破解三维取向成像“镜像困惑”：艾锐科技助力DNA三维成像技术实现新突破。

在纳米科技前沿，如何精确测量单个纳米结构在三维空间中的动态取向，一直是困扰科学家们的重大难题。传统的偏振测量方法常常受困于“镜像困惑”，无法唯一确定物体的真实朝向。近日，一项发表在国际顶尖期刊《Chem》上的研究成果，为这一难题提供了创新性的解决方案。该研究由上海交通大学、南方科技大学、北京大学、东方理工大学、北京艾锐精仪科技有限公司（以下简称“艾锐科技”）的学者团队联合完成，其中，艾锐科技凭借其在偏振结构光超分辨成像技术和三维定向显微镜（3DOM）领域的卓越实力，为该项突破性发现提供了关键技术支持。

研究亮点：DNA折纸框架内的“双偏振”之光

该研究团队巧妙地利用DNA折纸技术，构建出一种新型的“双偏振荧光DNA框架纳米材料”。他们将一种名为K21的花菁染料精准地“掺杂”到棒状的DNA折纸框架（DOF）中。通过精确调控染料分子在DNA框架上的密度和排列方式，研究人员成功让这些纳米材料同时发出两种不同偏振方向的光：一种来自单个K21分子的单体发射，另一种来自K21分子间相互作用形成的激基缔合物发射。

攻克难题：基于双偏振的“无镜像困惑”三维取向成像

这项工作的核心突破在于，这两种发射的偶极子与DNA框架的长轴位于同一平面内，但具有不同的固定角度（经测量，单体偶极与DNA长轴夹角约为22.3°，激基缔合物偶极夹角约为36.9°）。

然而，仅仅知道偶极方向还不足以在三维空间中唯一确定DNA框架的指向。这正是艾锐科技偏振结构光核心技术发挥关键作用的地方。公司团队利用其自主研发的三维定向显微镜（3DOM），通过双光束序列斜入射照明，同时测量了单个纳米材料上K21单体和激基缔合物的三维偶极取向。

拥有了这两个位于同一平面内但角度不同的偶极向量，就如同获得了两个独一无二的“路标”。通过计算这两个路标的交汇点，研究团队成功地重构出了DNA折纸框架在三维空间中的绝对取向，从根本上解决了传统单偶极测量中难以避免的“镜像困惑”问题。（如图5）

Figure 5. 3D polarization imaging of a K21-DOF nanomaterials with dual-polarization emissions

(A) Schematic diagram of 3D polarization imaging measurement for locally averaged dipole orientations of K21 monomer and excimer. Green arrow, monomer dipole; red arrow, excimer dipole.

(B) 3D polarization imaging results of K21 monomer and excimer from a rod-shaped DOF, with the locally averaged dipole orientations mapping on the x-y plane being pseudo colored. The images in the top and bottom rows represent two different DOFs. The color wheel represents the relationship between the locally averaged dipole orientation and the pseudo color. Scale bar, 2 μm.

(C) The angles between the locally averaged dipole orientations of K21 monomer, excimer, and the rod axis of DOFs in 3D space. Green arrow, monomer dipole; red arrow, excimer dipole; and gray arrow, rod axis of DOFs.

(D) Statistical analysis of the angles between the locally averaged dipole orientations of K21 monomer, excimer, and the axis of single rod-shaped DOFs, respectively. Error bars indicate standard deviations (mean ± SD, n = 14).

(E) Reconstruction of 3D orientation of the single rod-shaped DOFs using two measured polarization angles. Each vector represents the 3D orientation independently calculated for each pixel. For each vector, the direction represents the azimuthal angle in the imaging plane, the color encodes the polar angle (the polar angle η represents the angle between z axis with start at bottom as 0◦ to the upper direction as 180◦), and the length is scaled by the local fluorescence intensity. Each pixel represents 65 nm.

图5 具有双偏振发射特性的K21-DNA框架纳米材料的三维偏振成像

（A）用于测量K21单体（绿色箭头）和激基缔合物（红色箭头）局部平均偶极取向的三维偏振成像测量原理示意图。

（B）来自棒状DNA框架的K21单体与激基缔合物的三维偏振成像结果，其在x-y平面上的局部平均偶极取向映射以伪彩色显示。上下两行的图像分别代表两个不同的DNA框架。色轮表示局部平均偶极取向与伪彩色的对应关系。比例尺为2 μm。

（C）三维空间中，K21单体、激基缔合物的局部平均偶极取向与DNA框架棒状轴之间的角度关系示意图。绿色箭头代表单体偶极，红色箭头代表激基缔合物偶极，灰色箭头代表DNA框架的棒状轴。

（D）分别针对单个棒状DNA框架，对K21单体、激基缔合物的局部平均偶极取向与其轴线之间夹角的统计分析图。误差线表示标准差（平均值 ± 标准差，n = 14）。

（E）利用测得的两个偏振角度对单个棒状DNA框架进行三维取向重构的结果。每个矢量代表为每个像素独立计算的三维取向。对于每个矢量，其方向代表成像平面内的方位角，颜色编码了极角（极角η代表与z轴的夹角，从底部起始的0°到向上方向的180°），矢量的长度按局部荧光强度进行缩放。每个像素代表65 nm。

艾锐科技：为前沿科研点亮微观世界的“航向”

这一成果不仅是DNA纳米材料领域的重大进展，更是先进光学测量技术赋能生命科学和材料科学研究的典范。基于艾锐科技Polar-SIM系统开发的3DOM技术正是为解决复杂微观体系的精准测量而设计的。本次合作有力地证明了，通过将我们独特的偏振超分辨成像硬件与创新的探针设计相结合，可以突破传统光学显微镜的极限，实现对单个纳米粒子动态的全面解析。艾锐科技与北京大学联合开发的3DOM三维偶极子超分辨成像系统相关文章于2024年发表在国际光学领域权威期刊PhotoniX。

链接：https://link.springer.com/article/10.1186/s43074-024-00127-6

这项研究充分展示了跨学科合作的巨大潜力。艾锐科技将继续致力于开发更先进的光学成像与测量解决方案，与全球顶尖科研团队携手，共同探索微观世界的奥秘，为科学进步贡献力量。

关于艾锐科技

艾锐科技是一家专注于高端光学显微测量技术与仪器开发的高科技公司，总部位于北京。公司致力于将前沿光学物理与精密工程相结合，为生命科学、材料科学等领域的研究人员提供突破性的成像和测量工具，助力其解决最具挑战性的科学问题。其核心产品和技术在超分辨成像、荧光偏振成像及三维定向测量等方面拥有独特优势。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929425005030