摘要：在细胞生物学领域，光学显微镜因其非侵入性成为研究生命微观世界的核心工具。然而，传统光学显微镜受限于阿贝衍射极限（约200 nm），难以捕捉亚细胞器的精细动态。超分辨显微技术的出现打破了这一桎梏，其中结构光照明显微技术（SIM）凭借高时空分辨率与低光毒性优势，成

在细胞生物学领域，光学显微镜因其非侵入性成为研究生命微观世界的核心工具。然而，传统光学显微镜受限于阿贝衍射极限（约200 nm），难以捕捉亚细胞器的精细动态。超分辨显微技术的出现打破了这一桎梏，其中结构光照明显微技术（SIM）凭借高时空分辨率与低光毒性优势，成为活细胞成像的重要选择。

北京大学陈良怡团队在《Nater Photonics》发表的3D-MP-SIM技术，通过多平面同步检测与协同重建算法的双重创新，将三维超分辨成像速度提升8倍（达11卷/秒），轴向分辨率突破至300 nm，为活细胞动态研究开辟了新纪元。这项技术如何突破物理极限？又将如何改写生命科学研究范式？

三维SIM依赖三束激光干涉产生结构化照明图案，通过计算解析莫尔条纹实现分辨率倍增。然而，其成像流程存在两大瓶颈。首先，单次三维成像需采集5种横向相位、3种方向和16层轴向平面的数据，耗时长达数秒，无法捕捉毫秒级动态过程。其次，活细胞器的快速运动（如晚期内吞体移动速度达0.5 μm/s）导致层间图像错位，重建图像出现拉伸变形。这种时间分辨率与运动伪影的双重限制，使得传统SIM在活细胞研究中举步维艰。

为突破速度限制，学界曾尝试通过图像分割棱镜或多焦点衍射光栅实现多平面同步成像。但这些技术仅提升横向分辨率，轴向分辨率仍停滞在500 nm水平。其核心障碍在于：轴向高频频谱信号无法从原始物理模型中分离，重建流程仍依赖传统逐层处理。这种技术局限使得研究者无法在三维空间中精确追踪细胞器的快速相互作用，例如线粒体网络重构或内质网-高尔基体物质运输。

3D-MP-SIM的核心突破在于将三光束干涉、多平面检测与物理模型驱动的重建算法深度融合。光学系统采用定制图像分割棱镜（ISP），将荧光信号分割至两个相机的八个区域，单次曝光即可捕获1.55 μm轴向范围内的八层信息。轴向相位延迟模块由直角棱镜与压电平台控制的屋顶棱镜组成，通过55 μm机械位移精准引入π/2轴向相位差，为频谱分离奠定基础。偏振优化技术则通过高速液晶可变延迟器与1/4波片组合，将入射光调整为s偏振，使照明图案对比度提升至90%以上。

传统SIM重建依赖五分量（0阶、±1阶、±2阶）分离，而3D-MP-SIM需进一步拆分±1阶频谱的上下部分。研究团队创新性提出两步分离策略：首先利用横向相位平移分离五分量，再通过轴向相位平移细分±1阶。该算法通过零填充技术消除边缘卷褶伪影，并以维纳滤波融合频谱，最终实现120 nm横向分辨率与300 nm轴向分辨率。相较于传统七维矩阵的高条件数（5.2），改进后的两步法将条件数降至1.4，显著提升重建稳定性。

在100 nm荧光微球实验中，3D-MP-SIM的轴向分辨率与3D-SIM相当，较2D-MP-SIM提升51%。固定U2OS细胞的微管成像显示，该技术可清晰分辨轴向间距300 nm的双微管结构，而传统多平面技术仅呈现模糊条带。活细胞实验中，3D-MP-SIM成功捕捉到晚期内吞体的完整轮廓运动，消除传统SIM的图像拉伸伪影；以11卷/秒速率记录到线粒体膜双重内陷的动态过程——一处完成分裂形成囊泡，另一处重新连接形成中空结构。

内质网成像实验展现惊人时空分辨率：单个ER小管在300 ms内完成轴向延伸、跨层融合与收缩，重构出三维网状结构。双色成像模块通过滤光轮同步切换激发/发射波长，实现线粒体内外膜的同步追踪。实验捕捉到线粒体纳米管从分支网络快速伸出，与相邻线粒体建立瞬时连接；ER小管穿透线粒体中央孔洞时，伴随线粒体形态的协同重构。这些发现为细胞器互作的力学机制研究提供了全新视角。

3D-MP-SIM的诞生标志着活细胞超分辨成像迈入全新维度。通过多平面同步捕获与物理模型驱动的算法革新，该技术将三维成像速度提升至毫秒级（11卷/秒），轴向分辨率突破至300 nm，且光毒性与传统3D-SIM相当。在晚期内吞体追踪、线粒体分裂解析、ER动态网络重构等场景中展现出显著优势，为细胞器互作、膜动力学等研究提供了利器。

科学技术的发展离不开科研仪器的进步。凯视迈（KathMatic）自2014年创建以来，一直“致力于高精尖光学测量技术”，已成为集“研发、制造、销售”为一体的国产高端光学精密测量仪器新力量。推出了KC系列多功能精密测量显微镜、KS系列超景深3D数码显微镜以及KV系列激光多普勒测振系统，取得了良好的市场成绩。详情欢迎留言咨询!

来源：凯视迈精密测量