东京大学的研究人员开发出一种先进的中红外显微镜，使他们能够以纳米尺度观察活细菌内部的结构。中红外显微镜通常受到分辨率低的限制，尤其是与其他显微镜技术相比。
这幅插图左上方是用中红外线照射的细菌，下方显微镜发出的可见光帮助捕捉图像。细菌内部的化学图像比传统的中红外显微镜清晰 30 倍。图片来源：2024 Ideguchi 等人/《自然-光子学》（Nature Photonics）
研究人员说，这一最新进展产生了 120 纳米的图像，比典型的中红外显微镜的分辨率提高了 30 倍。能够在更小的范围内更清晰地观察样本，有助于多个领域的研究，包括传染病研究，并为未来开发更精确的中红外成像技术开辟了道路。
微观领域是病毒、蛋白质和分子的栖息地。借助现代显微镜，我们可以大胆地观察自己细胞的内部结构。但即使是这些令人印象深刻的工具也有其局限性。例如，超分辨率荧光显微镜需要用荧光标记标本。这有时会对样本产生毒性，而且在观察时长时间暴露在光线下会漂白样本，这意味着它们不再有用。电子显微镜也能提供令人印象深刻的细节，但样本必须置于真空中，因此无法研究活体样本。
相比之下，中红外显微镜可以提供活细胞的化学和结构信息，而无需对细胞进行着色或破坏。然而，由于中红外显微镜的分辨率相对较低，它在生物研究中的应用受到了限制。超分辨荧光显微镜可以将图像缩小到数十纳米（1 纳米为一毫米的百万分之一），而中红外显微镜通常只能达到 3 微米左右（1 微米为一毫米的千分之一）。
然而，东京大学的研究人员在一项新的突破中，实现了比以往更高的中红外显微镜分辨率。"我们的空间分辨率达到了 120 纳米，即 0.12 微米。"东京大学光子科学与技术研究所的 Takuro Ideguchi 教授解释说："这一惊人的分辨率大约是传统中红外显微镜分辨率的 30 倍。"
研究小组使用了"合成孔径"技术，该技术结合了从不同照明角度拍摄的多幅图像，以生成更清晰的整体图像。通常情况下，样品被夹在两个透镜之间。然而，透镜会无意中吸收部分中红外光。为了解决这个问题，研究人员将细菌样本（使用了大肠杆菌和Rhodococcus jostiiRHA1）放在硅板上，硅板可以反射可见光并透过红外线。这样，研究人员就可以使用单透镜，用中红外光更好地照射样品，获得更详细的图像。
"我们对能够如此清晰地观察细菌的胞内结构感到惊讶。我们显微镜的高空间分辨率可以让我们研究抗菌药耐药性等世界性问题，"Ideguchi 说。"我们相信，我们可以从多个方向继续改进这项技术。如果我们使用更好的透镜和更短的可见光波长，空间分辨率甚至可以低于 100 纳米。有了更高的清晰度，我们希望研究各种细胞样本，以解决基础和应用生物医学问题。"
编译来源：ScitechDaily