3d结构光生物识别技术（新荧光显微技术如何造福人类）

科学家开发了一种基于频率梳的荧光寿命显微镜技术。该技术可用于观察动态生物现象。

荧光显微镜广泛应用于生物化学和生命科学领域，它使得科学家能够直接观察细胞内部和细胞周围的部分化合物。荧光分子吸收特定波长范围内的光，然后在较广波长范围内将其重新发射。不过，传统荧光显微技术也存在明显的局限性，例如：结果难以量化评价，荧光强度受实验条件和荧光物质浓度的影响比较显著等。

eurekalert.org网站当地时间1月1日报道，日本德岛大学的科学家在荧光显微镜技术上取得了重大突破——他们以荧光寿命为关注点，开发了基于频率梳的新型荧光显微技术。相关研究成果刊登在《科学进展》杂志中。

当短脉冲光照向荧光物质时，产生的荧光不会立即消失，而是随着时间的推移而“衰减”，这是荧光物质的显著特征。荧光寿命显微镜技术利用这一现象，以独立于实验条件的方式来准确量化荧光分子及环境变化。然而，荧光衰减非常快，普通相机无法进行捕捉。而单点光电探测器虽然可以检测快速荧光衰减，但它必须在整个样本区域内进行扫描，才能从每个测量点重建完整的二维图像。这个过程涉及到机械部件的运动，严重限制了图像捕捉速度。

幸运的是，这次开发的新技术摈弃了机械扫描，可以轻松获取荧光衰减的图像。

项目负责人、德岛大学高分子发光器件（pLED）光电子研究所教授Takeshi Yasui解释：“简而言之，我们在同一二维空间布置了44400个‘光秒表’来测量荧光寿命——所有工作都在一次拍摄中完成，不需要扫描。”

新型荧光显微技术的关键在于以光学频率梳作为样品的激发光。光学频率梳本质上是光信号，它包含了许多离散的光学频率，并且间隔恒定。

借助专用光学设备，研究人员将一对激发频率梳信号分解为具有不同强度调制频率的单个光学拍信号（双梳光学拍），每个光学拍携带单个调制频率，然后辐照到样品上。每束光都会在不同的空间位置击中样本，在其二维表面（像素）的每个点和双梳光学拍频的每个调制频率之间形成一一对应关系。

由于样品的荧光特性，它会重新发射部分捕获的辐射，同时继续保持上述频率-位置对应关系。

随后，样品发出的荧光聚焦于高速单点光电探测器上。

最后，研究人员可以用数学方法将测量信号转换为频域信号。而根据调制频率处的激发信号与测量信号之间的相对相位延迟，研究人员很容易计算出每个“像素”处的荧光寿命。

基于优越速度和高空间分辨率，新型荧光显微技术表现出了明显优势。Yasui教授说：“我们的技术不需要扫描，每次拍摄都能同时测量整个样本。这将满足生命科学中的活细胞动态观察需求。”

除了可作为深入分析生物过程的工具外，新技术还可以用于抗原测试中多个样本的同时成像——其有效性已经在COVID-19辅助诊断中得到证实。更为重要的是，这项研究展示了光学频率梳广阔的应用前景。

以光学频率梳为基础，研究人员有望开发出顽固性疾病新疗法，延长平均寿命，从而造福全人类。

编译：德克斯特 审稿：西莫 责编：陈之涵

期刊来源：《科学进展》

期刊编号：2375-2548

原文链接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-01/iopp-coa122820.php

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