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未来技术学院席鹏实验室证明多光子MINFLUX技术可以进一步提升分辨率和多色成像应用潜力
2024/04/24
光学显微镜的分辨率受到衍射极限的限制,只能达到~200 nm的分辨率。在最近20年中,STED、SIM、PALM/STORM、DNA-PAINT等一系列技术,通过点扩展函数(point spread function, PSF)的调制,突破了光学衍射的限制,使光学分辨率最低达到20nm,得到广泛的生物应用并获得2014年的诺贝尔化学奖。
2017年,诺贝尔奖得主Stefan Hell(STED技术的发明人)发展了MINFLUX技术(MINimal photon FLUXes,最低光子数显微成像),并将其称为“后诺贝尔奖时代的显微技术”。MINFLUX进一步提升了光学分辨率,可以获得~1 nm的定位精度和~5 nm的空间分辨率。MINFLUX作为单分子定位技术,结合了STED与STORM两种技术的特点。与STED的淬灭光使用甜甜圈(donut)形状的中空光斑不同的是,MINFLUX使用donut光斑作为激发光;类似GPS定位的原理,MINFLUX使用甜甜圈光斑对荧光分子进行多次激发,进而可以通过统计学方法,估计出荧光分子的位置。
1 nm的定位精度已经与单个分子的大小十分接近。但定位精度不等于光学分辨率,分辨率并没有达到~1 nm的尺度,仍有提升的空间。是否有新的方法,可以进一步提升光学显微镜的分辨率呢?
北京大学的席鹏教授实验室从理论上证明了,将双光子激发(two-photon excitation, TPE)用于MINFLUX技术中,可以再将定位精度和分辨率提高2倍,获得小于1 nm 的定位精度。该结论以“Two-photon MINFLUX with doubled localization precision”为题,发表于最新一期的eLight期刊。文章结果显示,双光子MINFLUX(Two-photon MINFLUX, 2p-MINFLUX)不仅可以提升2倍的定位精度,同时可以具有更为直接的多色成像潜力。
该工作得到了超分辨权威专家FernandoStefani教授课题组的点评,以“Multiphoton single-molecule localization by sequential excitation with light minima”为题发表于Light: Science & Applications。点评指出,该工作为多光子效应引入MINFLUX技术以及为今后MINFLUX应用于深层生物成像和实现更高定位精度提供了前瞻性理论基础。
MINFLUX的技术原理关键在于,donut光斑零点附近的梯度,远高于高斯光(Gaussian beam)顶点附近的梯度。MINFLUX使用donut零点附近进行定位,即可降低定位所需光子数量、提高定位精度。文章指出,由于双光子激发的非线性效应,荧光强度正比于激发光强度的平方,于是donut零点附近的梯度将被进一步提高(图1)。对比2p-MINFLUX和传统MINFLUX,在采集到同样荧光光子数的条件下,2p-MINFLUX理论上可以获得2倍的定位精度提升;若为获得同样定位精度,2p-MINFLUX只需要1/4的光子数即可实现。
图1直观对比和展示了2p-MINFLUX和现有1p-MINFLUX成像过程和结果。一方面,在2p-MINFLUX和1p-MINFLUX采集到同样荧光光子数的条件下,1p-MINFLUX无法分辨的结构,可由2p-MINFLUX分辨(图1b、c)。另一方面,在2p-MINFLUX和1p-MINFLUX达到同样定位精度时,2p-MINFLUX只需要1p-MINFLUX的1/4的光子数(图1c、d)。
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