科学家推出DIY结构照明显微镜

数百年来，光学显微镜是科学家研究细胞、细菌和酵母运动的唯一工具。但光的衍射使得我们无法以低于100nm的分辨率观察物体，因为所得图像太模糊而没有任何用处。

大约15年前，随着超分辨率显微镜的发展，这种被称为衍射势垒的物理极限终于被克服，使科学家能够深入观察活体标本的内部，研究细胞器的行为，并观察细胞如何与病毒、蛋白质相互作用。和药物分子。

其中一种新方法被称为结构照明显微镜(SIM)，受到研究人员的高度重视，因为它可以在低光子曝光的情况下产生高分辨率和高对比度的图像。

尽管出现了纳米分辨率电子显微镜，光学成像仍然在生命科学研究中发挥着关键作用：它在设备方面提供了更大的灵活性，使科学家能够观察正常发育条件下的活样本。然而，成本和可用性限制意味着SIM成像对许多人来说仍然遥不可及。

为了解决这个问题，EPFL工程学院(STI)生物工程跨院系研究所(IBI)生物和纳米仪器实验室(LBNI)的科学家们开发了一种方法，将标准光学显微镜转变为使用廉价的商用组件的高分辨率设备。

该团队以开放获取的形式发布了详细的操作指南、一系列视频教程以及《自然通讯》杂志上的一篇文章。

信用：openSIM

SIM通过重建高空间频率区域克服了衍射障碍，这些区域在通过传统光学显微镜观察时通常显得模糊。这种方法的分辨率提高了一倍，使科学家能够观察小至100nm的细节。

SIM的工作原理是将标准照明图案(例如网格)投影到样本上。然后通过算法处理以不同照明模式捕获的图像，以利用莫尔效应产生更高分辨率的重建。

2019年，博士学生梅兰妮·汉内贝尔(MélanieHannebelle)的研究需要一台具备这种功能的显微镜。就在那时，她萌生了为LBNI自己建造一台的想法。其他实验室已经制造了类似的设备，但它们复杂、笨重且难以复制。Hannebelle希望设计一种更紧凑的替代方案，非专家也可以构建和使用，并且不需要昂贵的维护和保养。

LBNI教授GeorgFantner表示：“我们采购了用于制造教室中视频投影仪的电子元件。”“我们对它们进行了修改和排列，这样它们就能够将光图案投射到样本上。”

使用openSIM时的光学切片效果图示。在宽视场图像上，图像中的离焦光很明显;在openSIM图像上，只有直接处于焦点的样本部分可见。样品：标记有E-钙粘蛋白的固定小鼠肠道类器官。图片来源：LBNI

经过生命科学研究人员的测试和批准

LBNI团队希望了解他们的新显微镜是否是可行且实用的替代方案。因此他们要求其他实验室进行测试。他们与AndrewOates教授、MatthiasLutolf教授、JohnMcKinney教授和AleksandraRadenovic教授组成的团队合作，在现实世界的研究样本上测试了该仪器。“我们的同事向我们提出问题，告诉我们他们的需求，并与我们分享他们的样品，”范特纳教授说。“我们渴望知道我们的仪器是否以及如何帮助他们的研究。”

反馈非常积极，该团队获得了EPFL开放科学资助，以便他们能够以开放硬件格式分享他们的仪器。事实证明，将该设备变成其他实验室可以复制的东西，并提供足够详细的说明，让同事们不会中途放弃，事实证明这是一个艰苦且耗时的过程。

EstherRaeth，另一位博士。实验室的学生整理了详细的说明、设备列表和视频教程，以便在线发布。“我们系统的唯一先决条件是高质量的光学显微镜——大多数实验室已经拥有了，”Fantner教授解释道。

OpenSIM无意与更复杂的仪器竞争。例如，该方法的调制对比度比商用同类方法低，这将分辨率增益限制为1.7倍，而理论值是2倍。但它达到了其预期目的：使SIM技术可供偶尔需要或根本无力在商业级型号上花费500,000瑞士法郎或更多的实验室使用。

LBNI团队正在努力将其工作成果带给更广泛的科学家群体，并建立一个用户社区来分享他们的经验。“自从这篇论文在BioRxiv.org上分享以来，有几个人联系了我，他们对这个想法感兴趣，并想了解更多关于如何构建自己的OpenSIM的信息，”Fantner教授说。