干涉散射显微镜研究及多粒子追踪的空间相干性控制

背景介绍

干涉散射（iSCAT）显微镜因其在检测和成像孤立纳米粒子和分子方面的卓越表现，在无标签光学成像方法中已表现出无与伦比的性能。然而，当成像复杂结构如生物细胞时，由样品不同位置散射场的叠加会产生类似散斑的背景，从而对揭示精细特征带来显著挑战。研究论文中提出，通过控制照明的空间相干性，可以在不牺牲灵敏度的情况下消除虚假散斑背景。

研究来源

这项研究论文的主要作者包括Mahdi Mazaheri, Kiarash Kasaian, David Albrecht, Jan Renger, Tobias Utikal, Cornelia Holler和Vahid Sandoghdar。研究机构涉及Max Planck Institute for the Science of Light和Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg。该论文发表在2024年7月的期刊《Optica》上。

研究过程和方法

研究流程

研究通过在照明路径中放置一个旋转散光器、一个可调焦距的透镜和一个光圈，控制照明的空间相干性，实现了消除散斑背景的方法。实验证明了这种方法在25 kHz高帧率和100 μm × 100 μm 大视野下，维持衍射极限分辨率的成像能力。通过对一个COS-7细胞内1000多个囊泡进行三维（3D）追踪，并成像内质网（ER）网络的动力学展示，这种方法在结合无标签成像、灵敏检测和3D高速追踪方面具有显著优势。

具体步骤

1. 设置旋转散光器和可调透镜：通过在照明路径中放置一个旋转散光器与一个焦距可调的透镜，并通过光圈控制照明光束的数值孔径（INA），有效地随机化了照明光束的相位，从而抑制了IPSF环的生成，降低了散斑背景。
2. 高帧率成像：实验在25 kHz下对40纳米金纳米粒子（GNP）进行了成像，通过旋转散光器的应用，虽然散射信号中心的IPSF环不会被消除，但外围环结构会被显著削弱。
3. 样品选择：选择生物细胞的膜、细胞器，如内质网和线粒体进行测试，并对样品的动态行为进行记录和分析。
4. 数据分析：通过计算IPSF径向剖面及其随时间变化，追踪纳米颗粒的3D轨迹。

主要结果

数据生成与分析

实验使用旋转散光器、可调透镜和光圈操控，成功实现了照明光束的空间相干性控制，从而有效地抑制了成像过程中的散斑背景。对COS-7细胞内多个囊泡的3D追踪表明，使用优化的IPSF，可以在长时间和大视野下，以很高的时间分辨率记录有用的信息。

结论与意义

研究得出的一个结论是，通过控制光束的空间相干性，可以显著降低干涉散射显微镜中的散斑背景，同时提高成像速度。该方法展示了在高速无标签成像和纳米级3D追踪中的巨大潜力。

采用TS-ISCAT方法实现的无标签显微镜具有高分辨率和高灵敏度，并兼具3D动态跟踪的能力，对于生物科学中的细胞动力学研究等具有重要的应用意义。同时，该方法在解决光散射问题方面也展示出广泛的应用前景。

亮点

1. 操控空间相干性：提出的通过操控光束空间相干性来抑制散斑背景的方法，具有创新性。
2. 高帧率和大视野：在25 kHz帧率和100 μm × 100 μm视野下，维持了衍射极限的分辨率。
3. 广泛应用潜力：展示了该方法在无标签3D追踪和细胞动力学研究中的潜在应用价值。

其他补充信息

研究还解释了如何制作带有随机分布特征的标准样品来验证减噪效果，以及如何利用深度学习网络，如SegNet，增强图像的数字特异性识别细胞器。这些细节进一步提高了研究的全面性和准确性。

该研究通过巧妙的实验设计和严格的数据分析，展示了如何大幅度改善干涉散射显微镜在生物样本成像中的分辨率和灵敏度，开创了高速无标签成像的新方法和新方向。研究结果为未来在生物成像及纳米结构研究中的深入应用奠定了坚实基础。