抗击新冠，这台光场显微镜您值得拥有--机器视觉网

电子显微镜探测新冠结构

新春伊始，新型冠状病毒感染肺炎疫情的发展牵动亿万人心。今天我们就来聊一聊显微成像技术在这次全民抗疫中的典型应用。

通常，病毒的形状和大小各异，大多数直径在10-300nm。一些丝状病毒的长度可达1400nm，但其宽度却只有约80nm。而此次新型冠状病毒的直径大小基本在60-140nm。电子显微镜是观测病毒颗粒微观形态结构的首选。原因在于：高速电子的波长比可见光波长（300～700nm）短，其超高分辨率可达0.2nm左右，远高于光学显微镜的分辨率（200nm）。但是，电子显微镜有其长，也又其短：通常需要严格的真空环境观测，电子轰击对生物样本损伤极大，样品也缺乏有效的标记（比如光镜中常用的GFP等），因此无法对活细胞进行实时动态彩色成像观察，这时，光学显微镜就可以大展身手。

Vero E6与光学显微镜抗疫显身手

Vero E6细胞是新型冠状病毒（2019-nCoV）的敏感细胞株，新型冠状病毒的发现、分离、培养、药物筛选和病理学研究都少不了它，特别是可以在荧光显微镜下检验药物是否能保护Vero E6细胞、抵抗病毒感染来进行药物初筛。

比如，钟南山院士团队应用Vero E6细胞，成功分离出2019-nCoV毒株，获取到了间接免疫荧光鉴定图像。这为抗新冠疫苗的研发与筛选提供了条件。

▲间接免疫荧光鉴定（左：nCoV-2019-28，右：细胞对照）

又如，瑞士伯尔尼大学Jorerg Jores和Volker Thiel团队在生物预印本网站BioRxiv上发表文章称：通过将新冠病毒核酸RNA序列构建出反义的DNA序列片段，并引入GFP（绿色荧光蛋白序列），利用酿酒酵母中的同源重组系统，使得反义DNA在酵母菌中重组成完整的基因序列。之后，在体外，用T7 RNA聚合酶将反义DNA转录成为有感染性的病毒RNA，并通过电穿孔将RNA导入后体外细胞后，发现正常VeroE6细胞能够被感染并发出荧光，从而证明了仅凭新冠基因片段即可复活完整病毒，找到了新冠病毒合成改造的快速途径，大大减少了病毒变异为研究带来的困难。

光场显微镜SLiM1000

随着科学的发展，人们探索更多“微小”世界的需求也在不断增加，不仅是在观察病毒侵染细胞的过程，还有在大范围内观察多细胞组织中的亚细胞结构与功能变化也更有助于人们探索生理过程的基本现象与机理。

在最开始人类探索细胞的过程中，使用的是普通光学显微镜，电镜显微镜等，后来科技不断发展，开始使用荧光显微镜、超分辨显微镜，这些显微镜也可以帮助人们看到、看清微观世界，也可以看到三维图像，但因其在采集图像时速度不够快，在采集图像过程中延迟较长，因此获得的三维信息也有较大偏差。

为了更清晰地大范围地观测到这些亚细胞结构的动力学过程，比如细胞器间的相互作用，胚胎发育过程和神经响应等等，必须需要能够高速获取大范围的三维荧光信号，而光场荧光显微镜被誉为最快速的三维显微成像手段，SLiM1000则是具有国际先进技术的扫描光场显微成像系统。

SLiM1000主要针对德国物理学家海森堡的不确定性原理（无法同时测量一个粒子的位置和它的角动量），提出了一种计算显微成像方法；传统三维荧光显微镜采集到的信号对样品的光学像差或散射特性都十分敏感，使得他们在活体中的分辨率与信噪比都有明显的下降；特别是当前荧光显微技术即使使用复杂的结构光照以及自适应光学系统，但在活体多细胞环境下的时空分辨率仍然十分有限。SLiM1000通过独有的非相干合成孔径、自适应像差校正、四维时空联合优化以及自适应相空间解卷积算法，实现了国际领先的卓越性能。

在超大体积多细胞的复杂环境中，突破性获得了毫秒级的近衍射极限分辨率的三维荧光显微成像，通过单相机就能每秒获取超过50亿的体素信息。该指标相比于国际顶级刊物上发表的最先进显微技术，将活体多细胞环境下三维荧光成像的时空分辨率进一步提升了两个数量级，相比于市面传统高端商业显微镜更是提升了四个数量级。

SLiM1000的特点是三维成像速度快，能够在活体复杂环境下保持衍射极限分辨率，并能实现毫秒级百亿体素的三维体成像。除此之外，SLiM1000还具有高速分块自适应像差校正的功能，能够在活体复杂成像环境中克服像差与散射的影响，特别适合活体中细胞和亚细胞结构的三维动态观测。将现有显微技术的时空分辨率提升了数个数量级，是细胞生物学，神经科学，肿瘤科学等研究的利器。