受激拉曼散射显微技术在生物科学中的应用

受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)显微技术,可以通过探测分子的特定振动模式,实现对活细胞的无标记和新型非荧光标记成像。由于SRS显微术具有较高的化学特异性,在生命科学成像领域具有极大的应用潜力。本文简要介绍了SRS显微技术的原理,同时总结了其在脂类、核酸和蛋白质等生物分子,以及在组织结构、小分子药物和食品分析中的应用。

全视场在线图像可视铁谱磨粒显微成像特性分析

为了评估全视场在线图像可视铁谱磨粒显微成像特性,提出了一种反射光显微成像模型。首先,基于朗伯余弦与小角度散射理论建立了全视场(OLVF)的反射光辐照度模型,实现了磨粒显微成像清晰度定量评价。然后,仿真计算磨粒显微成像的反差透视比,确定了最优光学倍率和适用于全视场OLVF探测的油液衰减系数范围,明确了光学参数对磨粒显微成像质量的影响规律。结果显示:光学倍率为2.0×且油液衰减系数≤2.0条件下,磨粒沉积于物方视场的主光轴附近,全视场OLVF可获得最佳磨粒显微成像清晰度。最后,开展了磨粒显微成像实验测试,结果表明:全视场OLVF能够从油液衰减系数小于2.0的在用液压油和齿轮油中获取反射光谱片图像,并提取磨粒视觉信息进行磨损在线监测。

三维反卷积显微成像技术浅谈

三维宽场反卷积显微成像技术是应用光学切片方法获取三维标本的二维图像序列 ,然后通过反卷积图像处理方法进行图像恢复 ,进而进行三维重建的一种以光学技术和图像处理技术为核心的显微成像方法。本文讲述了光学切片的基本原理 ,给出了反卷积处理中点扩展函数的理论模型和实验测试方法 ,然后对现存的反卷积算法做了对比。最后 ,文章对这一领域的发展趋势作了预测。

三维反卷积显微成像技术浅谈

三维宽场反卷积显微成像技术是应用光学切片方法获取三维标本的二维图像序列 ,然后通过反卷积图像处理方法进行图像恢复 ,进而进行三维重建的一种以光学技术和图像处理技术为核心的显微成像方法。本文讲述了光学切片的基本原理 ,给出了反卷积处理中点扩展函数的理论模型和实验测试方法 ,然后对现存的反卷积算法做了对比。

光学表面微缺陷的高对比度暗场成像检测方法

提出了一种新型的暗场显微成像方法(环状孔径显微术,Circular-Aperture Microscopy,CAM)用于光学加工表面的缺陷检测。该方法的关键在于,在CAM物镜中心放置一个遮挡片用于消除照明直射光的影响,而缺陷的散射光能够通过物镜的环状透射区域形成高对比度的图像。对划痕和麻点标准比对板、分辨率测试板、微粒悬浊液等样品的成像结果表明,CAM具有原理简单、对比度高、分辨率高、精度高的优势,能够为光学表面加工中的缺陷检测提供一种有效的方法。

基于动态散斑照明的宽场荧光显微技术理论研究

为获取生物组织和活体细胞内部精细结构,要求显微成像技术具备层析成像能力.基于动态散斑照明的宽场荧光显微技术利用动态变化的散斑图案全场照明待测样品,通过提取焦平面内变化剧烈的荧光信号,获得三维结构的荧光层析图像.本文通过理论分析和模拟仿真,研究了这一荧光显微技术获取荧光层析图像的过程.模拟仿真了影响荧光层析图像成像质量的主要因素,CCD记录的原始荧光图像数量和散射体颗粒度与成像质量的关系.模拟仿真结果表明,荧光层析图像的成像质量随原始荧光图像数量的增加先提高后趋向饱和,随散射体颗粒度的增大先增大后降低.综合考虑成像质量和成像时间等因素,当用于提取荧光层析图像的原始荧光图像的数量为60幅,散射体颗粒度为1000左右时,可获得图像对比度高于85%的高空间分辨率荧光层析图像.理论分析和模拟仿真研究工作为基于动态散斑照明的宽场荧光显微技术的系统结构设计、实现和优化提供了理论基础和指导.

现代显微成像技术综述

概述了光学宽视场显微镜、共聚焦显微镜、超分辨率显微镜中所应用的现代显微成像技术,对各种传统和先进的显微成像原理进行了总结。光学宽视场显微镜最常用的显微技术有明场成像、暗场成像、相衬成像、偏光成像、微分干涉(DIC)成像、调制对比成像和荧光成像。相衬成像中根据不同的成像结构还有切趾相衬成像。微分干涉除了传统的偏振光照明还有圆偏振光照明(C-DIC)和专用于塑料的微分干涉(PlasDIC)。共聚焦显微镜随着计算机技术和制造技术的发展而有了巨大的发展。除了传统的共聚焦荧光显微镜以外,还有连续反斯托克斯拉曼散射(CARS)共聚焦、多光子共聚焦和白光共聚焦。超分辨率显微镜中主要介绍了受激辐射淬灭(STED)技术和紧随基态淬灭显微技术的单分子返回(GSDIM)技术。

“光学显微成像技术”专题前言

显微成像技术从第一台复式光学显微镜诞生以来就已成为人类探索复杂微观世界的重要手段,是一个拥有悠久历史而又充满无限活力的研究方向。经过四个多世纪的长期发展,已先后发明了一系列具有不同光学对比度机制的常规光学显微镜(如明场显微镜、暗视显微镜、偏光显微镜、相衬显微镜、微分干涉相衬显微镜、荧光显微镜等);具有层析功能的显微镜(如激光扫描共聚焦显微镜、光学相干层析显微镜、光片照明荧光显微镜、衍射层析显微镜等);利用非线性光学效应的显微镜(如双光子显微镜、二次谐波显微镜、拉曼散射显微镜等);突破理论衍射极限的超分辨显微镜(如单分子定位显微镜、受激辐射损耗显微镜、结构光照明显微镜、近场显微镜等)。

适用于暗场生化传感系统的微流控芯片的研制与验证

为了提高暗场检测的效率、获取高质量的传感信息,基于实验设备的物理尺寸以及实验环境,通过COMSOL Multiphysics仿真,并采取键合工艺,研制了一种适用于暗场生化传感系统的微流控芯片。该芯片可在同一暗场视野下观察到四个反应区域,实现对多种样品的并行检测。同时由于该设计的连通性,四个反应区域可以两两进行精确对照,对样本检测结果进行定性定量对比。实验中,在暗场显微成像系统下捕获到微流控芯片通入各反应区域的传感单元纳米粒子,测出散射光谱,验证其可行性。暗场显微成像系统和微流控芯片的结合,实现了自动化、集成化的实时原位并行检测,极大地提高了实验效率。

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.

暗场聚光镜-水浸物镜联在细胞成像上的初步应用

传统的细胞成像方法在准备工作中需要对细胞进行多步操作,对细胞的实时成像较难以反映真实生长环境中的活细胞.本实验引入了一种高数值孔径的油浸暗场聚光镜与无盖玻片水浸物镜联用来进行高分辨率实时成像的方法.为了尽可能地减少细胞操作步骤,本实验采用水浸物镜直接伸入到培养皿中的PBS(磷酸缓冲生理盐水)或培养基中的方法取代传统的细胞爬片与细胞滴片操作,来得到贴壁培养与悬浮培养细胞的实时暗场图像.用这一系统观察PBS里的贴壁细胞能得到较好的暗场成像效果,观察培养基中悬浮细胞可得到细胞图像,但视野过亮.这一组合的光学系统简便易行,成本低廉,可广泛用于细胞相关的科研工作中.

细胞内分子检测及成像技术研究

针对复杂生物学系统的研究和观测,指出对活体细胞内的分子及其相关事件,以高时空分辨率实现可视化、跟踪和定量处理,采用远场荧光成像是目前细胞内分子检测及成像的主要工具.在述评的基础上,介绍该课题组在活体细胞内分子检测及成像中的荧光显微成像和非标记检测技术的研究进展.围绕提高荧光显微成像分辨率,研究图像信息获取速率高的宽场成像方法,包括结构光照明和单分子定位显微.在结构光照明显微研究中,采用可编程的数字微镜器件代替需要精确移动的光栅对生物样品进行显微成像,获得了超分辨显微成像;在单分子定位显微成像研究中,搭建单分子定位显微成像系统,实测分辨率达到48nm,并获得了HeLa细胞突起中微丝束结构的纳米分辨图像;针对厚样品成像时存在的荧光串扰难题,提出利用双波长空间非相干光干涉照明,理论分析证明,其可实现厚度为35nm半高全宽的单一薄层的轴向选择性激发.在非标记检测成像技术方面,围绕相干反斯托克斯拉曼散射(coherentanti-Stokes Ramanscattering,CARS)方法中存在的问题展开研究.为获得完整的物质分子CARS光谱,利用飞秒激光脉冲泵浦PCF获得超连续谱激光输出同时作为泵浦光和斯托克斯光,实现超宽带时间分辨CARS光谱探测和显微成像技术;通过数值模拟获得优化超连续谱激光输出的时谱结构的实验条件,初步实现了满足实验所需的SC激光光源;通过调节探测光脉冲与SC激光脉冲之间的时间延迟实现时间分辨CARS,达到有效抑制非共振背景噪声,提高系统探测灵敏度的目的.利用超宽带时间分辨CARS光谱探测和显微成像技术,获得多种有机溶液在387～4092cm-1范围内,光谱分辨率达14cm-1的不同分子的CARS光谱信号;通过分析探讨实现超分辨CARS显微成像技术的途径,提出利用双探测光实现纳米分辨的方案.未来研究方向,在荧光显微方面,将结合双波长空间非相干光干涉照明和轴向纳米定位,实现完整细胞三维纳米分辨荧光成像,通过发展高量子效率的小分子荧光开关材料及高灵敏度高帧频的探测器,将单分子定位显微应用到活细胞三维纳米成像和分子追踪上;在非标记成像方面,将重点发展基于CARS原理的单分子检测和纳米成像方法,尤其是基于改进后的超连续谱的超宽带CARS光谱技术和纳米分辨的CARS显微技术.

基于单像素成像原理的多模式显微成像技术

半导体芯片等微纳器件制造过程中,对其形貌进行表征有助于制造工艺评估和缺陷检测。为了获得待测样品完整的信息,通常需要使用明场显微镜、暗场显微镜等进行多种成像模式的联合表征。但目前实现多模式成像常须更改实验装置或使用不同的成像系统,导致获取的多模式图像的视场不同,不利于将多模式成像结果综合起来对待测样品进行全面分析。针对以上问题,提出基于单像素成像原理的多模式显微成像技术。该技术将宽场照明显微镜中的光源替换成结构照明光源,然后将相机每个像素点作为单像素探测器,并利用单像素重建算法得到艾里斑图像。艾里斑图像中不同位置的值代表不同物点发出的不同级次的衍射信号。通过从艾里斑图像中提取不同位置的值,按照相机像素坐标排列,可以重建不同模式的图像。与传统的多模式显微成像方法相比,所提基于单像素成像原理的多模式显微成像技术采用同一套装置和相同的实验数据,重建的多模式图像的视场相同。所提方法为显微成像技术的发展提供了一种全新的思路,有望在微纳器件的离线形貌表征中得到应用。

眼镜、放大镜、显微镜及显微术

TH741.8 95021336一种带三维坐标测量的新型万能工具显微镜(108J)=A new type universal tool maker’s microscopewith 3D coordinate measurement[刊,中]/施召贤(上海光学仪器厂)//现代计量测试.—1994,(6).—9—11提出了一种带三维坐标测量的新一代万能工具显微镜的构想。

高数值孔径物镜下CARS显微成像光场分布计算

为了更好地解释相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微成像的基本原理,方便对CARS显微图像进行处理,使用角频谱的方法对物镜后的CARS显微成像光场分布进行了研究,计算了横向和轴向的光场分布随着物镜数值孔径以及入射光斑大小的变化情况。计算结果表明,光场分布的半峰全宽基本随着数值孔径的增大而减小,并且入射光束腰斑半径越大,CARS显微成像的分辨率也相对越高。理论计算工作为即将开展的实验奠定了基础。

组织透明化技术的研究与应用

背景:对生物体进行全身细胞分析是生物医学领域的主要挑战之一。组织透明技术结合光学成像和图像处理技术,能够将整个器官或全身快速透明并进行结构和细胞分析,为在生命科学中应用先进的光学技术提供了一个非常有前景的解决方案。目的:分析组织透明技术原理及过程,总结组织透明技术研究进展,介绍组织透明成像技术,讨论组织透明技术在生物医学研究领域中的应用。方法:第一作者以“tissue clearing technique,tissue optical clearing,whole-body imaging,3D imaging”

相干拉曼散射显微技术及其在生物医学领域的应用

相干拉曼散射显微技术作为一种新型的成像技术,具有无标记、高特异性、非侵入等优点,已被广泛用于化学结构及物质成分分析。近年来,光子学、生物医学和显微成像技术等领域的相互交叉和融合发展,极大地推动了相干拉曼散射显微成像技术在生物医学领域的应用。简要介绍了相干拉曼散射显微成像的基本原理、分类、系统构成,同时概述了相干拉曼散射显微成像技术近年来在生物医学领域的应用,包括检测、脂类分析和蛋白质构象变化等,最后对其未来发展进行了展望。

光场显微成像微尺度流场三维重建方法研究

现有三维显微粒子图像测速系统在获取示踪粒子空间位置时需要扫描或多视角成像,导致系统复杂,无法实现微尺度流动瞬态三维速度场测量等问题,为此,提出一种基于微透镜阵列的光场显微粒子图像测速技术。该技术利用单个相机一次曝光即可获取微流场中示踪粒子的瞬时光场信息,进一步结合基于波动光学理论的光场显微成像的点扩展函数模型,用反卷积算法重建出微尺度流场中示踪粒子的瞬时空间位置分布。分析讨论了重建分辨率和空间位置误差,并开展了微尺度流场重建实验研究,验证了光场显微成像微尺度流场重建方法的可行性。

结构光照明超分辨荧光与旋转相干散射双模态成像

超分辨荧光成像方法可以对不同亚细胞器进行纳米尺度的结构观测,其特异性来源于荧光标记,无标记成像方法避免了染色过程对样品本身带来的可能影响,但是丧失了特异性,因此二者具有互补性,各自有其独特的优势和应用范围。在同一仪器集成两种不同的成像技术可拓宽其应用场景。结合结构光照明超分辨显微技术(SIM)和旋转相干散射显微成像技术(ROCS),搭建了一套可以在两种模式之间任意切换的双模态显微成像系统。使用荧光微球标准样品和PANC-1胰腺癌细胞样品对系统进行测试,在SIM和ROCS通道分别得到了111 nm和145 nm的空间分辨率,并且可以达到100 Hz左右的成像速度。该系统具备高时空分辨率的荧光和无标记成像功能,为细胞生物学的研究提供了更多的便捷与可能。

光学元件表面浅划痕长度的定量检测研究

对于光学元件表面的浅划痕缺陷,在利用显微散射暗场成像技术对其进行定量检测的过程中,由于其成像亮度与背景光强非常接近,因此对疵病图像直接进行二值化处理将无法有效提取其中的划痕特征,从而影响定量检测结果的准确性。为了解决上述问题,提出了一种对于浅划痕长度的准确定量分析方法,其通过将疵病图像与背景图像相减后得到目标图像,进而对目标图像进行二值化处理和分析即可得到浅划痕的准确长度信息。该方法对于光学元件表面疵病的定量检测具有重要的意义和应用。