三维结构照明显微镜
三维结构照明显微镜（3D Structured Illumination Microscopy，3D-SIM）是一种突破传统光学显微镜分辨率极限的超分辨成像技术，通过空间调制光场和算法重建实现三维高分辨率成像。
一、基本原理
结构光照明与莫尔效应
3D-SIM利用周期性结构光（如线光栅或正弦条纹）照射样品，通过移动或旋转光栅产生多幅不同相位和方向的照明图案。这些图案与样品的高频信息叠加后形成莫尔条纹（低频可见的干涉图案），再通过算法解调原始高频信息，最终重建出超分辨图像。三维分辨率的提升
与二维SIM（2D-SIM）仅提升横向分辨率不同，3D-SIM通过轴向调制光场（如偏振控制或光栅投影），将分辨率提升扩展至三维空间。其横向和轴向分辨率均可达到传统显微镜的2倍（例如横向约100 nm，轴向约300 nm）。多图像采集与算法重建
需采集至少三个方向的照明图案（每个方向需5-9次相位移动），通过频域解卷积和反卷积算法重构超分辨三维图像。
二、技术特点与创新
硬件改进
快速调制技术：如DMD（数字微镜器件）与电光调制器（EOM）结合，实现高速偏振切换和图案生成，减少运动伪影。
简化光路设计：部分系统采用衍射光学元件（DOE）替代传统光栅，降低成本和体积，适用于即时检测场景。
成像优势
活细胞兼容性：低光毒性和高时间分辨率（如iSIM可达100帧/秒），适合动态过程观测（如线粒体嵴活动、内质网重构）。
厚样品处理：通过光学层切技术抑制离焦背景，提升厚组织（如植物叶片、动物肾脏切片）的成像清晰度。
三、应用领域
细胞生物学
观察亚细胞结构（微管、线粒体外膜、肌动蛋白丝）的三维动态变化。
追踪荧光标记分子（如GFP标记蛋白）的实时分布与迁移。
医学与材料科学
病理组织分析（如小鼠肾脏切片的肌动蛋白取向）。
材料表面形貌与纳米结构的三维表征。
植物与发育生物学
厚植物组织（如玉米雄穗、黑藻叶）的超分辨成像。
胚胎发育过程中细胞迁移的实时监测。
四、技术局限与发展趋势
局限：依赖荧光标记，成像速度受算法重建限制，复杂样品可能引入重构伪影。
趋势：结合非线性光学（如双光子激发）进一步提升分辨率；开发便携式设备以适应临床即时检测需求。
三维结构照明显微镜通过光学与计算技术的结合，成为生命科学和材料研究的重要工具，未来有望在分辨率和应用场景上实现更大突破。
