细胞器超分辨成像荧光染料

超分辨显微镜提供超越传统光学显微镜衍射极限的成像能力,彻底改变了细胞生物学领域研究。在这一背景下,具有光稳定性、易于修饰和荧光开关可调等独特性能的有机小分子染料获得了新的发展机遇。聚焦于不同细胞器超分辨成像荧光染料,总结了目前可用的超分辨荧光探针的设计和靶向策略。首先简要介绍了三种主要的超分辨成像技术,包括结构光照明显微镜技术、受激发射损耗显微技术和单分子定位成像技术,以及它们对荧光染料性能的不同要求,并介绍了近五年来用于线粒体、溶酶体、细胞膜、脂滴和细胞核的超分辨成像的荧光染料。最后讨论了该领域当前所面临的挑战。

光控荧光蛋白及其衍生的超分辨成像技术

通过在时间或空间上精确控制荧光蛋白(FP)或染料分子的激活和失活,人们发展了一系列的超分辨率(SR)成像技术,并在细胞生物学领域取得了突破性的发现。此外,对于不同SR成像技术而言,FP的某种或者某些光化学特性对于其成像的时间和空间分辨率至关重要。早期我们的研究重点是通过改进光转换荧光蛋白(FP)的亮度、融合特性和光转换效率来提高单分子定位超分辨PALM成像的时空分辨率。还通过发展可抵抗锇酸固定和Epon包埋的光转换FP(包括mEosEM和mEosEM-E),我们发明了称为PALM-CLEM的创新光电关联(CLEM)技术,并实现了同层透射电镜切片SR CLEM成像。我们还发展了具有卓越开关对比度和亮度性质的光开关荧光蛋白,提高了SOFI、NL-SIM和RESOLFT成像技术的时空分辨率。此外,我们还致力于通过利用光调制FP的光闪烁和光转换来提高宽视场SR成像的时间分辨率。通过SIMBA、quick SIMBA、SOGO-SOFI等技术的发展,我们成功实现了仅用20帧原始宽场图片重建一张具有完整结构细节的SR图像。最近,我们实现了活细胞中单帧宽场超分辨成像,空间分辨率可达到65 nm。

纳米级光学超分辨成像技术研究及展望

荧光显微成像技术能够将细胞生理活动可视化,是现代生命科学研究的重要手段。超分辨成像技术的出现将研究推进到亚细胞结构层次,而具有纳米级分辨率的单分子定位成像技术成为了研究细胞器、大分子复合物空间分布及相互作用的有力工具。继2014年超分辨成像技术获得诺贝尔化学奖后,《自然》(Nature)发布的2024年值得关注的七大技术中再次将纳米级分辨率光学成像技术作为热点进行介绍,超高分辨率成像技术是重要的前沿研究领域。本文首先简要介绍了荧光显微成像技术的发展历史、荧光显微镜的基础概念、超分辨成像技术的基本概况,之后着重介绍了单分子超分辨成像技术的研究进展,并在最后对该技术的发展及应用做了展望。

在体全眼微血流超声超分辨成像

多类眼科疾病的早期阶段一般伴有血管的形态学和血流动力学改变,因此,全眼微血管评估对眼科疾病的综合诊断具有重要作用。由于光学成像技术的穿透深度有限,特别是在介质透光率低的情况下,现有的光学成像技术难以对整个眼睛的微血管进行可视化。为此,该文开发了一种超声超分辨成像技术,可以微米级分辨率可视化全眼三维微血管系统。首先,用中心频率为10 MHz的线性阵列快速采集多帧序列;其次,经过微泡信号提取,中心点定位,追踪和中心点叠加得到一个剖面的超分辨率图像;最后,将机械扫描的所有剖面重建为兔全眼三维超分辨率微血管图像。实验结果证明,超声定位显微镜可以显示整个眼睛的微血管系统,这对眼科疾病的早期诊断具有重要意义。

基于超分辨成像增强对拟南芥内质网动态变化的研究

【目的】为了解决在植物细胞内质网的研究中,成像速度与成像分辨率难以同时满足准确识别精细结构和动态变化的瓶颈问题。【方法】使用结构光照明显微成像技术,对拟南芥活体材料中的内质网进行超分辨实时成像,并优化了自监督去噪框架(Blind2Unblind),以进一步提升快速显微成像的信噪比。【结果】建立了对时间序列成像中内质网结构进行定量分析的方法,并通过对环境胁迫下内质网结构动态变化的追踪进一步验证了方法的有效性。此外,各类参数的相关性分析显示管状内质网的面积和长度与生长端和三叉点的数量显著正相关,而内质网池和整体流的面积与管的面积和长度显著负相关。【结论】优化的自监督去噪框架提升了植物活细胞中结构光照明显微图像的信噪比,实现了管状内质网、内质网池、整体流、生长端和节点等复杂结构和动态的量化,各结构间存在复杂相关性。

基于矩阵束算法的多雷达信号融合超分辨成像

利用多雷达回波信号对目标进行融合成像可以有效提高分辨率。本文实现了一种多雷达融合联合超分辨成像算法,该方法基于单雷达观测数据指数和模型,建立了联合的多雷达观测数据模型,并将雷达二维成像的矩阵束算法引入到多雷达观测融合成像中,利用多雷达观测数据估计散射中心的参数,有效提高了分辨率。仿真实验表明,该算法有效提高了雷达成像的分辨性能,有利于后续的目标检测与识别。

一种强杂波背景下SAR目标超分辨成像方法

针对合成孔径雷达图像中存在较强杂波,难以提取目标信息和进行分辨率增强处理的问题,提出了一种强杂波背景下的超分辨成像方法.首先,从信号相关性的角度出发,估计杂波自适应门限来提取目标强散射点;然后,结合梯度下降搜索法提取出目标弱散射点;最后,利用提取后的目标散射点在图像域的稀疏性,通过简化的正则化处理方法,对目标进行分辨率增强处理,实现了目标超分辨成像.角反射器和静止的机动车目标实测数据处理的结果验证了文中方法的有效性.

基于属性散射中心模型的SAR超分辨成像算法

基于属性散射中心模型,提出一种稳健而快速的SAR超分辨成像算法,在超分辨的同时能够考虑到目标的整体结构。首先利用改进的正交匹配追踪算法(OMP)对简化的属性散射中心模型进行参数估计,然后基于估计的模型参数在信号重构时进行二维频谱外推实现SAR超分辨成像。该算法具有较高的运算效率,相对于传统基于点散射模型超分辨算法,能够有效解决部件不连续的问题,并且初始指向角的利用可以取得良好的聚焦效果。仿真实验验证了该算法的优越性。

基于分布式压缩感知的全极化雷达超分辨成像

基于分布式压缩感知理论,提出了一种全极化逆合成孔径雷达超分辨成像算法,联合各极化通道进行超分辨处理.首先,建立全极化信号模型及超分辨字典,利用各极化通道信号的联合稀疏性将全极化超分辨成像建模为最小L2,1范数的优化问题,运用一种快速算法求解该优化问题.由于利用联合稀疏约束,多极化通道联合成像相比于单通道成像能够获得更好的超分辨性能和噪声抑制能力,最终有效提高图像极化融合的效果.同时,采用快速傅里叶变换操作提升了算法的运算效率.基于backhoe的仿真数据实验验证了该算法的优越性.

超分辨成像及超分辨关联显微技术研究进展

光学成像系统中有限孔径对光波的衍射,使得光学显微成像技术的分辨率受到"衍射极限"限制而无法进一步提高.自1873年E.K.Abbe提出该问题以来,衍射极限就一直是学术界研究的热点.近年来,随着高强度激光、高灵敏探测器等光电器件研制技术以及新型荧光探针开发等相关领域的快速发展,光学显微技术衍射极限问题的研究迎来了新的契机,超分辨显微成像技术(super-resolution microscopy.SRM)在近十年内取得了令人瞩目的巨大成就.本文从空域和频域角度回顾了衍射极限分辨率的基本原理,并据此对目前常见的各种SRM技术"绕过"衍射极限提高分辨率的机理给予了详解,同时介绍了各类技术的发展动态和研究方向;作为SRM的一个新的重要的发展趋势,本文详细介绍了超分辨关联显微技术的最新研究进展,包括SRM与活细胞实时荧光显微、荧光寿命显微、光谱测量和成像、电子显微、原子力显微、质谱技术等的关联,着重讨论了各类超分辨关联显微技术的作用和意义;最后,对SRM技术和超分辨关联显微技术的未来发展方向进行了展望.

利用相位模板实现数字全息超分辨成像

为了简化数字全息超分辨记录系统,分别在其物光和参考光部分引入一块相位模板,以获得垂直和倾斜方向照明物体的光束和具有不同载波频率的参考光束.当这些具有不同照射方向的光透过物体后,可以使CCD在位置固定的情况下记录到携带低频和高频信息的物体衍射场,不同载波频率的参考光则保证了高频和低频信息在复合全息图的频谱面上能够相互分离.实验结果证明,通过将记录到的物体高频和低频信息合成,可以获得超出系统衍射极限分辨率的再现像.

频率步进信号距离—方位联合超分辨成像方法

对距离向、方位向二维稀疏的频率步进信号模型,基于压缩感知理论,研究了一种适用于稀疏频率步进回波的距离-方位联合逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)超分辨成像方法.首先对稀疏频率步进回波进行建模,在此基础上构建了距离向和方位向二维稀疏时的联合稀疏基,最后利用二维平滑0-范数法在矩阵域直接进行处理,得到最终的ISAR超分辨成像结果.并对算法复杂度、超分辨性能进行了分析,得出了相应的结论.理论分析和仿真结果表明所提方法在不同稀疏方式、不同稀疏条件下具有更好成像质量、更快处理速度的优势.

像素有效形状对微扫描红外超分辨成像的影响(英文)

超分辨成像是基于过采样来降低频率混叠、提高图像分辨率的技术,而像素有效形状是超分辨相关研究的重要对象。基于实际的红外焦平面阵型提出了"Z"形有效形状模型,并分析了常用的方形模型和"Z"形模型分别得到调制传递函数(MTF)的差别。还提出了形状边界到中心点的差值越小,其得到的MTF越大的假设,通过对不同形状模型的MTF推导分析和数值模拟,其结果证实了这一假设。数值模拟结果还表明圆形模型具有最大的MTF值。上述结论对未来的红外焦平面阵型设计与生产具有参考意义。

分布式雷达超分辨成像的MUSIC方法

多重信号分类(MUSIC)方法已在单基地雷达的超分辨成像中得到较广泛的研究,然而将该方法直接应用到双/多基地形式的分布式雷达超分辨成像上,则会面临收发分置带来的散射信息解相关和波数相位分解等问题.为此利用三维空间平滑和双重线性插值对MUSIC方法进行了改进,给出了分布式雷达超分辨成像的最小信噪比显式表达及其快速计算公式,并据此分析了超分辨成像性能.仿真结果验证了这种基于收发分置形式的MUSIC超分辨成像方法的有效性.

像素感光面形状对基于微扫描的红外超分辨成像的影响

基于微扫描的超分辨成像技术在成像系统光学参数不变的基础上提高图像分辨率,常用于红外成像领域。目前,在基于微扫描的红外超分辨成像研究中,采用理想的正方形模型来仿真红外探测器的感光面形状。但是,由于读出电路的存在,实际探测器产品中像素感光面形状并非严格的正方形,使用正方形模型仿真会导致仿真结果和研究结论的不准确。推导了长方形和"折形"两种感光面模型对成像的影响,并通过与正方形模型的仿真对比确定相应的误差,最后结合实验对前述研究成果进行了验证。结果表明:极限情况下,相对于"折形"模型,使用方形模型仿真的误差高达41%;相同像素填充率时,"折形"感光面越远离中心,对成像的MTF影响越大;基于探测器真实感光面形状的仿真模型能有效提高对红外超分辨成像研究的准确性。

基于四阶混合累积量的雷达目标二维超分辨成像

针对高斯色噪声条件下雷达目标二维成像问题,提出了一种基于四阶混合累积量的二维ESPRIT超分辨成像方法。利用四阶混合累积量对高斯色噪声的自动抑制,降低了噪声对成像质量的影响。通过保持目标特征矩阵结构不变,解决了现仃方法在长采样数据条件下计算量过大的问题。仿真实验表明该方法的成像效果和散射点位置估计精度优于传统方法。

超分辨成像中基于模板函数对多个荧光分子定位

在生物结构和功能成像领域里,超分辨成像成为近年来研究的热点,而荧光分子定位,特别是多荧光分子的定位,是超分辨成像的一个重要环节。本文基于模板函数和非线性拟合给出多个荧光分子定位算法,并利用该算法分析信噪比和两个荧光分子距离对荧光分子定位精度的影响,指出了只有信噪比大于5,两个荧光分子的距离大于8个像素时,才能获得精确的荧光分子的定位。结果证明该方法的合理性和有效性。

距离弯曲情形的超分辨成像及目标特征参量提取

PFA算法的性能受到距离弯曲引起的成像误差的影响,传统的处理方法是限制场景的尺寸。本文从超分辨处理的角度出发,对距离弯曲引起的空变的二次相位误差(QPEs)采取精确估计和补偿的方法进行预处理,然后得到超分辨图像及目标特征参量。相位误差的粗估计采用离散多项式相位变换(DPT)方法,而误差精估计则基于RELAX类算法。仿真和实测数据证明了本文方法的有效性。

机动目标ISAR超分辨成像的分辨能力研究

机动目标ISAR超分辨成像须考虑三维转动造成多普勒频率的时变性质 ,同时 ,成像质量也受到信号模型误差的影响 ,如包络对齐误差和自聚焦误差 .采用误差参数和目标特征参数联合估计可显著提高机动目标成像的分辨率 .本文将误差参数和目标参数联合建模 ,对信号模型解的不唯一性提出一种约束条件 ,引入分辨能力的概念 。

调制状态下目标超分辨成像研究

给出了一种调制状态下目标的超分辨逆合成孔径雷达成像方法,不仅解决了调制等因素对目标成像的影响,而且还提高了对目标的二维分辨能力。首先,利用复数经验模态分解算法将雷达回波分解,并弃除影响成像的调制成份,同时重构目标刚体回波;其次,利用回归模型和Burg算法对目标回波建模和估计;再次,基于估计的回归模型,对刚体回波的距离向和方位向外推来提高对目标的二维分辨能力;最后,利用经典的距离多普勒算法对目标稳健成像。基于仿真和实测数据,给出了文中方法与其他方法的成像结果。