山西大学最新文章；新型超分辨率荧光成像
来自山西大学激光光谱研究所, 量子光学与光量子器件国家重点实验室的研究人员将荧光探针分子ALEXA647标记在仿生水凝胶的聚合物链上, 利用全内反射荧光显微镜进行荧光成像, 并采用超分辨率光学波动成像的方法(SOFI)对仿生水凝胶的荧光成像进行超分辨率成像分析。 通过SOFI成像及反卷积处理获得了高分辨率、高信噪比和高对比度的仿生水凝胶荧光成像。
细胞中的蛋白纤维网络结构是构成细胞的骨架, 主要包括微管、肌动蛋白丝及中间丝等。 细胞骨架能够维持细胞形态、承受外力和保持细胞内部结构的有序性。 细胞骨架同时也参与许多重要的生命活动。
仿生水凝胶已经被应用于药物的传输体系, 实现对药物释放速率的控制, 以及人体器官的移植等。 高弹性、高韧性的仿生水凝胶的开发将有望用于制作人造软骨等人体组织。 通常原子力显微镜(AFM)被用来研究仿生水凝胶的结构特性。 AFM成像虽然可以获得聚合物链的绑定数目, 但是其扫描速率较慢、成像范围较小且不能够实时追踪样品的动态转变过程, 而光学成像的方法可以弥补这些不足。 但是由于受到光学衍射极限的影响, 远场显微镜的分辨率只能达到约300 nm。 这样的分辨能力对于细胞、组织等微观生物样品的成像是远远不够的。
近年来人们根据具体的实际需要已经开发了几种能够突破光学衍射极限的超分辨率荧光成像方法, 如受激辐射损耗显微镜(STED)、基态损耗显微镜、结构照明显微镜(SIM)和成像干涉显微镜等。 另外基于随机光开关的技术发展了光活化定域显微镜(PALM)和随机光学重构显微镜(STORM)等。 但是这些超分辨率成像的方法各有一些不足之处, 如PALM和STORM可以实现纳米量级的分辨率, 但需要花费几十分钟甚至更长的成像采集时间； STED虽然可以快速成像, 但是在探针分子的选择、样品标记过程方面要求非常苛刻并且需要非常精密的光路准直； SIM可以达到11 Hz的成像率, 但是仅能实现2倍的横向分辨率。
在这篇文章中，研究人员利用超分辨率光学波动成像的方法(SOFI)首次对仿生水凝胶进行超分辨成像。
基于对荧光辐射体在时序上的荧光波动(荧光辐射的间歇现象)的分析,SOFI成像可以突破光学衍射极限。 相比于其他技术,SOFI成像具有明显的优势: 对成像背景噪声免疫可以进一步增强成像的对比度； 成像采集时间仅需要十几秒至几十秒； 不需要控制、同步光活化和复杂的电子系统设备。 SOFI成像需要满足3个条件, 即荧光辐射体的荧光辐射需要具有亮暗两个态(或具有荧光强度可区分的多个态)、不同的荧光辐射体之间的荧光发射相互独立和成像CCD像素尺寸小于光学衍射极限。 这里我们将利用SOFI成像的方法研究仿生水凝胶的结构、聚合物链之间的绑定方式和溶液环境下仿生水凝胶的特性。
通过对仿生水凝胶的荧光成像进行SOFI成像分析及反卷积处理，研究人员获得了高信噪比、高对比度和高分辨率的仿生水凝胶成像。 研究发现聚合物链形成仿生水凝胶时首先相互缠绕形成较粗的聚合物链, 然后再经过相互缠绕后依次先形成小孔然后形成大孔, 最终形成一个大小孔径相间的网状结构。 聚合物链的浓度控制着仿生水凝胶的孔径尺寸和孔隙的疏密分布, 而聚合物链的绑定数目不受聚合物链浓度的影响。 由于水凝胶在水中快速地运动使得不能够捕捉到溶液中的仿生水凝胶。
