近日，中科院西安光機(jī)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(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)提出了光鑷切片顯微術(shù)，實(shí)現(xiàn)了懸浮生物細(xì)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(guò)程中的離焦信號(hào)進(jìn)而提取焦信號(hào)，是解析細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)和厚組織深層形態(tài)的重要工具，其實(shí)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(jī)械式固定或粘附，難以適用于懸浮運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，限制了其在細(xì)胞原位觀測(cè)中的應(yīng)用。此外，人工固定方法存在干擾細(xì)胞正常生理機(jī)能的風(fēng)險(xiǎn)。

圖片:W020250704501939378258.png

光鑷切片顯微術(shù)基本原理

為解決懸浮細(xì)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(duì)懸浮細(xì)胞進(jìn)行固定和軸向掃描，在每個(gè)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(guò)OS-SIM算法重建細(xì)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(guò)瓣?duì)罟鈩?shì)阱實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的多自由度光學(xué)束縛，將其布朗運(yùn)動(dòng)限制在成像分辨率和結(jié)構(gòu)光條紋周期內(nèi)，這對(duì)結(jié)構(gòu)光照明顯微成像至關(guān)重要。二是，全息光鑷對(duì)細(xì)胞的軸向操控能力滿足樣品掃描需求，消除了對(duì)機(jī)械平移臺(tái)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(duì)細(xì)胞陣列的三維組裝和成像功能，有望為細(xì)胞動(dòng)力學(xué)及胞間通信研究提供三維視角。

上述研究實(shí)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(guò)光鑷的非接觸式操控能力，突破了懸浮細(xì)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(shí)，該成果有望促進(jìn)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(duì)各向同性分辨率、大視場(chǎng)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(jìn)展》（Science Advances）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx3900