标为分辨率50纳米、光谱检测范围400-800纳米。 　　&ldquo 该项目一旦投产运用，将填补国内空白，打破欧美等发达国家对高端显微光学仪器市场的垄断，为我国现代显微光学技术的发展，提供&lsquo 从关键部件到系统&rsquo 的全套解决方案，满足我国生物医学、重大疾病防治、重大新药创制等前沿科学研究对先进科学仪器的迫切需求，帮助人们更好地了解生命的起源及结构，使我国一举走到世界高端光学显微镜研制的前列。而且，未来我们的产品售价将比进口仪器便宜一半以上，这将大大降低医疗等相关行业的成本。&rdquo 苏州医工所所长、国家&ldquo 973&rdquo 项目首席科学家唐玉国表示。

近日，某采购平台发布吉林大学2022年8至10月政府采购意向，其中预算630万计划采购一套超分辨共聚焦显微成像系统，要求为包括4个波长以上的激光光源、显微镜系统、成像检测器系统、操作软件、电脑主机、显示器。可实现进行细胞亚结构的动态成像，细胞或组织内部的超细微荧光特性解析，观察细胞或组织内部的微细结构和形态学变化，记录细胞的生理特性。实现“高清”、“动态”的活细胞高分辨观察要求。 具体要求详见采购文件。供货期：签订合同之日起，6个月货到采购人指定地点并安装验收完毕。（包括供货，安装，调试，验收合格所需时间）。具体事宜由成交供应商按采购人指定地点及时间安排要求执行。详细情况如下超分辨共聚焦显微成像系统项目所在采购意向：吉林大学 2022年8至10月政府采购意向采购单位：吉林大学采购项目名称：超分辨共聚焦显微成像系统预算金额：630.000000万元(人民币)采购品目：A02100301显微镜采购需求概况 ：超分辨共聚焦显微成像系统，1套。要求为包括4个波长以上的激光光源、显微镜系统、成像检测器系统、操作软件、电脑主机、显示器。可实现进行细胞亚结构的动态成像，细胞或组织内部的超细微荧光特性解析，观察细胞或组织内部的微细结构和形态学变化，记录细胞的生理特性。实现“高清”、“动态”的活细胞高分辨观察要求。 具体要求详见采购文件。供货期：签订合同之日起，6个月货到采购人指定地点并安装验收完毕。（包括供货，安装，调试，验收合格所需时间）。具体事宜由成交供应商按采购人指定地点及时间安排要求执行。预计采购时间：2022-10备注：本次公开的采购意向是本单位政府采购工作的初步安排，具体采购项目情况以相关采购公告和采购文件为准。

通过采用独特的分子设计，我国光电国家实验室朱明强教授课题组近日研发了一种超级荧光分子开关，将基于二芳基乙烯的荧光分子开关比提高了4个数量级，达到1万倍以上，响应速率也大幅度提高。并且，课题组还利用这种超级荧光分子开关的新特性，制作出具有超级光敏感和应用潜力的全光晶体管，这对我国研制新型超分辨率荧光显微镜意义重大。相关成果的论文日前已经在国际知名的《自然· 通讯》杂志上发表。 　　据介绍，在过去很长一段时间，世界各国科学家认为光学显微镜有一个极限，即无法获得比半光波长更好的分辨率。但在&ldquo 荧光分子&rdquo 的帮助下，科学家可以突破这种极限。2014年，美国及德国三位科学家就是因为&ldquo 研制出超分辨率荧光显微镜&rdquo ，将光学显微镜带入了纳米维度，获得诺贝尔化学奖。 　　在&ldquo 纳米&rdquo 级的超分辨率荧光显微镜下，科学家可以实现活体细胞中单个分子通路的可视化，能够观察到分子是如何在大脑神经细胞之间生成神经突触，可以追踪帕金森病、阿尔兹海默症和亨廷顿症患者体内相关蛋白的累积情况，还能跟踪受精卵在分裂形成胚胎时蛋白质的变化过程等。

1873年，德国物理学家恩斯特阿贝(Ernst Abbe)提出光学显微镜存在分辨率极限，约为200nm。2014年的诺贝尔化学奖同时授予了三位科学家，他们在突破了“阿贝极限”，在超分辨荧光成像技术领域做出重要成绩，将光学显微技术带入到纳米尺度。近些年来，超分辨显微技术得到了快速发展，当前主要的超分辨技术有结构光照明（SIM）、受激发射损耗（STED）、光激活定位显微（PALM）、随机光学重构（STORM）等，获诺奖的两种超分辨技术分别是STED和单分子定位显微技术，后一类技术的典型代表目前有光激活定位显微（PALM）和随机光学重构显微（STORM）。随着超分辨技术的发展与成熟，几大显微公司也纷纷推出各自的商业化产品，并根据各技术的特点和优势应用到不同的生命科学研究当中。本文对国内实验室共享的超分辨显微仪器进行了盘点，共统计到70台，未在所用统计平台上传的仪器不在本次统计范围之中。超分辨显微镜的货值较高，应用领域较专业，虽然统计到的共享仪器数据量不大，但一定程度上可反映出其时间地域分布、科研单位特定技术需求以及对于品牌的选择。获“诺奖”后超分辨共享启用提速 北京占比超30%图1 共享超分辨显微镜各省分布本次统计当中，分布在北京的超分辨显微镜数量最多，占比约为30%，其中北京大学和中科院系统（包括中科院生物物理所、中科院动物研究所）的共享仪器数量相对较多。除北京以外，江苏省上传的共享超分辨显微镜数量较多，主要分布单位是江南大学、南京农业大学和东南大学。图2 共享仪器启用时间分布 本次统计的共享超分辨显微镜的启用时间可以看出，2014年以后，共享仪器大幅增加，而2018年启用的共享超分辨显微镜最多。尼康近4成 STORM技术应用更广泛图4 共享超分辨显微镜品牌占比本次统计的共享超分辨显微系统品牌分布如图4，最多的是尼康，占比38%，主要技术类型则是STORM；其次是蔡司，主要技术类型是蔡司的Airyscan（部分仪器未标明具体技术，Lattice SIM和SMLM未统计到），占比为22%；STED技术是第一个用来突破衍射极限的远场光学显微技术，目前国内市场主要是徕卡的产品，在本次统计中占比为17%。图3 各超分辨技术占比主要超分辨技术应用占比如图3，全国来看，应用最多的是STORM技术，占比22%，其次是蔡司的Airyscan（不包括Airyscan2）和SIM，分别占比21%和19%。而以样本量最多的北京地区分析，最多的是STORM技术，占比26%，STED、SIM其次，占比均为21%。STORM超分辨技术是目前分辨率最高的技术，据称可达20nm。另有报道显示，苏州医工所自主研制的超分辨显微成像系统主要基于STED和STORM技术，而本次统计到的苏州医工所自主研制的仪器还用到了SIM 技术，根据苏州医工所官网报道，其STED超分辨显微镜分辨率达到50nm。表1 超分辨技术和商业化企业超分辨技术/主要公司蔡司徕卡尼康奥林巴斯GESIM√（Lattice SIM）√√PALM√√STORM√（SMLM）√STED√Airyscan√OSR√多方发力 国产超分辨技术追赶正当时 在被国外品牌长期“统治”的高端光学显微镜领域，中国科研人员始终坚持研发力求突破，令人欣喜的是，在本次统计中，国产超分辨显微系统共有5台，占比7%，其中苏州医工所2台，中科院生物物理3台，这些超分辨显微技术也已经对科研人员开放使用，并且依靠自主研发的仪器做出的数据也发表了高质量的文章。此外，北京大学陈良怡教授团队与合作者在2018年研发出的超高分辨率显微镜 -- 海森结构光显微镜（Hessian-SIM），研究成果在Nature Biotechnology上发表，并夺得了生物成像领域的多个“首次”，也被评为当年的“中国光学十大进展”。据悉北京世纪桑尼科技有限公司正在研发商业化超分辨模块，近期将有测试数据，仪器信息网将持续关注。当前，飞速发展的中国生命科学和医学向中国的高端科研仪器制造提出要求。近些年来，高端显微设备国产化方面，越来越多的中国自主研制超分辨、双光子和共聚焦等高端显微镜问世。虽然超分辨显微技术越来越成熟，但空间与时间、成本与性能的博弈还在持续，超分辨显微成像技术仍有进步的余地，期待国产超分辨显微镜能够继续奋起直追，早日立足国际舞台。

在近日举行的首届“大走廊杯”中国杭州博士后科创精英赛总决赛中，杭州师范大学物理学院杨泽超教授团队带来的项目“高时空分辨变温扫描隧道显微镜的研发与制造”从来自美国、英国、德国等13个海外国家和北上广深等30余个城市的300多个青年博士后团队中脱颖而出，得到不少科研人员和投资者的关注。首届“大走廊杯”中国杭州博士后科创精英赛总决赛现场要实现弯道超车、跨越发展，科学研究就要更具前瞻性一位创投公司高级投资总监表示:“我很看好这个项目，觉得这个产品应用范围很广，而且有较高的技术壁垒，他们把分辨率做到了原子级。同时，此仪器还能对原子的运动过程进行毫秒级的实时捕捉。”物理学院杨泽超教授据悉，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）是一种空间分辨率可以达到原子量级的微观探测工具，它能使人类直接地观察到物质表面的单个原子及其排列状态，并且能够研究其相关的物理、化学性质，因此在表面科学、材料科学、生命科学等领域得到了广泛应用。杨泽超介绍，表面纳米结构在不同温度条件下表现出不同的物理化学性质，而扫描隧道显微镜因具有原子分辨率实空间成像能力，尤其适合用来研究这类材料的表面物性。但同时表面结构动力学过程通常发生在毫秒或微秒的时间尺度。因此，在变温条件下工作的同时具有高时间分辨率的扫描隧道显微镜已经成为世界上很多研究小组的研究项目。“目前基于超高真空环境的扫描隧道显微镜已经高度商品化，尤其是德国和日本公司的产品占据市场的统治地位。但是兼具高时空分辨的变温快速扫描隧道显微镜国内外尚未出现成熟商品化产品。”杨泽超瞄准了这个空白， 2016年在德国马普学会弗里茨-哈伯研究所开展博士后研究工作时，将精力和重心放在高时空分辨变温扫描隧道显微镜的研发与制造上。他说，要实现弯道超车、跨越发展，科学研究就要更具前瞻性。“光搭建这个显微镜设备就花了2年时间，如果算上前期研发设计，总共花了6年。我们每周工作70个小时以上，无论酷暑还是严寒，我们都坚守在实验室内，紧盯测试过程，饿了就几顿并作一顿，累了就趴在桌子上休息。”回忆起研发历程，作为团队核心成员的杨泽超非常感慨，“六年磨一剑，不仅要坐得住冷板凳，还要有不惧困难的勇气。下一步我们将继续优化仪器的软硬件设计，提高仪器操作的便捷性。”个人价值和国家需要相结合，是很有成就感的事2021年，在德国求学生活已过十年的杨泽超，做出了一个决定，结束自己的海外生涯，正式归国。他带着“高时空分辨变温扫描隧道显微镜的研发与制造”项目加入物理学院。“我们不仅针对性解决了传统扫描隧道显微镜在快速扫描时图像畸变和快速慢速扫描不易切换等硬件方面的问题，而且自主研发的扫描头和快速扫描控制系统，在保有原子分辨率的前提下可以达到120帧/秒的成像速率。可以系统地研究不同覆盖度下氧原子在 Ru(0001) 表面的扩散运动机制。仪器的工作温度范围也扩展到了（200-1000 K）。这套设备将成为研究纳米材料‘时间-结构-性质’构效关系的理想科研仪器，为表面物理和化学的研究提供更多的实验手段，在原位实时实空间研究表界面原子扩散、薄膜材料生长和化学反应等领域均具有重要意义。” 杨泽超自豪地介绍道，“作为杭师大的老师，我不仅想让这个项目在祖国落地，更想在我工作生活的杭州有所作为，能将个人价值和国家需要相结合，是很有成就感的事。”目前杨泽超已将他研发的高时空分辨变温扫描隧道显微镜放置在学校实验室内。“作为一名教师，除了基础的教学，我也想通过自己研发扫描隧道显微镜的经历引导学生了解前沿的技术动态和趋势，带给学生更多的启发。” 他动情地说，“物理学作为基础学科，对于国家的现代化建设和产业升级具有重要的推动作用，我愿为培养这样的基础学科人才而继续努力。”

项目编号：招案2022-1279（校内编号HW20220184）项目名称：华中科技大学智能超灵敏活细胞超分辨显微镜采购项目预算金额：450.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：450.0000000 万元（人民币）采购需求：采购1套智能超灵敏活细胞超分辨显微镜（详见招标文件第三部分 采购需求）合同履行期限：合同签订后4个月内完成设备到货并安装调试完成本项目( 不接受 )联合体投标。

2023年8月6日至12日，由清华大学蛋白质研究技术中心、生物医学测试中心、中国细胞生物学学会细胞器生物学分会联合主办的第四届活细胞与超高分辨成像高级研讨会在清华大学成功举办。众多领域专家学者、行业头部翘楚齐聚一堂，和来自全国各地的100余位青年学者一起见证了这场学术盛宴。研讨会邀请了北京大学席鹏教授、陈良怡教授、孙育杰教授，中科院生物物理所李栋研究员，中国科技大学唐爱辉教授，西湖大学章永登研究员、清华大学陈春来副教授等十数位在活细胞、超分辨、单分子成像等领域的知名专家进行报告，还邀请了尼康、徕卡、蔡司等公司就超分辨成像、一体化活细胞成像等仪器进行了专业介绍和体验展示。在本次研讨会上，力显智能科技联合创始人兼COO张猛博士就《单分子定位超高分辨率显微镜iSTORM在生物医学领域的应用》进行了相关报告分享。会议期间，力显智能科技研发的新品活细胞超高分辨率显微成像系统iSTORM VIVO在清华大学正式发布，更是为这场精彩盛宴增添了一抹亮色。现场，清华大学高级工程师王文娟老师与力显智能科技联合创始人兼COO张猛博士共同为活细胞超高分辨率显微成像系统iSTORM VIVO揭幕。揭幕仪式力显智能科技联合创始人兼COO张猛博士表示：非常感谢一路支持力显的各位朋友和老师，是大家的支持和帮助，促成了这次活细胞超分辨新品在清华大学的圆满发布，这是广大用户对力显超分辨的再一次肯定，也是力显智能科技自研国产超分辨之路的又一个重要里程碑。活细胞超高分辨率显微成像系统iSTORM VIVO作为目前国内唯一的商业化单分子超分辨显微系统，iSTORM成功实现了光学显微镜对衍射极限的突破，使得在20纳米的分辨率尺度上从事生物大分子的单分子定位与计数、亚细胞及大分子复合物结构解析、生物大分子生物动力学等的研究成为现实。在原先标准版iSTORM的基础上，经光机系统、染料、算法协同开发，iSTORM VIVO在活细胞超分辨成像领域获得极大技术提高，提升原始图像拍摄速度，搭配高密度快速荧光定位算法，可以在维生条件下进行快速活细胞超高成像，以高精密度的成像能力解析活细胞的各种生命生理过程，极大弥补了传统STORM技术在活细胞超分辨成像领域的短板，给生命科学、医学等领域带来重大突破。

项目编号：GZSW23156HG1030项目名称：华南理工大学智能超灵敏超分辨显微镜采购项目预算金额：416.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：416.0000000 万元（人民币）采购需求：序号标的名称数量（单位）简要技术需求或服务要求最高限价万元（人民币）1智能超灵敏超分辨显微镜1（套）具体详见采购需求4161.本项目只允许采购本国产品，具体详见采购需求。2.本项目不分包组。3.本项目采购标的所属行业为：工业合同履行期限：在合同签订后（90）天内完成供货、安装和调试并交付用户单位使用。本项目( 不接受 )联合体投标。对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名称：华南理工大学地址：广州市天河区五山路381号联系方式：文老师020-871129622.采购代理机构信息名称：广州顺为招标采购有限公司地址：广东省广州市越秀区环市中路205号恒生大厦B座自编B501-B505、B512-B525房联系方式：韦小姐020-83592216-8183.项目联系方式项目联系人：韦小姐电话：020-83592216-818

近日，哈工大仪器学院李浩宇教授团队在超分辨荧光显微成像技术领域取得突破性进展。针对目前超分辨荧光显微图像重建质量难以有效精确评估的问题，该团队提出了一种像素级的误差量化方法，利用滚动傅里叶环相关计算方法（rolling Fourier ring correlation，rFRC），评估超分辨尺度下的图像重建不确定度（基于超分辨成像在超高分辨能力的层面上对更微细结构进行成像测量的不确定度），在无需比对参考图像的条件下，通用地生成超分辨尺度下像素级的误差定量分布图。该项技术可准确描绘出生物分析并精确定位可靠性较低的区域，相比图像不确定分析领域内现有的方法，其判定尺度的精细程度最高可提升近10倍。12月14日，该研究成果以《滚动傅里叶环相关定量超分辨显微成像质量异质性分析和评定》（Quantitatively mapping local quality of super-resolution microscopy by rolling Fourier ring correlation）为题，以长文形式在线发表于《自然》（Nature）杂志旗下的国际权威光学期刊《光：科学与应用》（Light: Science & Applications，2022年影响因子20.3）。通过设置荧光探针或结合物理的受激辐射现象，超分辨荧光显微镜已经突破了分辨率的物理衍射极限（200～300纳米）。然而，超分辨显微镜对样本的超分辨信息提取能力，往往依赖于图像的计算重建与后续处理，而化学环境和光学设置等因素会在重构中对图像产生影响，造成噪声与失真，降低超分辨图像质量。因此，对超分辨图像进行精确可靠的质量评估，可有效量化误差和不确定性，从而进一步分析生命科学问题。尽管目前已有几种方法可对超分辨图像质量进行评估，但还无法在超分辨尺度上进行超精密且无参考的量化分析，且难以准确评价图像分辨率分布的异质性。为解决上述问题，李浩宇教授团队针对图像的像素级细小误差，采用滚动傅里叶环相关计算在超分辨尺度上进行量化和估计。与此同时，对于较大的结构失真等错误，引入改进的分辨率比例尺误差图（RSM），最终构成一套完善的超分辨尺度显微图像重建质量评估方案（Pixel-level ANalysis of Error Locations-PANEL，像素级图像误差定位分析）。利用该项技术可以精确比较不同单分子定位显微镜重建算法的性能，并进一步促进超分辨率尺度下不同重建图像的有效融合，最大限度降低了潜在误差。此外，该方法还能够与目前常用的多种模态光学超分辨显微成像技术结合，成为一种易于使用的图像局域质量评估分析工具。利用该方法可以有效评估单分子定位显微镜（STORM）分辨率异质性。这里展示的是单分子定位显微镜拍摄的微管数据集对提出的评估方法进行验证（如下图左），从图中给出的不确定量化评价和分辨率分布地图，证明该方法成功绘制出微管密集程度变化引起的分辨率异质性（如下图右）。rFRC评估单分子定位显微镜的超分辨率图像。左：于COS-7细胞中用Alexa Fluor647标记的α-微管蛋白的 STORM重建结果（四周）与其rFRC图（中央）；右：STORM 结果（亮绿色）和高斯平均 rFRC 图（shifted jet图）的合并视图，用于突出显示低质量区域。 超分辨荧光显微技术虽然突破了分辨率的衍射极限，使得科学问题可以进一步在更小尺度对微观世界直接探索和感知，但在看得清不清之外，看得准不准和看得真不真实依旧是生命科学研究探索中的重大阻碍。只有明确知道超分辨成像测量的不确定度，才能指导我们走向更高的成像分辨率与质量。因此，提出新的量化分析技术在超分辨的精细尺度，以像素级准确量化误差能力，揭示了图像空间信息的不确定性和分辨率分布的异质性，不仅告诉我们超分辨结果的准确度，基于超分辨图像的生物分析提供了重要支持，还可利用量化评估信息，对不同重建方法甚至不同模态的超分辨结果融合利用，最大限度降低误差，充分利用高频空间的超分辨信息，进一步提升图像的整体分辨率。除此之外，该方法原理的通用性使其可以广泛用作跨模态工具，评估其他基于定位和基于波动的显微镜的分辨率异质性，在生物显微成像技术领域有望成为广泛应用的生物数据分析评定方法，推动计算显微成像技术领域获得更大的进步和应用价值。该项研究成果主要由哈工大仪器学院、北京大学未来技术学院和南开大学物理学院合作完成。哈工大为论文第一通讯单位，哈工大助理教授赵唯淞为论文第一作者，哈工大李浩宇教授和北京大学陈良怡教授为论文通讯作者。北京大学助理教授黄小帅和南开大学博士后杨建宇为论文共同第一作者，共同通讯作者还有南开大学潘雷霆教授和北京大学赵士群副研究员。哈工大仪器科学与技术学科带头人谭久彬院士为论文共同作者和哈工大科研团队负责人。该项工作受到国家自然科学基金项目（优秀青年科学基金、国家重大科研仪器研制项目）和科技部重点研发计划（前沿生物技术）等项目资助。

近日，哈尔滨工业大学仪器学院现代显微仪器研究所在光学超分辨显微成像技术领域取得突破性进展。研究团队在低光毒性条件下，把结构光显微镜的分辨率从110纳米提高到60纳米，实现了长时程、超快速、活细胞超分辨成像。11月16日，研究成果以《稀疏解卷积增强活细胞超分辨荧光显微镜的分辨率》（Sparse deconvolution improves the resolution of live-cell super-resolution fluorescence microscopy）为题，以长文形式在线发表于国际权威杂志《自然－生物技术》（Nature Biotechnology）。显微仪器的分辨能力代表人类对科学探索的边界，2014年诺贝尔化学奖就授予了3位在超分辨率荧光显微技术领域取得重要成就的学者。哈工大现代显微仪器研究所团队提出了一种可突破光学衍射极限的计算显微成像算法，利用荧光成像的前向物理模型与压缩感知理论，并结合稀疏性与时空连续性的双约束条件，建立起一个通用的解算框架——稀疏解卷积技术，突破了现有光学超分辨显微系统的硬件限制，扩展了时空分辨率和频谱。在此基础上，研究团队研发了超快结构光超分辨荧光显微镜系统（Sparse-SIM），该系统具有超分辨、高通量、非侵入、低毒性等特点，在高速成像条件下，具备优于60纳米的分辨率和超过1小时的超长时间活细胞动态成像性能。团队首次观察到了胰岛分泌过程中具有的两种特征的融合孔道，第一次利用线性结构光显微镜观察到只有在非线性条件下才能分辨的环状的不同蛋白标记的核孔复合体与小窝蛋白。此外，研究人员还展示了利用该影像技术解析肌动蛋白动态网络、细胞深处溶酶体和脂滴的快速行为，并记录了双色线粒体内外膜之间的精细相对运动。该项工作在物理和化学方法基础上，首次从计算的角度提出了突破光学衍射极限的通用模型，实现了从0到1的原理创新，是目前活细胞光学显微成像中分辨率最高（60纳米）、速度最快（564帧/秒）、成像时间最长（1小时以上）的超分辨显微仪器。该技术框架也被证明适用于目前多数荧光显微镜成像系统模态，均可实现近两倍的稳定空间分辨率提升，为精准医疗和新药研发提供了新一代生物医学超分辨影像仪器，使未来大幅度加速疾病模型的高精度表征成为可能。该项研究成果主要由哈工大仪器学院和北京大学未来技术学院合作完成。哈工大为论文第一单位，哈工大博士生赵唯淞、北大博士后赵士群和李柳菊为论文共同第一作者，哈工大李浩宇副教授和北大陈良怡教授为论文共同通讯作者，哈工大刘俭教授和谭久彬院士均为论文共同作者和哈工大科研团队负责人。合作单位还包括中科院国家纳米中心、中科院生物物理所、武汉大学等。

在高端科学仪器领域，国产品牌鲜有能用“引领”二字来描述的。而在许多科学家和工程师的不懈努力之下，SIM超分辨显微镜成为例外。近五年，国内创新企业和传统光学企业纷纷推出超分辨显微镜，其中以结构光照明（SIM）技术路线最具代表性，这些国产SIM超分辨显微镜陆续进入大型科研平台并得到用户的充分认可。北京大学席鹏教授是推动这一领域快速发展的科学家之一，他的多项成果也已完成产业化并得到了市场的良好反馈，他的另外一个身份是艾锐科技首席科学家。 仪器信息网也特别采访了席鹏教授，听他述说其光学显微镜研发之路以及对当前高端光学显微镜技术和市场发展的看法。北京大学席鹏教授仪器信息网：您是如何走上光学显微镜研发这条道路的？为何选择超分辨显微成像技术为主要研究方向？席鹏：我的专业背景是光学工程，从本科到博士，我一直都在从事光学工程相关的研究，后来在博士后期间以及在工作以后，我分别跟从普渡大学、密西根州立大学和马普研究所三位导师，包括J. Paul Robinson 教授、 Marcos Dantus 教授，还有诺奖得主德国马普生物物理化学研究所Stefan Hell教授，他们既是学术大咖，也都有自己的产业化公司。我自己在做学术的时候，发现很多技术在迭代行成一篇好的文章后，往往随着学生的毕业就流失了。而我的实验室在开发了这些技术以后，有很多合作者找到我们，希望进一步产生应用上的合作，可是由于实验室有限的接待能力，使得我们不能够去服务于广大的用户。因此，在2020年，我们决定将其中一些技术，特别是超分辨技术进行产业化，并注册了北京艾锐精仪科技有限公司来承接这个任务。仪器信息网：请您介绍您团队的主要研究工作和成果。对比市场上其他同类技术，您所研究的技术及其转化的产品有何特点和优势？席鹏：我们从2016年开始了STORM偏振超分辨技术的研究，2019年发表了Polar-SIM技术的文章。基于我自己光学工程的背景，我们会从硬件的源头进行创新，比如偏振STORM技术，它的核心是利用旋转的偏振实现对于超分辨结构的解析以及偶极子的判定，我们进一步结合了菲斯特算法，实现了50个纳米的高时空分辨率的超分辨。后来我们又结合结构光在偏振上的特性实现了偏振结构光超分辨显微成像技术。总体来说，我们实验室擅长将光学的硬件和软件进行结合，使得我们的技术能够始终保持在一个非常强的技术驱动的前沿，从而满足用户的多方面的需求。仪器信息网：您所研发的技术产业化目前进展如何？席鹏：我们公司注册于2020年，感谢公司全体同仁的努力付出，经过三年技术的不断迭代，我们公司有了4款产品，其中2款是显微类产品，包括 Polar-SIM高保真偏振超分辨显微系统以及Nova-SD转盘共聚焦显微成像系统。同时我们还开发了一些周边产品，分别是活细胞显微镜工作站和成像分离器。随着我们对产品的不断开发和迭代，我发现自己在做教授的时更多是在进行原理性验证和实现性能的突破，最后去发表文章。而在做产品的道路上，则要从原料的可靠性、产品的可靠性、产品UI设计的用户友好度、产品外观是否美观、电磁兼容性等各个方面不断努力去进行产品标准化的设定。当做了这些过去作为教授没有做过的工作后，我发现我们可以更好的响应用户的需求，从而能够解决更多以前从来没有想过的问题。仪器信息网：您所研究的技术及产品主要应用领域有哪些？SIM超分辨显微技术的市场需求呈现怎样的特点和趋势？席鹏：我们公司现在有4款产品，其中Polar-SIM超分辨显微镜是更适合于活细胞和固定细胞的超高时空分辨率成像的技术，且由于SIM超分辨显微镜需要将结构光的条纹对样品进行调制，所以它也更适合薄样品成像；我们还开发了兼容后样品的转盘共聚焦成像系统；在做活细胞成像时，我们需要对活细胞进行长时程的培养，所以我们开发了基于显微镜的活细胞培养工作站；为了进一步结合多色成像，能够看到多种细胞器的相互作用，我们开发了成像分离器。从活细胞成像来看，由于SIM超分辨显微技术能够实现活细胞中细胞器的精准观察和相互作用的研究，因此它在基础生命医学、新药研发和疾病的相互作用等方面都可以得到相应的应用。仪器信息网：近几年市场上商业化SIM超分辨显微镜越来越多，您认为应该如何进行差异化竞争？席鹏：实际上这个领域并不是厂商越来越多，而是呈现此消彼长的状态。最早SIM超分辨显微由国际巨头GE、尼康、蔡司这三家作为主要引领的品牌。后来随着中国厂商和技术的崛起，艾锐科技、超视计、纳析光电等公司都推出了自己的SIM超分辨显微镜产品。在2021~2022年，GE公司决定退出全球SIM超分辨显微镜市场；2023年，尼康公司决定退出全球SIM超分辨显微镜市场。所以，整体来看，现在是中国公司在进行非常强的原创性技术的引领。讲到竞争，从用户的角度这不是坏事，只要竞争公平有序，那么适度的竞争能够在为用户提供多种多样的性能提升和服务提升方面带来一定的好处。从另外的一个方面，我们厂商也会致力于去开发更多适用于不同用户的具有差异化的产品，来满足用户多样性的需求。此外，在这样的竞争过程中，会让我们自己的产品性能和质量得以提升，从而进一步走出国门，实现对海外市场的覆盖。随着国内市场的崛起，大家可以看到国内竞争已经达到趋于饱和的状态，而海外市场则形成真空，只有蔡司一家品牌，而海外的市场又远远大于国内的市场容量。因此通过在国内的充分竞争后，我相信中国的高水平超分辨企业将会走出一条属于自己的出海之路，就像小米、华为、TCL这样品牌一样，形成高性能、高质量、“皮实”的仪器系统，使得海内外的用户都能够得到这样一个科技的普惠。仪器信息网：您如何评价目前国内高端光学显微镜自主研发和国产化现状，与国外技术相比处于什么水平？席鹏：虽然在结构光照明超分辨显微成像上我们做到了一定程度的突破，但在整体高端显微成像仪器上，我们是不可以掉以轻心的，因为国外的仪器厂家如蔡司、徕卡、尼康、奥林巴斯都有百年以上的悠久积累和沉淀，他们的品牌、所积累的技术优势以及一代代产品的迭代形成的专利和用户信赖度成为了牢靠的“护城河”。我们要想突破，一定要做好相应的准备，从源头做起，让我们的显微镜技术能够从下至上逐步去实现全球化，达到国际化的竞争水平。如果说在超分辨显微成像上我们已经走出了一条道路，我认为主要归功于我们在技术上的降维打击，即通过高校、科研院所在技术上的原创性迭代，实现了本领域的产品对国际大企业的技术优势的突破，完成了更优质、价格也更低的替代。将该模式进行推广时，一方面我们要通过国产替代来逐步提升民族显微镜的提升；另外一方面我们则应当融入国际化大潮中，与全球优秀供应商共同成长，共同合作，来实现自有品牌的国际化。仪器信息网：谈谈对国产生命科学仪器未来的展望。席鹏：这个问题我想引用一句话——“革命尚未成功，同志仍需努力”。国产生命科学仪器或科研仪器，虽然只占到国民生产总值不足4%的份额，但其影响力却可以触达60%以上的工业生产总值。所以科学仪器发展对中国来说任重而道远。当我们去数“985” 、“211”高校数量时会发现大概只有160多家的规模，也就是说，国内高质量高校总量并不多，国外其实有大量的高校科研院所和非常巨大的市场在呼唤着我们这些优质的国产仪器走出国门。在这里我也特别要感谢所有愿意尝试国产仪器创新和研制的老师们——你们成为“第一个吃螃蟹的人”这样的行动让国产仪器能够不断自我提升，走到海外，实现出海政策的重要推进。因此在我看来，对于未来科学仪器行业，国内市场的优势就是人口基数大，如果我们能像小米、TCL这些家电品牌，利用人口红利实现科学仪器的颠覆式创新的话，那么在国内市场就会有相当大的成长；放眼国际，则是一个高端海量的市场规模。因此，我们可以实行两步走的策略。仪器信息网：今年是仪器信息网成立25周年，请您谈谈对仪器信息网未来有哪些建议或者期待？首先非常感谢仪器信息网在这25年里对国产仪器的支持与陪伴，有一句话叫做“春江水暖鸭先知”，仪器信息网的编辑们一定能够通过这25年来的相知相伴，感受到国产仪器不断成长、不断崛起的力量。在这里特别祝贺仪器信息网25岁生日快乐，也期待未来仪器信息网和国产好仪器能够共同成长，不断进步。席鹏教授采访视频

style type=" text/css" .TRS_Editor P{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor DIV{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TD{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TH{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor SPAN{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor FONT{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor UL{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor LI{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor A{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt } /style p 　　在光学成像领域中，由于受到衍射极限的限制，常规成像分辨率难以突破200nm。生物医学、集成电路等领域对提高成像分辨率有迫切要求，如何实现更高成像分辨率成为近年来的热门研究方向之一。 /p p 　　受自然界微滴可提高成像分辨率的启发，2011年科学家提出将直径在微米级的介质微球直接放置于待测样品表面，在普通白光显微下即可达到50nm的分辨能力。介质微球超分辨显微方式以其简单灵活的特点，受到国内外广泛关注，但微球的成像对比度一直有待提高。 /p p 　　近日，中国科学院光电技术研究所研究团队发展出一种利用暗场显微有效提高成像高频成分含量的方法，具有降低成像低频成分的特点，结合微球超分辨能力，可实现更高对比度的微结构超分辨显微。该方法通过时域有限差分法模拟分析微球在不同浸没方式、浸没深度情况下的半高宽及光强值等得到更优化的超分辨能力，模拟结果如图1所示。在此基础上，通过二氧化硅和钛酸钡微球在不同浸没情况下观察特征尺寸为139nm的硅光栅结构，实验结果如图2所示。可以看出，在暗场显微时成像对比度明显得到增强。 /p p 　　研究工作得到国家自然科学基金和中科院科研装备研制项目的支持。 /p p style=" text-align:center " img alt=" " oldsrc=" W020171122565441349485.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201711/uepic/73b00051-a008-40d3-94d5-c45458140124.jpg" / /p p style=" text-align:center " 不同浸没深度的微球聚焦特性分析 /p p style=" text-align:center " img alt=" " oldsrc=" W020171122569039673281.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201711/uepic/f335b35f-486d-4a12-91b4-35f95acbb34a.jpg" uploadpic=" W020171122569039673281.png" / /p p style=" text-align: center " 不同照明方式的微球成像质量对比 /p