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《基于量子传感器的全新显微镜：实现超高分辨率光学成像》

  • 来源专题：光电信息技术
  • 编译者： 王靖娴
  • 发布时间：2025-02-27

  • 【内容概述】据光行天下2月27日报道，慕尼黑工业大学（TUM）的研究人员开创了一个全新的显微领域——核自旋显微镜技术。该团队成功通过显微镜实现了核磁共振磁信号的可视化，利用量子传感器将信号转化为光，从而实现了超高分辨率的光学成像。

    新型核磁共振显微镜的分辨率达到了百万分之十米量级，这一精度未来甚至能够揭示单个细胞的结构奥秘。该显微镜的核心部件是一块微型钻石芯片。这块经过原子级特殊处理的钻石，作为核磁共振磁场的超灵敏量子传感器，在激光照射下会产生携带核磁共振信号信息的荧光信号。通过高速相机记录这些信号，研究人员能够生成分辨率突破至微观层级的精细图像。核磁共振显微技术展现出令人瞩目的应用潜力：在癌症研究领域，科学家可对单个细胞进行精细观测，为肿瘤生长与扩散机制提供新见解；在药物研发中，该技术能助力分子层面的活性成分高效筛选与优化；材料科学领域同样受益，例如用于分析薄膜材料或催化剂的化学成分。

    目前研究团队已为这项创新技术申请专利，并计划进一步优化其速度与精度。长期来看，它有望成为医学诊断和科研领域的标准工具。

  • 原文来源：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MjIxNzI4Mg==&mid=2654047354&idx=1&sn=3d3fe23bba688e65e59a7b699545a94e&scene=0
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  • 《开源光学工具箱：用于制造高分辨率显微镜》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-12-03
    • 德国莱布尼兹光子技术研究所的研究人员开发了一种3D打印的开源光学工具箱，用于显微镜制造，仅需几百欧元。所制造的显微镜能提供高分辨率图像，与价格高达一千倍的商业显微镜不相上下。3D打印的开源模块化系统可以按照研究问题所需要的方式进行组合，其覆盖范围可以扩展到从培养箱中观察活的生物到教学用的工具箱等。这项工作的相关论文发表在《Nature Communications》上。 图注：该开源的3D打印立方体可以容纳自己设计的插件、电气和光学组件。由此产生的模块可以组合成复杂的光学仪器。这使智能手机可以在任何时候被改造成一个强大的显微镜，而且不受位置限制 用于生物成像的现代显微镜价格昂贵，位于专门的实验室中，并且需要专业人员操作。因此，研究新的创造性的方法来解决紧迫的科学问题，例如，在与诸如Covid-19等这样的传染性疾病斗争时，高精密生物成像显微镜主要由富裕国家设备齐全的研究机构的科学家使用。来自耶拿的莱布尼兹光子技术研究所（Leibniz IPHT），耶拿大学和耶拿大学医院的年轻研究团队希望改变这一现状。 UC2（You。See。Too。）系统的基本构建块是边缘长度为5厘米的简单3D可打印立方体，它可以容纳各种组件，例如镜头，LED或照相机。几个这样的立方体被插入到磁性光栅基板上。模块排列得当，因此可以构成功能强大的光学仪器。相邻镜片的焦平面重合的光学概念是大多数复杂光学装置（例如现代显微镜）的基础。借助UC2工具箱，研究团队展示展示了一种低成本，3D打印的开源模块化显微镜工具箱，并通过实现从概念到实验阶段的完整显微镜开发周期来展示其多功能性。 监控病原体-然后回收被污染的显微镜 研究工作者正在使用UC2工具箱研究病原体。UC2系统使我们能够以低成本生产高质量的显微镜，从而可以在培养箱中观察活细胞。因此，UC2开拓了传统显微镜不适合的生物医学研究应用领域。相比，产生同样分辨率图像的商业显微镜比我们的UC2装置花费数百或数千倍的成本，同时，研究工作人员无法将商业显微镜带入受污染的实验室，因为它们不易清洗。这里所提出的塑料制成的UC2显微镜在生物安全实验室中成功使用后，很容易燃烧或回收。在耶拿大学医院的一项研究中，UC2小组观察了演示了独立式封闭培养箱的明场显微镜，在细胞分辨率水平（如2μm）下，连续7天监测单核细胞到巨噬细胞的分化。此外，通过包括很少的附加组件，将几何图形转移到一个400欧元的荧光显微镜中，用于对表达绿色荧光蛋白（GFP）的转基因斑马鱼进行体积观察。 根据乐高积木的原理建造：从构思到原型 根据乐高（Lego）原理进行构建，不仅可以唤醒用户的内在游戏本能，而且也为研究人员设计一款精确针对其研究问题的仪器开辟了新的可能性。这里提出的方法可以快速组装合适的显微镜来对特定细胞成像。例如，如果需要红色波长作为激发光，则只需安装适当的激光器并更换滤光片。如果需要倒置显微镜，则可以相应地堆叠立方体。使用UC2系统，可以根据所需的分辨率、稳定性、持续时间或显微镜方法组合元素，并在“快速成型”过程中直接进行测试。 研究愿景：开放科学 研究人员在免费访问的在线存储库GitHub上发布了相应的实施计划和软件，以便全世界的开源社区都可以访问，重建，修改和扩展提出的系统。进而，根据用户的反馈，逐步改进系统并添加新的创造性解决方案。第一批用户已经开始针对自己和他们的目的进行系统扩展。 该项研究的目的是使开放科学成为可能。如果有详细具体的文档资料，研究人员可以在世界任何地方，甚至在装备精良的实验室之外，也可以复制并进一步开发实验。这将是一个重大的转变，在这种转变中，科学过程尽可能公开和透明，所有人均可自由访问，研究人员彼此共享知识，并将其纳入他们的工作中。 UC2实验箱将科学带入学校 为了使特别是年轻人对光学感兴趣，研究小组开发了一套先进的工具集，用于学校和大学的教育目的。UC2提出了一个工具包，让用户可以了解和尝试光学概念和显微镜方法。这些组件可以构成投影仪或望远镜，可以构建光谱仪或智能手机显微镜。从事该项工作的人员开发了实验和一系列现成的文档，UC2团队已经在耶拿及其周边地区、美国、英国和挪威的多个实验室中对其进行了测试。在耶拿，研究人员已经在几所学校中使用了UC2工具箱，例如，支持的学生建立荧光显微镜用来检测微塑料。 研究人员已将UC2与智能手机结合在一起，这使人们能够在没有任何主要光学知识的情况下经济高效地构建自己的荧光显微镜，并开发出一种相对简单的方法来检测化妆品中的塑料颗粒。 研究团队表明，他们希望使现代显微镜技术向广大公众开放，并建立一个开放和创造性的显微镜社区。这种自己动手的教学方法有着巨大的潜力，特别是在新冠大流行期间，家里的教学材料受到严重限制。
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  • 《前沿 | 新型高分辨率3D显微成像》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2022-03-23
    • 影像技术是现代医学和早期诊断的关键，可能改善患者的预后。而研究人员和从医工作者可以通过显微成像直接观察细胞，看见了曾经见不到的结构和过程。然而，当前技术存在一个“卡脖子”的限制，即高分辨率的显微成像仅限于在显微载玻片上的二维图像，而组织结构是立体的。数十年来，科学家们一直在寻找一种方法来突破局限，以获得细胞的3D显微成像。 图1 A. 新型高分辨率3D显微成像的超薄光学元件；B. 局部放大图 近日，加拿大女王大学电子和计算机工程系Majid Pahlevani助理教授，与哈佛大学合作，在目前最先进的显微镜基础上，共同开发了一种增强型显微镜技术，它在提高图像分辨率的同时，实现3D成像，研究成果发表在期刊《Nature Photonics》上。 微尺度成像的主要挑战之一是衍射极限问题（一般为200 nm，而对于生命科学来说，需要数十纳米的分辨率）——紧密聚焦的光束快速穿过介质（透镜），不可避免的散射阻碍了高分辨率成像。在该研究中，研究人员表明，以玻璃作为基底，由特定排列的纳米柱组成的超薄光学元件（如图1）可以突破“衍射极限”，从而解决分辨率问题。因此，该光学镜头结构可用于下一代显微成像设备。 “这种方法被称为双光源采集成像（Bijective Illumination Collection Imaging，以下简称BICI），与当下最先进的成像技术相比，它能够扩大高分辨成像面积12倍及以上。”能源电力电子技术和医疗保健应用领域的专家，女王大学能源和电力电子研究中心（ePOWER）Pahlevani博士说，“与传统成像技术的差别在于BICI利用纳米结构，使深入其中的光线根据特定光路照射目标，并且回收反射光线，基于此，光线沿着组织纵横的同时，并保持高分辨率。” 图2 新颖的双光源采集成像概念图 三维显微成像技术拓展了生物学和临床医学应用等领域，例如深入了解细胞间机制，为癌细胞检测以及在体内实时诊断提供了新思路。 新技术的另一个优点在于处理速度快。“一般的高强度计算技术成像速度慢，因此，不适用于活体成像，”Pahlevani博士解释道，“活体病人的器官不是静止的，它们会移动，使得成像出现伪影，这就对体内成像技术的速度有要求。”因为新技术通过提高光学性能来提高微观成像的分辨率，因此，它不需要额外的计算力。 此外，该《Nature Photonics》论文强调了癌症诊断是其主要应用之一：“在癌症等疾病的早期阶段，其病理变化过程往往非常微妙，极容易被忽视。在活体内，具有深度要求的高分辨率成像使癌症有可能被早期诊断和准确检测。”
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