荧光显微技术的革命性进展
传统的荧光显微镜提供的样品定量信息很差，因为它只能捕捉荧光强度，荧光强度经常变化，并依赖于外部因素。现在，来自日本的科学家开发了一种新的荧光显微镜技术，可以测量荧光强度和寿命。他们的方法不需要对焦点进行机械扫描;相反，它同时从样品中的所有点生成图像，从而能够对动态生物和化学过程进行更定量的研究。
荧光显微镜广泛应用于生物化学和生命科学，因为它可以让科学家直接观察细胞和细胞内及周围的某些化合物。荧光分子吸收特定波长范围内的光，然后在较长的波长范围内重新发射。然而，传统的荧光显微镜技术的主要局限性是结果很难定量评价;荧光强度受到实验条件和荧光物质浓度的显著影响。现在，日本科学家的一项新研究将彻底改变荧光寿命显微镜领域。继续往下读，你就会明白怎么做了!
解决传统问题的一个方法是关注荧光寿命而不是强度。当荧光物质被短脉冲光照射时，产生的荧光不会立即消失，而是实际上会随着时间的推移以一种特定于该物质的方式“衰减”。“荧光寿命显微镜”技术利用这种独立于实验条件的现象来精确量化荧光分子及其环境的变化。然而，荧光衰减非常快，普通相机无法捕捉到它。虽然可以使用单点光电探测器，但必须在整个样品区域内进行扫描，才能从每个测量点重建完整的2D图像。这个过程涉及到机械部件的运动，这极大地限制了图像捕捉的速度。
幸运的是，在最近发表在《科学进展》上的这项研究中，上述科学家团队开发了一种新的方法来获取荧光寿命图像，而不需要机械扫描。日本德岛大学后led光子学研究所(pLED)的Takeshi Yasui教授领导了这项研究，他解释说:“我们的方法可以解释为在二维空间上同时映射44400个‘光秒表’来测量荧光寿命——所有这些都是在单次拍摄中进行的，而且没有扫描。”那么，这是如何实现的呢?
他们的方法的主要支柱之一是使用光学频率梳作为样品的激发光。光频率梳本质上是由许多离散光频率的和组成的光信号，它们之间具有恒定的间距。这里的“梳子”一词指的是信号与光学频率相对时的样子:从光学频率轴上升起的密集的等距离“尖刺”，类似于梳子。利用特殊的光学设备，将一对激励频率梳状信号分解为具有不同强度调制频率的单个光拍信号(双梳状光拍)，每个光拍携带一个调制频率，照射到目标样品上。这里的关键是每个光束在空间上不同的位置击中样品，在样品(像素)的二维表面上的每个点和双梳光学节拍的每个调制频率之间创建一对一的对应关系。
由于其荧光特性，样品重新发射部分捕获的辐射，同时仍然保持上述频率-位置对应关系。然后，样品发出的荧光简单地用透镜聚焦到高速单点光电探测器上。最后，测量信号在数学上转换到频域，并且每个“像素”的荧光寿命很容易从该调制频率的激发信号与测量信号之间存在的相对相位延迟计算出来。
由于其优越的速度和高空间分辨率，本研究开发的显微镜方法将更容易利用荧光寿命测量的优势。Yasui教授说:“因为我们的技术不需要扫描，所以每次拍摄都可以保证对整个样本进行同步测量，这将有助于生命科学，因为需要对活细胞进行动态观察。”除了对生物学过程提供更深入的了解外，这种新方法还可用于多个样本的同步成像，以进行抗原检测，这种方法已经用于COVID-19的诊断。
也许最重要的是，这项研究展示了光学频率梳是如何被用作“频率尺”的，它可以在显微镜技术中找到一席之地，从而推动生命科学的发展。它有望开发新的治疗方案，治疗疑难杂症，延长预期寿命，从而造福全人类。
参考
米津野，李志强，李志强，等。使用光谱映射和双梳光学节拍的频率复用的全场荧光寿命双梳显微镜。科学的进步。2021年,7 (1):eabd2102。doi:10.1126 / sciadv.abd2102
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