双光子亚衍射多焦点结构光照明显微研究

为进一步提高双光子多焦点结构光照明显微技术(2P-MSIM)的空间分辨率,笔者提出并发展了一种双光子亚衍射多焦点结构光照明显微成像方法(2P-sMSIM).首先,通过改进的Gerchberg-Saxton(GS)相位恢复算法设计亚衍射聚焦点阵,生成相位图,利用高速相位型空间光调制器产生亚衍射聚焦点阵.通过计算机模拟的仿真实验,探究算法的可行性,并通过对荧光染料溶液的激发成像,证明了每个亚衍射聚焦点阵的平均尺寸为正常衍射受限点阵聚焦点尺寸的80%.其次,将该点阵引入2P-MSIM系统,对固定在BS-C-1细胞内的微管和商用线粒体切片分别进行了超分辨成像实验,证明了在亚衍射聚焦点阵激发下,2P-MSIM的分辨率和成像质量得到了进一步提高,这对于2P-MSIM的发展具有重要意义.

平场复用多焦点结构光照明超分辨显微成像

多焦点结构光照明显微技术(multifocal structured illumination microscopy,MSIM)能在50μm的成像深度内和1Hz的成像速度下实现两倍于衍射极限分辨率的提升,相比传统的宽场结构光照明显微技术,具有较大的成像深度和层析能力,更适合应用于厚样品的长时程三维超分辨成像.然而,MSIM存在成像速度慢、图像处理过程复杂等问题.本文提出了一种基于平场复用多焦点结构光照明的快速超分辨显微成像方法和系统(flat-field multiplexed MSIM,FM-MSIM),通过在照明光路中插入光束整形器件,将高斯光束转变为均为分布的平顶光束,提高激发点阵的强度均匀性和扩大视场;通过将每个衍射受限的激发点沿y方向延长,形成新的多路复用多焦点阵照明图案,提高能量利用率,减少扫描步数,进而提高成像速度和信噪比;结合基于多重测量矢量模型的稀疏贝叶斯学习图像重构算法,简化图像重构步骤,在保证空间分辨率的同时实现至少4倍于传统MSIM的成像速度.在此基础上,利用搭建的FM-MSIM系统进行了BSC细胞微管样片和小鼠肾切片标准样片的超分辨成像实验,实验结果证明了该系统的快速三维超分辨成像能力,对于MSIM的发展具有重要的意义.

结构光照明显微中的偏振控制

结构光照明显微(structured illumination microscopy.SIM)作为一种宽场超分辨光学显微成像技术,具有成像速度快、光漂白和光毒性弱等优点,是目前主流超分辨成像方法之一.在SIM技术中,正弦强度分布的条纹结构光场的对比度决定了SIM超分辨图像的质量.低的条纹对比度将导致样品中超衍射极限的高频信息被噪声掩盖,从而无法解析出超分辨信息.结构照明入射光的偏振态调控决定了干涉条纹的对比度,是SIM的关键技术.鉴于此,本文总结对比了几种典型的SIM系统偏振控制方法,同时提出了一种使用零级涡旋半波片的偏振控制方法.实验证明,与其他方法相比,采用零级涡旋半波片法可以获得更高效的偏振控制效果,具有系统结构简单、易使用、可将光能利用率提升到接近100%的优点.

大视场结构光照明显微技术(特邀)

结构光照明显微(SIM)具有成像速度快、对样品损伤小,以及对荧光标记物和标记程序无特殊要求等优点,成为研究活细胞结构和动态过程的重要成像手段之一。介绍了一种大视场、双模式(条纹/点阵)SIM显微技术。该技术结合二维光栅投影产生条纹/点阵结构光,空间光调制器选择条纹方向和实现相移,打破传统SIM中条纹数量受数字投影设备像素个数限制的瓶颈,同时保持了传统SIM成像速度快的优势。实验结果表明:该技术在20×/0.75数值孔径物镜下可获得690μm×517μm成像视场和1.8倍空间分辨率提升,其空间带宽积是传统SIM的3倍。该技术有望被应用于生物学、化学和工业等领域。

基于高速相位型空间光调制器的双光子多焦点结构光显微技术

多焦点结构光照明显微镜(multifocal structured illumination microscopy, MSIM)能在50μm的成像深度内实现2倍于衍射极限分辨率的提升,但在对厚样品成像时,散射光和离焦光限制了其层析能力和图像衬度.双光子多焦点结构光照明显微镜(two-photon MSIM, 2P-MSIM)克服了样品组织散射的影响,进一步提高了MSIM的成像深度和成像特性.然而,现有的2P-MSIM通常采用振镜扫描成像,系统复杂,灵活性差.为了解决上述问题,本文提出了一种基于高速相位型空间光调制器(spatial light modulator, SLM)的双光子多焦点结构光照明超分辨显微成像系统,通过在SLM上同时加载生成多焦点阵列的相位图和线性相位光栅的相位图,实现了多焦点阵列的产生和在样品面上的高精度的并行数字随机寻址扫描和激发成像,结合像素重定位和反卷积技术实现了三维双光子多焦点结构光超分辨成像,解决了扫描振镜在2P-MSIM成像中的机械惯性问题,同时降低了系统的复杂性,提升了灵活性.在此基础上,利用搭建的2P-MSIM开展了小鼠肾组织切片和铃兰根茎双光子超分辨成像实验,验证了该方法的三维超分辨成像能力,对于2P-MSIM的发展具有重要的意义.

基于DMD调制的结构光照明超分辨和光切片显微技术研究进展(特邀)

将普通光学显微镜的均匀照明替换为光场具有空间结构分布的照明,可为显微镜增添超分辨和光切片的新功能。结构光照明显微(SIM)技术与传统宽场光学显微镜具有良好的结构兼容性,继承了传统光学显微镜非侵入、低光毒性、低荧光漂白、快速成像的优点。其高时空分辨率和三维光切片能力非常适合活体细胞或组织的观测,受到生物医学和光学界的持续关注。快速产生高对比度、高频率的结构光场并进行快速相移和旋转调控是SIM的核心技术。近年来基于数字微镜器件(DMD)调制的SIM(DMD-SIM)发展迅速,它利用DMD高刷新率、高光通量、偏振不敏感的优势,克服了传统器件如物理光栅和液晶空间光调制器在调控速度上的缺点。本综述首先介绍了SIM超分辨和光切片的基本原理,然后着重阐述了DMD-SIM通过光投影和光干涉产生结构光照明及调控光场的方法,对当前的DMD-SIM研究进展进行了归纳评述,总结了DMD-SIM的优缺点,最后对DMD-SIM面临的挑战和发展趋势进行了展望。

超分辨显微技术在活细胞中的应用与发展

细胞是生命体的基本单位和功能单位,对活细胞内部结构及其功能的研究是了解掌握生命本质的基础之一,因此活细胞的实时观测对生命科学的发展具有重要意义。传统的光学显微技术受衍射极限的限制,无法观测200 nm以下的生物结构细节。近20年来,随着超衍射极限光学理论、技术、器件和荧光探针等方面的快速发展,超分辨显微成像技术已成为应用于生命科学研究的重要手段。然而,大多数超分辨显微方法或测量耗时长,或易引起荧光蛋白漂白/细胞损伤,在活细胞研究中受到极大限制,已成为超分辨显微领域重点攻关的方向之一。为此,文中结合作者在快速超分辨显微技术研究的基础上,介绍了基于单分子成像的光激活定位显微技术和随机光学重构显微技术、基于荧光非线性可饱和光转换的受激发射显微技术以及基于结构光照明的超分辨显微技术,并探讨了在活细胞成像中的发展应用。最后,文中展望了超分辨显微成像技术在活细胞成像中的未来发展趋势。

稀疏结构光照明三维层析显微技术

光学显微具有对样品损伤低、可特异性成像等优点,是生物医学、生命科学、材料化学等多个领域中必不可少的成像手段。然而,传统光学显微镜多采用平行光照明整个样品,无法有效区分在焦信号和离焦背景,不具备三维层析成像能力。基于此,提出一种基于共振扫描的稀疏结构光照明三维层析显微(SSI-3DSM)技术,通过共振扫描聚焦光斑快速生成稀疏条纹结构光,利用多步相移减除背景噪声实现对待测样品的三维层析成像。相较于扫描宽场成像,该方法将轴向分辨率提升1.3倍,信背比提升12倍。此外,该技术性能稳定、成本较低、便于商业化开发,可与结构光照明、单分子定位等超分辨显微成像技术相结合以进一步提高横向分辨率。

超分辨显微成像技术在活细胞成像中的应用与发展

超分辨显微成像技术(super-resolution microscopy,SRM)可以绕过光学衍射极限对成像分辨率的限制,让以前观察不到的纳米级结构实现可视化,这一重大研究进展推动了现代生命科学和生物医学研究的进步与发展.细胞是生物体的基本组成单位,对活细胞内部的细微结构和动力学过程进行研究是掌握生命本质必不可少的途径.但由于成像原理或条件的限制,早期的SRM技术在活细胞成像应用方面受到了不同程度的限制.近几年来,随着SRM和相关技术的发展,SRM在活细胞成像研究中的应用也越来越多.本文简要介绍目前常见的几种SRM技术的基本原理和特点,并在此基础上着重阐述它们在活细胞成像应用中所取得的最新研究进展和发展方向.

超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用(特邀)

观察细胞器间动态相互作用,深入分析作用规律,对于揭示生理病理过程现象背后的机制具有十分重要的意义。传统光学显微镜受到由光波波长和孔径造成的衍射极限的限制,无法观测细胞器纳米级精细结构及细胞器间相互作用的动态变化规律。超分辨显微成像技术的出现为细胞器相互作用研究提供了重要手段,在深入揭示细胞器相互作用规律,阐明生理病理现象深层的机制研究中发挥了重要的作用。文中介绍了受激发射损耗(Stimulated emission depletion,STED)显微成像、结构光照明显微成像(Structured illumination microscopy,SIM)、单分子定位显微成像(Single molecule localization microscopy,SMLM)技术,并总结了这三类超分辨显微成像技术在细胞器相互作用中的应用与现状,为超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用提供思路拓展。最后,对超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的优势与不足进行分析总结,展望了超分辨显微成像技术在活细胞内细胞器相互作用成像中的需求发展趋势,为光学与医学及生物学的交叉融合发展提供一定的参考。

基于点扫描结构光的SHG超分辨显微技术研究

二次谐波产生(SHG)成像技术是一种针对非中心对称生物组织的免标记成像技术,已经成为生命科学研究的重要手段。衍射极限使得SHG技术无法分辨衍射极限以下的精细结构。虽然超分辨显微技术取得了突破性进展,但是SHG的相干非线性过程限制了SHG超分辨显微技术的发展。提出了一种点扫描结构光照明SHG超分辨显微(SHG-psSIM)技术,实现了氧化锌颗粒和小鼠尾腱的超分辨SHG显微成像。在传统的SHG显微系统的激发光路中引入电光调制器,通过对激发光正弦调制产生点扫描结构照明图案。基于点扫描结构照明图案与样本结构相互作用产生的莫尔条纹效应,将原本不可探测的样本高频信息搬移到显微镜通频带内,并利用光电倍增管探测。最后,利用软件重构出超分辨率图像。对比传统SHG系统,SHG-psSIM分辨率提高了1.86倍。

活细胞超分辨荧光显微成像技术前沿与进展

本文系统综述了活细胞超分辨荧光显微成像技术相关研究进展,探讨了领域内研究现状及热点问题,并归纳总结了超分辨技术在活细胞成像中的应用。本文具体概括了该技术在相关领域取得的多方面研究进展,其中结构光照明显微术、受激发射损耗显微术以及最低光子通量显微术是当前研究的热点和前沿。根据当前领域内的发展态势,本文预计未来基于人工智能和荧光探针及其标记方法的创新将是该领域未来一段时间的重点发展方向。

超分辨显微成像技术在活体大脑成像中的应用

超分辨显微成像技术是生物医学领域的重要成像工具,它通过突破光学衍射的极限,以纳米级尺度解析大脑神经元的结构,其在活体大脑成像中的应用对于神经科学的发展具有重要影响。由于组织光散射、生物相容性、成像系统兼容性等因素,超分辨显微成像技术在活体大脑成像的深度、速度、时间等方面都受到限制。基于传统的双光子显微成像策略,本文介绍了目前应用于活体大脑成像的受激发射损耗显微成像和结构光照明显微成像的研究进展,分析了它们存在的困难和挑战,最后总结了应对挑战的思路并对未来的发展进行了展望。