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哈工大團隊開發新型顯微成像技術 實現單分子三維運動與光譜同步追蹤
2025年10月25日 15:53:43
來源：化工儀器網 作者：宋池 點擊量：5336
哈爾濱工業大學聯合團隊成功開發“三維目標鎖定單分子光譜動態成像技術”（3D-SpecDIM）。該技術突破傳統成像局限，首次實現同步追蹤單個生物分子的三維運動軌跡及其所處微環境的實時變化，為揭示線粒體自噬等生命過程提供了全新研究工具。
近日，哈爾濱工業大學深圳校區與合作團隊在單分子顯微成像技術領域取得重要進展。該校計算機科學與技術學院張永兵教授團隊與深圳灣實驗室侯尚國研究員團隊，共同開發出一種名為“三維目標鎖定單分子光譜動態成像顯微技術（3D-SpecDIM）”的新方法，能夠同步捕捉生物體內單個分子的三維運動軌跡及其所處微環境的理化變化。該研究成果已發表于國際學術期刊《自然通訊》。
在生命科學領域，實時觀測單個分子的運動與變化對于理解細胞活動、疾病機制及藥物研發具有重要意義。傳統成像技術通常只能獲取大量分子的平均信號，難以精確反映單個分子的動態行為。單分子研究技術則致力于實現對個體分子的精準追蹤。
然而，在單分子層面同時高精度追蹤其快速運動并獲取其光譜信息一直面臨技術挑戰。分子運動速度快、可探測光子數有限，傳統方法往往難以兼顧軌跡追蹤的連續性與環境信息的完整性。
據論文介紹，研究團隊通過將三維主動反饋追蹤技術與高速光譜檢測相結合，開發出3D-SpecDIM技術。該方法能夠以毫秒級時間分辨率和納米級空間分辨率記錄單分子的三維運動，同時同步解析其隨環境變化的光譜細節。
為驗證技術性能，研究團隊進行了系統測試。結果顯示，結合深度學習的光譜定位算法，該系統對熒光微球的光譜峰值定位精度最高可達0.3納米，較傳統方法提升30%以上。在甘油溶液中，成功實現了對單個染料分子數秒長時間的光譜動態觀測。
在實際生物過程應用中，該技術顯示出獨特優勢。在線粒體自噬過程監測中，研究人員首次在單個線粒體水平上實現了對自噬過程酸堿值變化的實時定量全流程監測。在細胞凋亡起泡實驗中，該方法同步捕捉到了膜極性動態下降與膜形態變化的相關性。
研究人員表示，3D-SpecDIM技術為揭示如線粒體自噬和細胞凋亡等復雜生命過程提供了全新研究工具，有望在生物醫學研究領域發揮重要作用。
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