導(dǎo)讀

結(jié)構(gòu)照明顯微鏡（SIM）具有成像速度快、侵入性小、分辨率超高、具有光學(xué)切片成像能力等優(yōu)點(diǎn)，在生物學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，使用空間光調(diào)制器（SLM）進(jìn)行條紋投影的傳統(tǒng)SIM通常具有有限的成像視野。

主要內(nèi)容

本文報(bào)告了一種大視場(chǎng)SIM技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了用于條紋圖案投影的2D光柵和用于選擇條紋方向和數(shù)字相移的SLM。該方法基于UPOLabs的HDSLM80R空間光調(diào)制器搭建的安裝圖如下圖所示。

大視場(chǎng)SIM的示意圖

該SIM技術(shù)打破了數(shù)字投影器件限制條紋數(shù)的瓶頸，同時(shí)保持了傳統(tǒng)SIM高速（數(shù)字）相移的優(yōu)勢(shì)，避免了SLM的像素化和色散效應(yīng)，該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、化學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域。

光學(xué)顯微鏡是許多領(lǐng)域不可或缺的成像工具。然而，光學(xué)顯微鏡的空間分辨率受衍射限制在λ/2，一般為200nm。在過去的三十年中，超分辨率（SR）顯微鏡方法，包括定位顯微鏡（PALM/STORM）、受激發(fā)射耗盡顯微鏡（STED）和結(jié)構(gòu)照明顯微鏡（SIM），以將空間分辨率提高到數(shù)十或幾納米。在SR技術(shù)中，SIM因其高速和最小的侵入性而脫穎而出，因此最適合對(duì)活體樣本進(jìn)行成像。SIM通過記錄用周期性圖案照亮樣品而產(chǎn)生的摩爾紋圖案來(lái)提供SR圖像，從而將通常無(wú)法檢測(cè)到的樣品高頻降頻到系統(tǒng)帶寬中。

使用 SLM 和針孔的 SI 條紋方向選擇濾波。在將二元光柵加載到SLM之前和（b）之后對(duì)±1st光譜（a）進(jìn)行針孔濾波。將二進(jìn)制光柵加載到 SLM 之前和之后的光譜 （c）。分別在將二元光柵加載到SLM之前和（f）之后產(chǎn)生的照明模式（e）。

如今，SIM通常使用數(shù)字微鏡器件（DMD）或空間光調(diào)制器（SLM）來(lái)生成和切換不同方向的結(jié)構(gòu)化照明模式并執(zhí)行相移。使用這種投影設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)每秒數(shù)十幀（FPS） 的高幀率。二維光柵的投影產(chǎn)生1760條條紋（是傳統(tǒng)SIM的3倍），避免了SLM/DMD的像素化和色散效應(yīng)。此外，SLM用于選擇SI條紋方向并執(zhí)行相移，從而顯著提高了成像速度。該論文通過對(duì)熒光珠和百合柱頭進(jìn)行成像，實(shí)驗(yàn)證明了所提出的大視野SIM的特征。

圖 4.在直徑為 240 nm 的熒光珠上進(jìn)行寬視場(chǎng)和 SIM 成像。（a）熒光珠的寬視場(chǎng)（左）和SIM圖像（右）。放大了不同位置的五個(gè)感興趣區(qū)域（ROIs），以便更好地比較寬視場(chǎng)和 SIM成像模式 [在面板（b）和（c）的頂部]。（b）沿穿過兩個(gè)相鄰珠子的線的強(qiáng)度分布，如（2）[見圖4（b）]。（c）空間分辨率統(tǒng)計(jì)。

本研究提出了一種大視場(chǎng)SIM設(shè)備，該設(shè)備使用二維光柵和SLM來(lái)獲取大視場(chǎng)、超分辨率成像。首先，由于光柵投影的視場(chǎng)大，其吞吐量是傳統(tǒng)SIM卡的三倍。其次，所提出的配備振幅光柵的配置與多色SIM成像兼容，避免了DMD的像素化和色散效應(yīng)。與現(xiàn)有的光柵投影SIM卡相比，該方法使用SLM進(jìn)行條紋方向旋轉(zhuǎn)和相移。因此，它具有卓越的成像速度。所提方法的當(dāng)前幀速率受CMOS相機(jī)的限制，其幀速率為23FPS。在目前的實(shí)現(xiàn)中，結(jié)構(gòu)化圖案的方向被限制在兩個(gè)正交方向上，從而影響了空間分辨率和成像速度。在所提出的方案中，可以使用可能產(chǎn)生更多衍射方向的達(dá)曼光柵在三個(gè)或更多方向上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)照明，從而實(shí)現(xiàn)更各向同性的分辨率增強(qiáng)。然而，所提出的方法也存在缺點(diǎn)：首先，當(dāng)兩個(gè)條紋方向之一下降時(shí)，照明強(qiáng)度會(huì)損失50%;其次，由于涉及物理光柵和SLM，該方法具有相對(duì)復(fù)雜的配置。

審核編輯：湯梓紅