基于专利数据的全球太赫兹近场显微成像技术发展状况分析与我国发展对策研究

近年来,太赫兹技术迅猛发展,太赫兹近场显微成像技术既是太赫兹领域的重点也是难点。本文从多角度分析太赫兹近场显微成像领域专利技术发展状况,包括技术演进趋势、地域布局、申请人分布、技术领域分布和重点申请人技术策略分析,并从上述维度为国内创新主体把握技术趋势、规划研发方向、进行技术布局保护及制定竞争策略等提供了较详细深入的客观信息与参考建议。

基于显微高光谱成像技术判别食源性致病菌种类的方法研究

如何实现对食源性致病微生物的早期快速检测是全球食品安全领域面临的挑战之一。传统的致病菌生化检测方法虽然准确性高,但是过程复杂、耗时漫长,易错过控制疫情爆发的窗口期。该研究提出一种基于暗场显微高光谱成像技术的检测方法,能够借助显微镜技术突破传统光谱成像的灵敏度和分辨率极限,并利用可见/近红外光谱为单个致病菌细胞添加高分辨率的图像和光谱信息。以空肠弯曲杆菌、大肠埃希氏菌O157:H7和鼠伤寒沙门氏菌为检测对象,采用显微高光谱成像技术进行数字化表征和数据采集,结合双向长短期记忆网络(Bi-LSTM)算法对各致病菌细胞的图像和光谱数据进行建模分类。结果显示,显微尺度的致病菌光谱数据呈现可判别的分布规律,新采用的Bi-LSTM网络在光谱数据集中表现优异,在三种致病菌的分类任务中取得了91.0%的平均准确率,而传统的线性判别分类器(LDA)和支持向量机分类器(PCA-SVM)的平均准确率分别为80.1%和88.5%。但是,仅依赖光谱数据进行致病菌种类判别仍然存在较为严重的假阳性问题,尤其是在大肠埃希氏菌O157:H7和鼠伤寒沙门氏菌的分类中存在错误分类。图像信息的加入则能够显著改善各分类的识别准确率,其中Bi-LSTM分类器取得了高达98.1%的准确率,LDA和PCA-SVM均取得了95.3%的准确率。研究结果表明,显微高光谱成像技术在食源性致病菌的特异性光谱和图像表征中具有优势,提出的Bi-LSTM网络能够直接处理高维的图谱特征,两种技术的融合在食源性致病菌细胞级别的早期检测应用中展现潜力。

活细胞应激反应过程中线粒体和核仁微环境动力学的荧光寿命成像研究

核仁和线粒体在维持细胞平衡发挥重要作用,研究其生理过程有助于深入了解生物学功能.本文采用一种红色荧光的芘罗丹明荧光探针在不同条件下靶向标记细胞线粒体和核仁.通过激光共聚焦成像和荧光寿命成像技术分析HeLa细胞在光照和药物刺激下细胞凋亡的形态变化,并利用相图定量分析了线粒体与核仁的微环境变化,确定在稳态HeLa细胞中探针标记到的线粒体的平均荧光寿命约为3.65 ns,线粒体黏度约为66×10^(-3)Pa·s.在激光光照后,探针标记到HeLa细胞线粒体的荧光寿命降至3.61 ns,对应线粒体黏度增至约131×10^(-3)Pa·s;使用紫杉醇和秋水仙碱诱导细胞凋亡,观察到探针标记于HeLa细胞核仁的荧光寿命先增加后降低,反映了在HeLa细胞凋亡过程中核仁微环境的变化,证明HeLa细胞在非稳态情况下核仁和线粒体的功能变化,为线粒体和核仁功能障碍相关疾病研究提供了新的研究方法.

用于荧光显微技术的多波长激光耦合系统

为了满足荧光显微镜技术对多波长单模耦合输出激光的需求,研究了400~680 nm内多波长激光耦合进单模光纤的技术,设计了三片式耦合透镜组很好地消除了不同波长耦合时的色差以提高耦合效率,同时考虑光纤耦合调试难度大的问题,设计了能快速简单完成耦合调节的耦合光纤部件结构以及耦合调试的方法,通过实验测试荧光成像常用的4种波段激光(405,488,561,638 nm),耦合效率均大于65%。实验结果达到了较高的光纤耦合水平,证明该多波长激光耦合器性能优异。同时,由于耦合器装调简单且成本低,本文的工作具有进一步商业化的价值,且为多波长单模耦合激光器国产化打下了坚实的基础。

荧光寿命成像显微技术

介绍荧光寿命成像显微（FLIM）技术及其在生物物理、生物化学及临床医学诊断等领域的最新研究成果和发展现状，并就其未来的发展及应用研究进行了讨论。

基于光子晶体的生物力显微成像

目的人体器官芯片是一种变革性的前沿生物芯片技术,在药物研发、疾病模型构建、个性化诊疗、环境评估等领域有重要应用。机械力在调控器官发育、稳态维持和疾病发生中扮演关键角色。如何实现器官芯片力学信息的高灵敏高通量检测,成为制约人体器官芯片发展的瓶颈之一。为此,提出基于光子晶体的器官芯片生物力测量技术。方法利用光子晶体的带隙效应,将细胞力引起的形变转化为颜色变化,以实现生物力信息的实时、高灵敏成像。建立基于颜色-形变-应力的解析方法,从而实现细胞垂直力的测量。通过可降解水凝胶支架“锁定”自组装纳米粒子,抑制光固化过程对粒子排列的扰动,开发了牺牲支架介导的胶体自组装技术,制备了组分可控、力学性能可调的任意三维结构的光子晶体基底。进而利用双光子吸收效应进行空间测绘,实现微米级光子晶体传感单元与厘米级器官芯片的精准装配。结果最终实现光子晶体生物力显微成像方法的构建,可对器官芯片内垂直细胞力进行宽视场(1.3 mm×1.0 mm)、高速(50帧/s)的成像。结论通过对离散细胞、细胞片层、类器官等生物样本在相应刺激下的力学信息的测量与分析,展现了光子晶体生物力显微镜在生理病理过程研究与药物、疫苗筛选中的重要价值。

基于点扫描的高时空分辨荧光显微成像技术进展

激光点扫描荧光显微镜凭借高分辨率、高灵敏度、高特异性、可光学层切三维成像和动态成像等优势,已成为生命科学研究中广泛应用的重要工具.随着研究者对生命科学研究的逐渐深入,由于受光学衍射极限影响和逐点扫描探测的限制,传统点扫描共聚焦显微镜的时空分辨率已无法完全满足相关研究需求,在实际应用中面临诸多挑战.近二十年来,超分辨荧光显微成像技术取得了重要进展,研究人员发展了多种高空间分辨率、高时间分辨率的点扫描荧光显微成像技术,对于生物成像等具有重要意义.然而,有关该领域最新进展的综述论文较少,系统地讨论、总结基于点扫描的高时空分辨荧光显微成像技术的研究进展,对于其未来研究发展极为重要.本文主要从时间分辨率与空间分辨率两个维度分别介绍了各类点扫描荧光显微成像技术的基本原理及相关进展,并介绍了高时空分辨显微成像技术及应用,最后讨论展望了高时空分辨点扫描荧光显微镜的未来发展趋势和挑战.

荧光寿命显微成像技术及应用的最新研究进展

由于荧光寿命不受探针浓度、激发光强度和光漂白效应等因素影响,荧光寿命显微成像技术(fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM)在监测微环境变化、反映分子间相互作用方面具有高特异性、高灵敏度、可定量测量等优点,近年来已被广泛应用于生物医学等领域.然而,尽管FLIM的发明和发展已历经数十年时间,其在实际应用中仍然面临着许多挑战.例如,其成像分辨率受衍射极限限制,而其成像速度与成像质量和寿命测量精度则存在相互制约的关系.近几年来,相关硬件和软件的快速发展及其与其他光学技术的结合,极大地推动了FLIM技术及其应用的新发展.本文简要介绍了基于时域和频域的不同寿命探测方法的FLIM技术的基本原理及特点,在此基础上概述了该技术的最新研究进展,包括其成像性能的提升和在生物医学应用中的研究现状,详细阐述了近几年来研究者们通过硬件和软件算法的改进以及与自适应光学、超分辨成像技术等新型光学技术的结合来提升FLIM的成像速度、寿命测量精度、成像质量和空间分辨率等方面所做的努力,以及FLIM在生物医学基础研究、疾病诊断与治疗、纳米材料的生物医学研究等方面的应用,最后对其未来发展趋势进行了展望.

荧光共振能量转移-荧光寿命显微成像(FRET-FLIM)技术在生命科学研究中的应用进展

细胞是动植物结构和生命活动的基本单位。细胞过程的一个重要特点就是其生化组分在时空调控上的相互作用关系。然而,利用传统的生化方法(如酵母双杂交系统、pull-down系统等)很难在空间上评估活细胞内分子间的相互作用。光学技术的快速发展,为研究活细胞中生物分子的时空动态提供了新的遗传研究工具,其中荧光共振能量转移-荧光寿命显微成像(FRET-FLIM)技术在实时探测分析活细胞中生物大分子构象变化和分子间动态相互作用过程具有独特的优势,如:实现对活细胞的实时“可视化”研究,同时具有高时空分辨率;检测更加灵敏、结果可信度高;且基于简易的数学运算完成简单快捷的分析程序。介绍FRET-FLIM技术的理论背景知识,对比了该技术与传统蛋白相互作用技术研究的利弊,同时归纳了其在蛋白相互作用、细胞生物学和疾病诊断等方面的最新应用研究进展,最后总结和讨论了FRET-FLIM技术的未来发展趋势,以期能够为揭示活细胞的结构和细胞过程相关研究提供新的见解。

荧光寿命成象显微技术及其应用

本文综述了荧光寿命成象显微技术的概念、原理及实现方法，介绍了荧光寿命成象显微技术在生物物理、生物化学及临床医学诊断等领域的最新研究成果和发展现状，并就其未来的发展及应用研究进行了讨论．

基于ICCD的快速荧光显微成像技术及在活细胞研究中的初步应用

利用像增强型CCD、氩离子激光器和氙灯等建立了一套快速荧光显微成像系统,并初步应用于活细胞研究。实时观测和拍摄了大鼠脑微血管内皮细胞增殖分裂过程中细胞内钙敏感荧光探针Fluo-3标记的钙离子浓度分布快速变化的图像,并选取动态图像中四个典型的点给出荧光强度灰度值的变化曲线。该系统可用于高灵敏实时记录活细胞内基于荧光显微成像的快速变化过程,为活细胞的研究提供了一种很好的观察和分析手段。

自适应光学技术在深层动态荧光显微成像中的应用和发展

荧光显微成像技术是开展微观生命科学研究的重要手段和工具,使用该技术可以观察生物体内的精细结构、动态追踪生物体内组织、细胞、细胞核、蛋白、小分子等不同尺度的生命活动过程。其中,研究深层组织高时空分辨率荧光显微成像技术,是当前成像领域一个前沿问题。应用自适应光学技术实时补偿经由不透明散射、非均匀生物组织传播而引入的复杂波前畸变已被证实是实现上述技术的一种有效途径。文中首先归纳了深层动态荧光显微成像的需求和特点,随后分别介绍了自适应光学技术近几年在共聚焦显微成像、随机光学重构显微成像、光激活定位显微成像、受激辐射光淬灭显微成像、双光子/多光子激发显微成像中的相关应用,并对今后的研究问题和发展方向提出展望。

荧光显微成像技术应用于生物样品中氧氟沙星的检测

应用毛细流自组装成环荧光显微成像技术,建立了溴化十六烷基三甲胺(Cetyltrimethylammoniumbromide,CTMAB)-Al 3+-氧氟沙星(Ofloxacin,OFLX)三元荧光体系(CTMAB-Al 3+-OFLX)测定氧氟沙星的方法,并实测鸡灌喂氧氟沙星药片后血液中药物浓度、人体尿液中氧氟沙星浓度及蜂蜜、氧氟沙星片剂、滴眼液中氧氟沙星的含量,均得到满意结果。在pH9.50NH3-NH4Cl缓冲介质和聚乙烯醇-124存在下,溴化十六烷基三甲胺-Al 3+-氧氟沙星三元配合物在疏水性玻璃表面上受热挥发形成的自组装环直径为1.63mm,环线宽为50μm。当点样体积为0.20μL,氧氟沙星在3.30×10-13～1.65×10-12 mol.ring-1(0.60～2.98mg.L-1)范围内,荧光强度与药物浓度有良好的线性关系(r=0.999 2),检测限为4.10×10-15 mol.ring-1(7.41μg.L-1)。此法用于鸡灌胃氧氟沙星2h后血药中药物浓度的测定,回收率为96.4%～101.2%;检测了三名健康志愿者服用氧氟沙星片剂后尿液中氧氟沙星的浓度,发现服药后3h尿液中药物浓度最高,回收率在98.2%～106.1%。应用于三种蜂蜜中氧氟沙星残留量的测定,回收率为98.2%～106.1%,相对标准偏差小于2.3%;检测了氧氟沙星片剂、滴眼液中有效成分的含量,与标示量相近,回收率分别为93.5%～101.5%和95.8%～104.2%,RSD为3.5%和3.6%。

自组装成环荧光显微成像技术在抗生素残留量检测中的应用

提出了一种基于溶剂毛细流效应的微波加热自组装成环荧光显微成像技术,并应用于内蒙古乳都乳中抗生素残留量检测。在六氢吡啶反应介质和聚乙烯醇-124(PVA-124)存在下,将米诺环素液滴滴在疏水性玻璃表面上,当液滴受热挥发时,形成直径约为1.54mm,环带宽为22.6μm的自组装环。当点样体积为0.30μL时,线性范围为4.2×10-12～1.8×10-11mol·ring-1(1.4×10-6～0.60×10-5mol·L-1),方法的检测限(3σ)为4.2×10-13mol·ring-1(1.4×10-7mol·L-1)。应用于内蒙古乳都乳中残留米诺环素和米诺环素胶囊中米诺环素含量的检测,回收率分别为97.2%～103%和99.4%～102%,相对标准偏差(RSD)小于1.2%。该方法建立了高灵敏、高选择性的痕量药物污染物分析新方法,为内蒙古地方优势资源产品——乳品中抗生素类药物残留量的定量检测提供理论依据,同时对不同地区乳品中抗生素的来源、残留情况的系统动态研究及对乳品行业的管理、监督等具有重要的现实意义和更广泛的应用前景。

镁敏化美他环素荧光显微成像技术应用于北京市密云县养殖场生鲜乳抗生素残留量的检测

采用抗生素治疗奶牛乳腺炎是目前普遍采用的一种方法,因此牛奶中抗生素残留问题倍受国际社会关注。寻求简便可行、灵敏度高的检测技术,以适用日趋严格的残留限量要求,保障人们安全、卫生地饮用牛奶至关重要、迫在眉睫。基于固载表面溶剂毛细流的自组装环效应,采用镁敏化美他环素荧光显微成像技术检测了北京市密云县4家养殖场生鲜乳中美他环素残留量,建立了一种检测新方法。实验表明,在pH9.99NH3-NH4Cl缓冲溶液及聚乙烯醇-124存在下,镁和美他环素能形成较强荧光的1∶1配合物,并在憎水性玻片表面形成自组装环,环直径0.93mm,环线宽26.2μm。当点样体积为0.50μL时,线性范围为2.2×10-13～3.6×10-12mol.ring-1(4.4×10-7～7.2×10-6mol.L-1),检测限(3σ)为8.8×10-14mol.ring-1(1.8×10-7mol.L-1)。应用于生鲜牛奶样品中抗生素的检测,得到了满意结果,回收率为93.8%～108%,RSD小于4.3%。

大鼠原代脂肪细胞中单个GLUT4囊泡的成像——全内反射荧光显微成像技术的应用

本研究采用高斯拟合算法与全内反射荧光显微技术(TIRFM),通过实时动态的单粒子追踪拍摄来分析原代培养大鼠脂肪细胞基础条件及胰岛素刺激下细胞膜附近绿色荧光蛋白(GFP)标记的GLUT4囊泡的运动变化.使用高斯拟合来消除光学成像系统中发生的原始样品中单像素点荧光强度值的污染,重建出囊泡真实的中心点荧光强度值.通过对序列图像中的囊泡点应用高斯拟合和相应的搜索算法,得到所有囊泡的高斯中心点荧光强度值序列,继而描绘出囊泡的动态转运路径.结果表明,基础条件下膜附近的多数GLUT4囊泡处于沿同一路径的快速长距离转运状态;胰岛素刺激后,长距离转运的GLUT4囊泡数量减少,多数GLUT4囊泡固定成团或者在原地摆动呈限制性的运动.当GLUT4囊泡锚定至膜上后,即迅速与膜融合.说明高斯拟合算法及全内反射荧光显微技术的结合可以很好地实现囊泡纳米尺度的三维实时追踪.

二组分荧光寿命成像显微术的研究

用ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ方法研究了激发光的调制频率、ＣＣＤ所记录到的光强度、荧光寿命的大小以及权值对二组分荧光寿命成像显微术的频域外差法测量及数据处理精度的影响，提出了改进测量精度的方法，如选择合适的调制频率和染料，使调制频率ω和荧光寿命τ满足（１４）和（１５）式；增大ＣＣＤ的积分时间等。

微波加热自组装成环荧光显微成像技术在环境水样中的应用研究

提出了一种基于溶剂毛细流效应的微波加热自组装成环荧光显微成像技术在环境水样中的应用方法。在pH 4.58的HAc-NaAc反应介质和聚乙烯醇-124存在下,盐酸小檗碱液滴在疏水性玻璃表面上受热挥发形成直径为1.1 mm,环带宽为19.2μm自组装环（self-ordered ring,SOR）,其荧光被苦味酸猝灭,猝灭强度与苦味酸的浓度成正比。当点样体积为0.1μL时,线性范围为1.3-30.0×10^-7mol·L^-1,方法的检测限为1.3×10^-8mol·L^-1。应用于天然水样及合成水样分析,回收率为96.3%-108.0%,RSD小于3.3%。该方法灵敏度比斑点分析提高50倍,比液相分析方法提高了60倍,且来源于背景的干扰大大降低。检测方法在环境、生化等领域具有广泛的实用性和优越性。

二次谐波/双光子激发荧光显微成像技术定量评估非酒精性脂肪性肝病小鼠模型肝纤维化的价值

目的通过二次谐波(SHG)和双光子激发荧光(TPEF)显微成像技术分析非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)小鼠模型胶原参数动态变化,找出并建立适合蛋氨酸胆碱缺乏饲料(MCD)诱导的NAFLD小鼠的自动化定量评估参数,为SHG/TPEF显微成像技术应用于临床提供实验依据。方法 获取MCD饮食小鼠不同时间点(0、4、8、12、16、20和24周)的肝组织标本,行HE、Masson和天狼猩红(SR)染色,并计算胶原蛋白比例面积(CPA)和羟脯氨酸(HYP)。使用SHG/TPEF纤维成像技术分析100个胶原参数。以造模后不同时间点和不同纤维化分期(S0~S4)为标准,采用支持向量机算法(SVM)模型分析胶原参数,并对参数行受试者工作特征曲线(ROC 曲线)分析,同时与CPA、HYP进行比较。结果 在MCD小鼠模型中,HE和SR染色后可以观察到随着造模时间的延长,肝小叶内脂肪变形成,纤维化逐渐加重。分别基于造模不同时间点和不同肝纤维化分期,选出26和27个参数;进一步采用SVM模型分析筛选出7个共同参数(#StrCV、#ShortStrCV、#ThickStrCV、#StrPTAgg、#StrPSAgg、#LongStrPSAgg和StrLengthPSAgg)并进行论证,7个参数与不同肝纤维化分期相关的ROC曲线下面积(AUC)为:0.857~0.923, P <0.05,与不同时间点相关的AUC为:0.823~0.976, P <0.05。进一步比较7个参数和CPA及HYP对肝纤维化的预测价值,发现7个参数的AUC在分期0 vs 1~4时,与CPA和HYP的AUC值接近,其他分期比较,7个参数的AUC值均高于CPA和HPA;同样在造模后不同的时间点,发现7个参数的AUC在造模早期0 vs 4周时,与CPA和HYP的AUC值接近,造模4周后比较,7个参数的AUC值均高于CPA和HPA。结论 7个与纤维化阶段和不同时间点相关的参数组合,可以准确反映MCD诱导的NAFLD模型不同分期和不同时间点的肝纤维化变化,可用于该模型中以定量的方式具体、准确地监测肝纤维化进展。