東京大學的研究人員開發(fā)出一種先進的中紅外顯微鏡，使他們能夠以納米尺度觀察活細菌內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。中紅外顯微鏡通常受到分辨率低的限制，尤其是與其他顯微鏡技術(shù)相比。

研究人員說，這一最新進展產(chǎn)生了 120 納米的圖像，比典型的中紅外顯微鏡的分辨率提高了 30 倍。能夠在更小的范圍內(nèi)更清晰地觀察樣本，有助于多個領(lǐng)域的研究，包括傳染病研究，并為未來開發(fā)更精確的中紅外成像技術(shù)開辟了道路。

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這幅插圖左上方是用中紅外線照射的細菌，下方顯微鏡發(fā)出的可見光幫助捕捉圖像。細菌內(nèi)部的化學圖像比傳統(tǒng)的中紅外顯微鏡清晰 30 倍。

微觀領(lǐng)域是病毒、蛋白質(zhì)和分子的棲息地。借助現(xiàn)代顯微鏡，我們可以大膽地觀察自己細胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但即使是這些令人印象深刻的工具也有其局限性。例如，超分辨率熒光顯微鏡需要用熒光標記標本。這有時會對樣本產(chǎn)生毒性，而且在觀察時長時間暴露在光線下會漂白樣本，這意味著它們不再有用。電子顯微鏡也能提供令人印象深刻的細節(jié)，但樣本必須置于真空中，因此無法研究活體樣本。

相比之下，中紅外顯微鏡可以提供活細胞的化學和結(jié)構(gòu)信息，而無需對細胞進行著色或破壞。然而，由于中紅外顯微鏡的分辨率相對較低，它在生物研究中的應(yīng)用受到了限制。超分辨熒光顯微鏡可以將圖像縮小到數(shù)十納米（1 納米為一毫米的百萬分之一），而中紅外顯微鏡通常只能達到 3 微米左右（1 微米為一毫米的千分之一）。

然而，東京大學的研究人員在一項新的突破中，實現(xiàn)了比以往更高的中紅外顯微鏡分辨率。東京大學光子科學與技術(shù)研究所的 Takuro Ideguchi 教授解釋說："我們的空間分辨率達到了 120 納米，即 0.12 微米。這一驚人的分辨率大約是傳統(tǒng)中紅外顯微鏡分辨率的 30 倍。"

研究小組使用了"合成孔徑"技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了從不同照明角度拍攝的多幅圖像，以生成更清晰的整體圖像。通常情況下，樣品被夾在兩個透鏡之間。然而，透鏡會無意中吸收部分中紅外光。為了解決這個問題，研究人員將細菌樣本（使用了大腸桿菌和Rhodococcus jostiiRHA1）放在硅板上，硅板可以反射可見光并透過紅外線。這樣，研究人員就可以使用單透鏡，用中紅外光更好地照射樣品，獲得更詳細的圖像。

Ideguchi說："我們對能夠如此清晰地觀察細菌的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)感到驚訝。我們顯微鏡的高空間分辨率可以讓我們研究抗菌藥耐藥性等世界性問題。我們相信，我們可以從多個方向繼續(xù)改進這項技術(shù)。如果我們使用更好的透鏡和更短的可見光波長，空間分辨率甚至可以低于 100 納米。有了更高的清晰度，我們希望研究各種細胞樣本，以解決基礎(chǔ)和應(yīng)用生物醫(yī)學問題。"