科學家開發了一種基於頻率梳的螢光壽命顯微鏡技術。該技術可用於觀察動態生物現象。
螢光顯微鏡廣泛應用於生物化學和生命科學領域，它使得科學家能夠直接觀察細胞內部和細胞周圍的部分化合物。螢光分子吸收特定波長範圍內的光，然後在較廣波長範圍內將其重新發射。不過，傳統螢光顯微技術也存在明顯的局限性，例如：結果難以量化評價，螢光強度受實驗條件和螢光物質濃度的影響比較顯著等。
eurekalert.org網站當地時間1月1日報導，日本德島大學的科學家在螢光顯微鏡技術上取得了重大突破——他們以螢光壽命為關注點，開發了基於頻率梳的新型螢光顯微技術。相關研究成果刊登在《科學進展》雜誌中。
當短脈衝光照向螢光物質時，產生的螢光不會立即消失，而是隨著時間的推移而「衰減」，這是螢光物質的顯著特徵。螢光壽命顯微鏡技術利用這一現象，以獨立於實驗條件的方式來準確量化螢光分子及環境變化。然而，螢光衰減非常快，普通相機無法進行捕捉。而單點光電探測器雖然可以檢測快速螢光衰減，但它必須在整個樣本區域內進行掃描，才能從每個測量點重建完整的二維圖像。這個過程涉及到機械部件的運動，嚴重限制了圖像捕捉速度。
幸運的是，這次開發的新技術擯棄了機械掃描，可以輕鬆獲取螢光衰減的圖像。
項目負責人、德島大學高分子發光器件（pLED）光電子研究所教授Takeshi Yasui解釋：「簡而言之，我們在同一二維空間布置了44400個『光秒表』來測量螢光壽命——所有工作都在一次拍攝中完成，不需要掃描。」
新型螢光顯微技術的關鍵在於以光學頻率梳作為樣品的激發光。光學頻率梳本質上是光信號，它包含了許多離散的光學頻率，並且間隔恆定。
藉助專用光學設備，研究人員將一對激發頻率梳信號分解為具有不同強度調製頻率的單個光學拍信號（雙梳光學拍），每個光學拍攜帶單個調製頻率，然後輻照到樣品上。每束光都會在不同的空間位置擊中樣本，在其二維表面（像素）的每個點和雙梳光學拍頻的每個調製頻率之間形成一一對應關係。
由於樣品的螢光特性，它會重新發射部分捕獲的輻射，同時繼續保持上述頻率-位置對應關係。
隨後，樣品發出的螢光聚焦於高速單點光電探測器上。
最後，研究人員可以用數學方法將測量信號轉換為頻域信號。而根據調製頻率處的激發信號與測量信號之間的相對相位延遲，研究人員很容易計算出每個「像素」處的螢光壽命。
基於優越速度和高空間解析度，新型螢光顯微技術表現出了明顯優勢。Yasui教授說：「我們的技術不需要掃描，每次拍攝都能同時測量整個樣本。這將滿足生命科學中的活細胞動態觀察需求。」
除了可作為深入分析生物過程的工具外，新技術還可以用於抗原測試中多個樣本的同時成像——其有效性已經在COVID-19輔助診斷中得到證實。更為重要的是，這項研究展示了光學頻率梳廣闊的應用前景。
以光學頻率梳為基礎，研究人員有望開發出頑固性疾病新療法，延長平均壽命，從而造福全人類。
科界原創
編譯：德克斯特
審稿：西莫
責編：陳之涵
期刊來源：《科學進展》
期刊編號：2375-2548
原文連結：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-01/iopp-coa122820.php
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