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基于同步辐射光源的显微影像技术在生物学中的应用

2020.7.27

生命科学是一个复杂而庞大的学科系统，包含了众多的分支学科，同时更出现了跨学科间的交叉、渗透和综合。其它学科的发展，尤其是相关方法学的突破，往往能够极大地带动生命科学向前进步。

观察是研究生命现象最基本的方法，可以是针对大尺度的生物个体或群体行为来进行，但目前更多的是对生命的细小部分借助仪器（如显微镜）来完成。人们对生命现象的认识大量获自于观察，例如物种的生态分布和地域、季节的迁移，胚胎的发育过程，细胞分裂时的染色体行为变化、细胞的超微结构等。在现代生物研究领域，尤其是细胞生物学和分子生物学领域，在细胞和亚细胞层面的观察成为人们关注的中心。由于生命的基本单位——细胞，以及各种生物大分子的尺寸都属于微观世界，因此生物显微技术在生物学研究中具有重要的地位，使我们能深入洞察建立在无生命的分子基础上的生命世界。经过300多年不断的发展，显微成像技术现在已经建立起较成熟的方法，可以对生命的活体过程进行观察（如胚胎发育过程），也可以将活体杀死固定并用特定方法（如染色、同位素标记）显示生命的瞬间结构和理化状态。然而传统的光学显微镜由于受光源本身物理特性及显微分辨原理的限制，其分辨本领已不可能再有更大的提高，目前分辨率最高的4pi显微镜，也只能达到100nm左右。电子显微镜虽然具有极高的分辨率，但样品制备过程非常繁琐，而且需在真空下工作，使其应用受到了极大的限制。因此，发展更高分辨率，更简便的显微技术具有深远的意义。

同步辐射装置能够提供从X射线到远红外波段的高亮度光束，是表征微米、纳米尺度物质特性的强有力的工具，具有非常广泛的用途。自上世纪80年代末开始，同步辐射光源步入第三代。迄今为止，国际上已先后建成了十多台高亮度的第三代同步辐射光源。利用同步辐射装置的高亮度、短波长的同步辐射光在空间分辨上的优势，将可以进行许多前沿学科的探索。其中，基于同步辐射的显微影像技术已有了突出的进展，具有极高的空间分辨本领：在硬X射线波段，日本Spring-8光源上实现了30nm空间分辨率的X射线成像；在软X射线波段，美国的劳伦斯伯克利国家实验室的AdvancedLight Source (简称ALS)同步辐射光源也达到了15nm的空间分辨率。基于同步辐射显微影像技术不仅具有高空间分辨本领和高探测灵敏度(ppb级)，而且实验方法非常丰富，除了传统的软X光显微镜之外，还发展了许多基于X光的显微技术，如透射X光显微镜（TransmissionX-ray Microscope, TXM）、扫描透射X光显微镜（ScanningTransmission X-ray microscope,STXM）、X光电子发射显微镜（X-ray Photo-Electron Emissionmicroscope,XPEEM）以及X光全息等等。这些显微技术可以同时获得物质的元素组分信息、化学结构信息、晶体结构信息、电子学和磁学信息以及图像信息，既可分析物质表面信息，也可分析物质的内部信息甚至得到三维的图像。将这些影像技术应用到生物学领域，必将极大地促进生物学的学科发展。

上海同步辐射光源是正在建造的第三代同步辐射光源之一。利用上海同步辐射装置的高亮度、能量可选的同步辐射光，将大大提高对生命体内结构与形态的观察精度。通过同步辐射X光显微成像和断层扫描成像技术，能够直接获取活细胞结构图像。基于上海同步辐射装置强度高、能量可选的X射线，发展起来的“双色减影心血管造影”新技术，可以为心血管病的早期诊断提供安全、快速、高清晰的诊断方法。利用第三代同步辐射X光源射线横向相干性好的特性，发展了X射线相位反衬成像技术，能够清晰地拍摄出吸收反衬很弱的软组织如血管、神经等的照片，有望发展出不需要造影剂的“心血管造影术”。

在现代生物研究领域，尤其是细胞生物学和分子生物学领域，在细胞和亚细胞层面的观察成为人们关注的中心。由于生命的基本单位--细胞，以及各种生物大分子的尺寸都属于微观世界，因此生物显微技术在生物学研究中具有重要的地位，使我们能深入洞察建立在无生命的分子基础上的生命世界。目前，同步辐射装置在生命科学领域的应用主要还集中在蛋白质结构解析方面。但事实上，基于同步辐射光源的显微观测技术非常适合用于生物样品的观察，有很宽广的应用前景。在对细胞的观测方面，基于同步辐射技术的软X光显微镜能够达到很高的分辨率（几十或几个纳米）。样品也不需做复杂的前期处理，能够更加真实地展现生物体自然的形貌。这样就能够获得大量的样品，可以得到对一个连续的生物过程的描述。该技术能够用来研究在细胞、亚细胞层面的蛋白功能定位、各种元素分析、各种特化结构的辨识以及各种特定官能团分布的检测等。在上海光源首批线站中，就建设有可用于生命科学领域研究的的软X射线显微线站和硬X射线显微线站。这两条线站的建立，可望使我国在这一领域中的应用研究得到迅速发展。

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周锦帆