東京大學的研究人員開發出一種先進的中紅外線顯微鏡，使他們能夠以奈米尺度觀察活菌內部的結構。中紅外線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相比。

這幅插圖左上方是用中紅外線照射的細菌，下方顯微鏡發出的可見光幫助捕捉影像。細菌內部的化學影像比傳統的中紅外線顯微鏡清晰30 倍。圖片來源：2024 Ideguchi 等人/《自然-光子學》（Nature Photonics）

研究人員說，這項最新進展產生了120 奈米的圖像，比典型的中紅外線顯微鏡的分辨率提高了30 倍。能夠在較小的範圍內更清晰地觀察樣本，有助於多個領域的研究，包括傳染病研究，並為未來開發更精確的中紅外線成像技術開闢了道路。

微觀領域是病毒、蛋白質和分子的棲息地。借助現代顯微鏡，我們可以大膽地觀察自己細胞的內部結構。但即使是這些令人印象深刻的工具也有其局限性。例如，超解析度螢光顯微鏡需要用螢光標記標本。這有時會對樣本產生毒性，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，但樣本必須置於真空中，因此無法研究活體樣本。

相較之下，中紅外線顯微鏡可以提供活細胞的化學和結構訊息，而無需對細胞進行著色或破壞。然而，由於中紅外線顯微鏡的分辨率相對較低，因此它在生物研究中的應用受到了限制。超分辨螢光顯微鏡可以將影像縮小到數十奈米（1 奈米為一毫米的百萬分之一），而中紅外線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，實現了比以往更高的中紅外線顯微鏡分辨率。 “我們的空間分辨率達到了120 奈米，即0.12 微米。”東京大學光子科學與技術研究所的Takuro Ideguchi 教授解釋說：”這一驚人的分辨率大約是傳統中紅外線顯微鏡分辨率的30 倍。 “

研究小組使用了”合成孔徑”技術，該技術結合了從不同照明角度拍攝的多幅影像，以產生更清晰的整體影像。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）放在矽板上，矽板可以反射可見光並透過紅外線。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，以獲得更詳細的影像。

“我們對能夠如此清晰地觀察細菌的胞內結構感到驚訝。我們顯微鏡的高空間分辨率可以讓我們研究抗菌藥抗藥性等世界性問題，”Ideguchi 說。 “我們相信，我們可以從多個方向繼續改進這項技術。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於100 奈米。有了更高的清晰度，我們希望研究各種細胞樣本，以解決基礎和應用生物醫學問題。

編譯來源：ScitechDaily