基于环形光瞳提高荧光辐射差分超分辨显微镜的成像分辨率

荧光辐射差分(FED)显微术利用实心光斑扫描的一幅共聚焦图像减去空心光斑扫描的负共聚焦图像,实现了超分辨成像。使用简单的环形光瞳滤波器提高了无变形FED的成像分辨率。在空心焦斑光路上使用合适的环形光瞳滤波器,压缩空心焦斑的尺寸;同时,在实心焦斑的光路上允许使用更高数值孔径的孔径光阑,获得更小的、与空心焦斑相匹配的实心光斑分布:两方面作用下,提高了FED的空间分辨率。     

共焦扫描荧光显微镜的信噪比与信息量

在研制用于对厚的生物样品进行光学断层成像的共焦扫描荧光显微镜时，由于成像信号十分微弱及存在很强的多次散射作用，因此杂散光的抑制非常重要，而信噪比、信号背景比就成为决定能否获得高对比度、高分率图像的关键。运用光学信息量的概念，在已有的光学成像系统信息量计算、共焦扫描荧光显微镜信噪比及传递函数计算的基础上，详细分析了共焦扫描荧光显微镜信息量与信噪比等之间的定量关系。该关系表明，为了充分利用共焦扫描荧光显微镜的成像性能，必须选择适当的探测小孔。所得的结果对于共焦扫描荧光显微成像系统的研制有重要的实用价值。     

基于双螺旋点扩散函数工程的多焦点图像扫描显微

在传统共聚焦显微技术的基础上,图像扫描显微技术使用面阵探测器来代替单点探测器,结合虚拟数字针孔并利用像素重定位和解卷积图像重构算法将传统宽场显微镜的分辨率提高一倍,实现了高信噪比的超分辨共焦成像.但是,由于采用逐点扫描的方式,三维成像速度相对较慢,限制了其在活体样品成像中的应用.为了进一步提高图像扫描显微术的成像速度,本文提出了一种基于双螺旋点扩散函数工程的多焦点图像扫描显微成像方法和系统.在照明光路中,利用高速数字微镜器件产生周期分布的聚焦点阵对样品进行并行激发和快速二维扫描;在探测光路中,利用双螺旋相位片将激发点荧光信号的强度分布转换为双螺旋的形式;最终,利用后期数字重聚焦处理,从单次样品扫描数据中重构出多个样品层的超分辨宽场图像.在此基础上,利用搭建的系统分别对纤维状肌动蛋白和海拉细胞线粒体进行成像实验,证明了该方法的超分辨能力和快速三维成像能力.     

共焦扫描荧光显微镜的信噪比与测量精度

激光扫描共焦显微术和多光子显微术等新的显微成像技术可以对厚的生物样品实现光学断层成像 ,因而在生物医学诊断领域具有重要的应用前境。在Fried的一维分辨度理论的基础上 ,系统地讨论了运用共焦扫描荧光显微术在进行光学断层成像时 ,其光学断层平面分辨度与信噪比之间的定量关系 ,建立了实际显微成像系统平面测量精度的定量计算方法。所得出的结果对于选择共焦扫描显微成像系统的最佳参数及评价所设计的显微成像系统的性能具有重要的意义。     

双光子激发时间分辨荧光光谱测量技术

建立了一台基于高重复频率扫描相机的双光子激发时间分辨荧光光谱测量系统，能够同时测量样品的荧光光谱和寿命. 该系统的时间分辨率为6.5—200ps，光谱分辨率为1—3nm，能够实现快速数据采集以及可靠和可重复的寿命和光谱测量. 利用标准荧光染料(若丹明6G、香豆素314)及其混合溶液对该系统进行了测试，所得到的荧光光谱分布和寿命值与文献报道一致. 实验结果表明，该系统能有效区分多组分荧光团. 这为鉴别多荧光团或多组分生物组织提供了一种独特的对比方法，可用于多光谱分辨荧光寿命成像和荧光共振能量转移成像等方面. 关键词： 荧光寿命 荧光光谱 双光子激发 高重复频率扫描相机     

超分辨率成像荧光探针材料应用进展

为了进一步认知复杂环境中的细胞生物学过程,研究人员发展了各种各样的生物成像技术。在这些技术中,生物荧光成像因简单的成像条件以及对生物样品的相容性而得到了广泛的发展。然而,传统的荧光成像技术受到了光学衍射极限的限制,无法分辨低于200 nm的空间结构,阻碍了对亚细胞结构的生物学过程研究。超分辨荧光显微镜技术突破了传统光学衍射对成像分辨率的限制,能够获取纳米尺度的细胞动态过程。除了对传统的宽场荧光显微镜框架的改进及升级改造之外,目前典型的超分辨成像显微镜技术通常依赖于荧光探针材料的光物理性质。常用的荧光探针材料包括荧光蛋白、有机荧光分子和纳米荧光材料等。本文介绍了几种主流的超分辨荧光显微成像技术并总结了已经成功应用到超分辨生物荧光成像中的荧光探针材料的应用进展。     

超分辨率活体人眼视网膜共焦扫描成像系统

活体人眼共焦扫描成像系统的分辨率受到人眼像差、数值孔径和探测针孔尺度的限制,本文设计了一套超分辨活体人眼视网膜共焦扫描系统,采用自适应光学技术探测并校正人眼像差,结合光学超分辨技术提高系统分辨率,补偿有限尺度针孔对分辨率的影响,并获得活体人眼的实时、高分辨图像. 关键词： 超分辨 共焦扫描光学显微术 眼科光学 自适应光学     

基于点扫描的超分辨显微成像进展

光学显微镜一直推动着现代科学技术的发展.随着科学的进步,对显微成像分辨率的要求在生物、材料等领域日渐凸显,而常规宽场显微成像一直面临着成像分辨率衍射受限的问题.1968年出现的共聚焦显微镜作为点扫描显微镜的开端第一次实现了远场下成像分辨率的突破,它具有层切性好、信噪比高等优点.在1994年出现的受激辐射荧光损耗显微镜将显微成像能力突破到2.8 nm左右,并成为目前效果最佳、应用较广泛的超分辨显微技术.荧光差分显微和饱和荧光吸收竞争等点扫描技术具有无荧光染剂限制、饱和光强低、光路简单等优势,并且能取得1/6波长的分辨能力,进而在超分辨显微领域仍有着发挥空间.Airyscan技术作为以上方法的补充可以弥补点扫描系统中由于探测小孔半径减小而带来的信号丢失,从而提高成像信噪比和分辨率,但阵列探测器成本较高.上述点扫描显微镜通过改变照明或者探测的方式实现了分辨率突破.本文详细讨论了点扫描超分辨方法的原理、成像效果及面临的瓶颈,并分析了点扫描超分辨显微镜在应用和技术上的趋势.     

散斑照明宽场荧光层析显微成像技术研究

介绍了一种新的宽场荧光层析显微方法.在传统宽场显微镜中引入散斑图案照明样品,控制散斑图案的动态变化,利用CCD相机记录对应的一系列荧光图像.由于焦平面内强度变化远比焦平面外强度变化剧烈,通过合适的算法能够获得焦平面的层析分辨的荧光显微图像.标定了系统参数,并研究了不同的图像重建算法对系统性能的影响,获得了不同生物组织样品的层析图像.实验表明,该显微方法能用于组织光学切片成像,在临床医学中具有实际应用价值. 关键词： 荧光 散斑照明 荧光显微 层析     

图像复原式整形环形光横向超分辨共焦显微测量新方法

提出一种新的图像复原式整形环形光横向超分辨共焦显微测量法. 该方法首先利用二元光学器件，将高斯照明光束整形为环形光束，用于初步改善共焦显微镜的横向分辨力，然后利用基于最大似然估计法(maximum likelihood estimate, MLE)的单幅图像超分辨复原技术，重建测量图像的高频信息，来进一步改善共焦显微镜的横向分辨力. 实验表明,当λ=632.8nm，N.A. =0.85时，该方法能使共焦显微镜获得优于0.1μm的横向分辨力. 利用该方法建立的横向超分辨共焦显微系统除了具有显著的超分辨效果外 关键词： 超分辨 超分辨复原 最大似然估计 共焦成像     

Deep learning facilitated whole live cell fast super-resolution imaging

A fully convolutional encoder-decoder network (FCEDN), a deep learning model, was developed and applied to image scanning microscopy (ISM). Super-resolution imaging was achieved with a 78 μm×78 μm field of view and 12.5 Hz-40 Hz imaging frequency. Mono and dual-color continuous super-resolution images of microtubules and cargo in cells were obtained by ISM. The signal-to-noise ratio of the obtained images was improved from 3.94 to 22.81 and the positioning accuracy of cargoes was enhanced by FCEDN from 15.83±2.79 nm to 2.83±0.83 nm. As a general image enhancement method, FCEDN can be applied to various types of microscopy systems. Application with conventional spinning disk confocal microscopy was demonstrated and significantly improved images were obtained.     

Dual-color prism-type TIRFM system for direct detection of single-biomolecules on nanoarray biochips

This study examined the applicability of a prism-type simultaneous dual-color total internal reflection fluorescence microscopy (TIRFM) system for the simultaneous detection of nano biomolecules on nanoarray biochips at the single-molecule level. The dual-color TIRFM system with two individual laser beams and a high-sensitivity camera was used for the simultaneous dual-color detection of two different nano beads (i.e. 20 nm yellow–green and crimson fluorescent FluoSpheres beads), and single-protein molecules labeled with different fluorescent dyes (i.e. actin from rabbit muscle conjugated with Alexa Fluor^® 488 and Alexa Fluor^® 633 goat anti-rabbit IgG) without a time-delay and the need to move the sample. When this system was applied to two different single-protein molecules labeled with different fluorescent dyes on the GPTS/CHI/GA-modified glass nanoarray chip, the full images of the biomolecules at the single-molecule level were obtained simultaneously in two different colors using a Dual-View™. The dual-color TIRFM system is quite suitable for the biological imaging at the single-molecule level on nanoarray biochips. This study provides a benchmark for directly monitoring the interactions and detecting the colocalization of two different nano biomolecules, and can be applied to the development of a nanoarray biochip at the single-molecule level.     

一种实现共焦显微镜空间微分成像的新方法

提出了一种实现共焦显微镜空间微分成像的新方法。为了获得空间微分图像,首先利用时间分辨技术结合互补调制技术,获得两束相位相反的调制光,然后利用这两束相位相反的调制光结合共焦扫描技术,实现共焦显微镜的空间微分成像。实验表明:这种空间微分技术可以准确实现共焦显微镜的空间微分成像,从而获得成像物体的边缘轮廓和实现边缘增强。     

线扫描虚拟结构调制共聚焦显微成像

共聚焦显微镜的分辨率受光学衍射极限限制。已经证明结构调制在共聚焦显微镜中可以实现超分辨成像,但是由于图像采集速度有限,导致该方法的实际应用具有局限性。为了提高系统的成像速度,本文介绍了一种将线扫描应用到结构调制共焦显微镜的方法。利用柱面透镜产生线照明,余弦数字掩模用于探测端的解扫描线斑图像调制,与虚拟结构探测方法不同之处在于无需后续的移频过程。为了提高各项同性分辨率,采用样本转动的方式实现0°、90°两角度扫描。仿真和实验结果表明,相干传递函数频谱宽度增大,成像分辨率达到传统共聚焦显微镜的1.4倍。与采集单点图像的结构调制共焦显微镜相比,图像采集速度提高了104倍。     

基于最大似然法的共焦拉曼光谱成像方法

随着现代科技对纳米微观区域兴趣的增加,如DNA测序、分子纳米器件微结构检测等,其对拉曼光谱技术的空间分辨力提出了更高的要求,而现有共焦拉曼光谱技术受自身原理限制,空间分辨力已无法满足科学需求。针对这一问题,在现有共焦拉曼光谱技术的基础上,提出一种基于最大似然算法的共焦拉曼光谱成像方法。该方法将超分辨图像复原技术与共焦拉曼光谱技术相结合,利用基于Poisson-Markov约束的最大似然超分辨复原算法对共焦拉曼光谱图像进行超分辨图像复原处理,恢复图像高频成分,进而改善共焦拉曼光谱系统的空间分辨能力,实现超分辨成像。仿真分析和实验结果表明,提出的基于最大似然算法的共焦拉曼光谱成像方法在不改变现有共焦拉曼光谱系统光学结构的前提下,仅对单幅拉曼光谱图像进行超分辨图像复原处理,即可将系统空间分辨力提高到200 nm,实现超分辨成像,同时该方法具有较强的噪声抑制能力。该方法有效地提高了共焦拉曼光谱系统的空间分辨力,为物理化学、材料科学等前沿领域中的高空间分辨微区光谱探测提供了一种新的途径,是一种行之有效的高空间分辨的共焦拉曼光谱成像方法。     

基于双边拟合的高稳定性共焦拉曼光谱定焦方法

共焦拉曼光谱技术可实现定量、无损、无需标记的样品微区“分子结构特征和物质组成信息”成像,被广泛应用于生物医学、物理化学以及材料科学等领域。由于共焦拉曼系统采用“点”激发和“点”探测的探测机制,且拉曼散射光谱信号微弱,导致成像所需时间可长达数小时甚至数十小时;测量过程中系统极易受环境变化、空气扰动等因素影响产生漂移,造成被测样品离焦,从而导致成像质量不稳定。针对现有共焦拉曼系统对样品定焦能力不足、样品易产生离焦误差、系统漂移大等问题,本文提出了一种基于双边拟合的高稳定性共焦拉曼光谱定焦方法。该方法首先对共焦拉曼光谱强度轴向响应曲线两侧对样品离焦敏感的数据区间分别进行线性拟合,得到两条拟合直线方程;然后,将所得的两条直线方程相减得到新的差分直线;最后,通过差分直线的过零点位置确定系统焦平面位置,实现了被测样品的高精度定焦,消除了离焦对系统测量结果的影响。以单晶硅表面同一位置,轴向扫描步距100 nm,进行60次重复定焦实验,实验获得的重复定焦极差为80.2 nm,说明系统具有良好的抗漂移能力。对周期5 μm的竖条栅格标准原子力台阶样品进行拉曼mapping成像测试,结果表明在长时间的成像过程中,和无定焦功能的图像相比,该方法获得的竖条栅格图像更清晰、边缘更锐利、信噪比较好。仿真分析和实验结果表明：提出的基于双边拟合共焦拉曼光谱探测方法可以提高系统的定焦准确度,抑制干扰因素导致的系统离焦对成像质量的影响,进而确保了系统探测的稳定性和成像分辨力,是一种自动定焦、抗漂移的拉曼光谱成像方法。     

基因芯片荧光图象采集与分析

描述了基因芯片荧光图象的光学共聚焦成象,大范围高速扫描与控制,数据采集的原理和方法.并讨论了基因芯片荧光图象的分析算法,即模板定位与阈值分割相结合的半自动算法,并将其计算结果与完全采用人工分割算法的结果进行了比较.     

Scanning compensation in imaging lidar using a double-sided reflector

In this paper, we present a bistatic scanning imaging lidar optical system. A double-sided scanning mirror is used in this system, which can compensate image spot migration. Geometrical optical analysis is conducted for the scanning light path and an optimal detector position is given. The optical simulation is also implemented using soft-ware Zemax to verify the compensation effect of double-sided reflector. An experiment is carried out with a CW-HeNe laser to observe image spot migration in different positions. The experimental results are in agreement with simulation results. In addition, imaging experiment is performed using 905 nm pulsed laser in the laboratory. The scanning image for black and white stripes target is obtained by single-element detector. Theoretical and experimental results confirm that the use of a double-sided flat reflector can effectively compensate image spot migration.