基于数字微镜器件的快速超分辨晶格结构光照明显微研究

超分辨结构光照明显微成像技术(super-resolution structured illumination microscopy,SR-SIM)具有时间分辨率高、光漂白和光毒性低和对荧光探针的要求少等优点,适用于活细胞的长时程超分辨成像.采用二维晶格结构光作为照明光,可以实现更快的成像速度和更低的光毒性,但同时也增加了系统的复杂性.为了解决此问题,本文提出了一种基于数字微镜器件的快速超分辨晶格结构光照明显微成像方法(digital micromirror device-based lattice SIM,DMD-Lattice-SIM),通过同步分时触发DMD和sCMOS相机的方式实现二维正交晶格结构光的产生,且只需要采集5幅相移原始图像即可重构出超分辨图像,相比于传统SR-SIM需要9幅相移原始图像的方法,图像采集时间减少了约44.4%.同时,在基于空域和频域联合的SIM重构算法(joint space and frequency reconstruction method-SIM,JSFR-SIM)的基础上,本文还发展了用于Lattice-SIM的JSFR超分辨图像重构方法(Lattice-JSFR-SIM),先在频域对原始图像进行预滤波处理;然后,在空域对滤波后的图像进行超分辨重构处理.与传统频域图像重构处理对比,该方法在512×512像素数的成像视场下重构时间减少了约55.6%,对于实现活细胞实时超分辨成像具有重要意义和应用价值.

超分辨近场结构光磁混合存储介质的温度场模拟

为了进一步减小光磁混合存储记录位尺寸,建立了用于光磁混合存储记录介质的超分辨近场结构膜层模型、近场光场模型及温度场模型,采用有限元方法对超分辨近场结构光磁混合存储介质记录层的温度场进行了计算模拟。计算中采用的光磁混合记录介质膜层结构为C(2 nm)/Sb(10 nm)/SiN(10 nm)/Co75Cr15Pt10(30 nm)。当写入温度为550 K时,随着入射激光功率的增加,光磁混合存储介质记录层温度场可写入区域面积增加。当激光功率从3.9 mW增至6.9 mW时,温度场可写入区域横向及纵向尺寸增加约1倍,记录密度减小至原记录密度的1/4。

光存储技术中超分辨近场结构研究进展

超分辨近场结构(Super-RENS)是近场光学存储中最具有潜力和应用前景的方案之一。介绍了Super-RENS从基本类型到第三代Super-RENS的发展历程,简述了掩膜材料的研究进展以及Super-RENS在不同记录系统中的应用。展望了它的发展前景。

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。

超分辨近场结构之纳米光刻技术

超分辨近场结构(Super-RENS)是在传统的超分辨光盘技术和近场光学的基础上发展起来的新技 术。介绍了超分辨近场结构的基本原理及其在纳米光刻方面的应用,拓展了超分辨近场结构的外延:在近场范 围内,能实现超过衍射极限的纳米多层膜结构。局域表面等离子体效应在高密光存储、纳米光刻等纳米光子学 研究领域具有重要的科学意义和应用价值。

超分辨近场结构光盘读出信号的计算模型

给出了超分辨近场结构光盘(Super RENS)读出信号的计算模型。以时域有限差分法为基础,结合高斯光束矢量模型和衍射方法,通过计算得到了物镜出瞳上的读出信号。计算结果表明,Super RENS具有超衍射极限的空间分辨能力,并且其读出信号的特征完全不同于传统光盘。

一种大视野超分辨结构光照明显微成像方法

近年来结构光照明显微术(SIM)在技术发展和应用方面都受到了广泛关注。然而,传统采用空间光调制器(SLM)进行条纹投影的SIM成像视野有限。为满足生物医学研究中高通量显微成像的需求,本文基于SIM开发一种基于激光干涉的大视野超分辨荧光显微成像系统。将用于投射条纹图案的2D光栅和用于控制条纹方向相移的SLM相结合,突破数字投影设备对条纹数量和精细度的限制。开发一种空域重建超分辨图像的算法来提高成像速度。最后,搭建1套结构光照明荧光显微成像系统样机,在20×放大倍数和物镜NA 0.75的条件下,验证了本文方法的有效性,在分辨率提升至1.8倍的同时视野可达1380μm×1035μm,所述空域超分重建算法能够大幅降低计算耗时。

双通道结构光照明超分辨定量荧光共振能量转移成像系统

基于结构光照明(structured illumination,SI)的超分辨荧光共振能量转移(super resolution fluorescence resonance energy transfer,SR-FRET)成像技术(SISR-FRET)可以通过解析活细胞内亚衍射区域的FRET信号来研究细胞器精细结构上的分子结构与功能.SISR-FRET成像中激发发射通道切换导致成像速度较慢,限制了SISR-FRET在快速成像中的应用.针对此问题,本文提出一种双通道结构光照明超分辨定量FRET成像系统和方法,通过在成像光路中加入FRET双通道成像和配准模块,实现了SISR-FRET激发发射通道的空分切换以及通道复用.结合通道亚像素配准校正的图像重建算法,双通道SISR-FRET可以在保持定量超分辨FRET分析的同时提升了3.5倍时间分辨率.利用搭建的多色SIM系统进行了活细胞表达靶向线粒体外膜FRET标准质粒的超分辨成像实验,验证了双通道SISR-FRET的时空分辨率增强和FRET定量分析的保真度.

聚集诱导发光分子在双光束超分辨光存储中的潜在应用

聚集诱导发光分子因其高效的发光性质而被广泛应用于生物成像、光波导和电致发光等领域,但在光信息存储领域还鲜有研究。与其他光存储材料相比,聚集诱导发光分子的局域密度变化会引发荧光强度的变化,这在光存储领域是一个显著优点。该文针对聚集诱导发光分子的特性,讨论了该类分子在超分辨光存储领域的可能应用方式,以及需要解决的关键问题。

光学超分辨近场技术在光存储中的应用

超分辨近场结构技术是在传统的超分辨光盘技术和近场光学的基础上发展起来的新技术。本文介绍了超分辨近场结构技术的基本原理,综述了该技术在纳米光信息存储和光刻方面应用研究的最新进展,提出了存在的问题,展望了它的发展前景。

超分辨近场结构中Bubble微结构的远场光学特性分析

以菲涅尔-基尔霍夫衍射理论为基础,建立了超分辨近场结构中Bubble微结构对高斯光束的衍射模型.分析了PtOx型超分辨近场结构(PtOx-Type-Super-RENS)中Bubble微结构的远场光学特性.结果表明,设计的Bubble微结构形成过程的简化模型可基本反映超分辨近场结构中掩膜结构在激光作用下的结构变化过程,说明了高斯衍射模型是研究薄膜微结构变化的一种有效方法.

超分辨近场结构光盘的研究进展

超分辨近场结构(Super-RENS)光数据存储方案在近场超高密度光数据存储方面具有巨大的发展潜力和广阔的发展前景。在此方案中,超分辨结构的非线性层起着至关重要的作用。本文简述了Super-RENS光盘中两种类型光盘的结构及优点,并着重介绍了其工作机理的研究进展。

超分辨近场结构技术及其应用

超分辨近场结构(Super RENS)技术是在传统的超分辨光盘技术和近场光学的基础上发展起来的新技术。介绍了Super RENS技术的基本原理:利用掩膜层的非线性效应或表面等离子体增强效应,在近场区域可以记录、读出超过衍射极限的信号。综述了该技术在纳米光信息存储和光刻方面应用研究的最新进展,提出了存在的问题,展望了它的发展前景。

结构光照明超分辨光学显微成像技术与展望

结构光照明显微镜(Structured Illumination Microscopy,SIM)通过结构化照明在频率域以空间混频的方式将物体高频信息载入光学系统的探测通带内实现突破衍射极限的超分辨光学显微成像。SIM凭借其较低的激发光强、对荧光染料的非特异性需求以及快速的宽场成像优势已成为活细胞超分辨光学显微成像方面应用最多的技术。本文系统回顾了SIM的技术进展,对SIM的基本原理与实现方法进了详细的分析,重点介绍了本课题组研发的基于光谱分辨的单光子激发超分辨显微镜和结合自适应光学的双光子激发超分辨显微镜这两种最新的SIM技术,最后简要讨论了SIM技术在生物成像中的应用及未来发展方向。

结构光照明显微空间域超分辨图像重建研究

以π/2相移间隔的结构光照明显微图像为输入,通过图像差分、数学推导及简化构建一个数学模型,在空间域直接解析得到超分辨图像。理论验证该模型可将传统显微的横向分辨率提高1倍,并可减少离焦背景干扰。在基于数字微镜器件的结构光照明显微系统中,对荧光微球及牛肺动脉内皮细胞进行空间域超分辨重建实验,验证了算法的有效性。获得的超分辨效果与频域重建法相近,但图像重建速度快约5倍。该研究有助于扩展结构光照明显微的应用范围,对活细胞和组织的长时间在体监测具有良好的应用潜力。

超分辨光存储研究进展

随着大数据和人工智能等信息技术日新月异,各行各业对数据信息存储的要求与日俱增。当前,以磁控存储技术为主的信息存储方式普遍存在寿命低、能耗高的缺点。与磁存储技术相比,光学数据存储技术具有能耗低、数据安全性高等优势,然而其数据存储容量受到光学衍射极限的极大制约。如何突破光学衍射极限,提升光存储技术光学系统的分辨能力,从而增加光学存储系统数据存储容量,是目前光存储技术进一步与大数据和云计算等信息技术融合的关键。本文阐述了基于超衍射极限分辨率的光学存储技术的原理和国内外发展现状,包括远场超分辨的三维光存储(如基于双光子吸收过程和饱和受激发射损耗荧光过程光数据存储)和近场超分辨二维光存储(如近场探针扫描显微存储、近场固体浸没透镜存储和超分辨近场结构存储)。最后,对基于超分辨光学存储技术当前存在的问题及未来发展方向进行了讨论。

面向产业化应用的双光束超分辨数据存储技术

光学数据存储技术虽然在存储寿命和功耗上具有显著优势,但在应对大数据纵深发展趋势时,目前的一些光存储技术在容量和密度方面面临严峻的挑战。相比于其他光存储技术,双光束超分辨光学数据存储技术在光学大数据存储产业化方面展现了明显的容量和密度优势。本文针对双光束超分辨光存储技术,全面介绍了该技术在光存储技术产业化应用中亟待解决的核心关键问题,并着重讨论了解决这些问题所需要采用的基本方法。

北大、华科研发出超灵敏结构光超高分辨率显微镜

北京大学陈良怡团队联合华中科技大学谭山团队发明了一种超灵敏结构光超高分辨率显微镜--海森结构光显微镜（Hessian SIM）。此项成果近日以全文形式在线发表于Nature Biotechnology。第一作者为北京大学黄小帅、华中科技大学范骏超和北京大学李柳菊,通讯作者为北京大学陈良怡、华中科技大学谭山。

近场光存储及其研究进展

本文从近场光学的超分辨原理出发详细介绍和分析了孔径探针型近场光存储技术、SIL透镜近场光存储技术和近场超分辨结构光盘存储技术等的基本原理。

近场光学在高密度存储中的应用

近场光学在高密度存储方面有着很大的潜力 ,使得近场光学存储近年来得到了广泛的关注。近场光学存储具有高密度大容量及可以利用许多已有相关技术等优点 ,预计近场光学存储密度能达到 7Gbit/ cm2 ;它还可以采用硬盘驱动器中的空气悬浮磁头技术和磁光存储中的技术等 ,使近场存储的研究和开发更加迅速。目前 ,近场光学存储主要有三种方案 :探针型方案、超分辨率近场结构、固体浸没透镜方案 ,这三种方案都是通过不同的方法缩小记录光斑来实现高密度的存储。介绍了近场光学存储的原理、研究现状及材料 ,并对三种近场存储方案的实现方法和发展概况作了详细的阐述 。