随机扫描多光子荧光显微成像系统

多光子荧光显微成像是生物学研究的有力手段,但目前的成像速度难以满足神经成像中快事件检测的需要。针对这一问题,提出了一套随机扫描快速多光子荧光显微成像系统。系统采用二维声光偏转器快速扫描飞秒激发光束,能够以每点10μs的速度对特定的感兴趣区域进行跳跃式扫描,即随机扫描,使得有效的扫描速度大为提高。引入单棱镜补偿方法解决应用声光偏转器带来的色散问题。以170 nm荧光小球为样品,测得系统的横向分辨力为0.3μm,纵向分辨力为1.3μm。给出了随机扫描系统和商品化多光子荧光显微镜对同一个荧光细胞的成像结果,证明了新系统的成像能力。     

荧光寿命成像在癌症诊断研究中的应用(特邀)

癌症是目前人类所面对的共同难题,降低癌症死亡率的关键是实现早期诊断。荧光寿命因对微环境的敏感性,不仅可以实现对早期癌症组织与正常组织的区分,还可以对药物治疗癌症进行监测,因此荧光寿命成像显微技术在癌症诊断方面具有巨大的应用潜力。本文介绍了荧光寿命成像显微技术的基本原理及检测方法,总结了内源性和外源性荧光团的特征及其与癌症诊断的关系,综述了近年来荧光寿命成像显微技术在神经系统、呼吸系统、消化系统、生殖系统、泌尿系统、内分泌系统以及皮肤系统等癌症诊断中的应用,讨论了荧光寿命成像显微技术在癌症诊断中的应用优势、局限性以及未来发展趋势。     

免疫光子学进展

光学分子成像是在复杂生物体中同时描述多种分子和细胞功能的最佳手段.作为机体发挥防御、监视和自稳功能的免疫系统,研究者们正面临着如何将其作为一个真正的系统来研究的挑战.免疫光子学是指基于光子学原理和方法的活体免疫光学成像和免疫光子治疗.以多光子激发显微成像和光声层析成像为代表的高时空分辨活体成像技术,以荧光蛋白为代表的活...     

长时程双光子成像技术

双光子成像(Two-Photon Imaging)技术以其优越特性被广泛用于活细胞动态三维成像,但光功率极高的短脉冲光对焦平面荧光分子严重的光漂白极大地影响了双光子长时间成像的图像质量,针对双光子荧光漂白问题,本文提出一种优化光照的双光子(Optimized Lighting-Two Photon,OL-TP)成像技术。通过预扫描获取双光子图像分析高低阈值,以预设的高低阈值为标准优化一幅图像中不同区域的光照时长,利用扫描过程中记录的荧光信息和光照时间信息可以重建OL-TP图像,既保证信噪比又降低荧光漂白。重建的OL-TP图像与传统双光子图像基本一致,信噪比略有降低,但图像并未失真。对110 nm的荧光小球样本分别连续取30幅普通双光子和优化光照的双光子图像,到第30幅图时,重建后的优化光照双光子图像比普通双光子图像荧光漂白降低了28.86%。OL-TP通过优化光照时间大幅降低双光子成像的荧光漂白,使双光子荧光显微镜能够更好地对生物样本进行长时间观测。     

多光谱荧光图像技术检测农药残留

多光谱成像技术是一种结合传统的二维成像技术及光谱技术的新兴无损检测技术。本文利用有机磷农药的荧光特性,结合多光谱成像技术和荧光激发技术,研发了叶片农药残留快速检测的多光谱荧光成像系统。结果表明,在190~300 nm的紫外光激励下,配置好的有机磷农药氧乐果会在440 nm附近产生显著的荧光发射,并且荧光发射光谱峰值与农药浓度具有良好的线性关系。滤光片可置换的多光谱成像系统研发以及实验检测结果为开发实时在线的农药残留快速无损检测系统提供了技术保障和理论依据。     

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。     

全内反射荧光显微术

全内反射荧光显微技术是当今世界上最具前途的新型生物光学显微技术之一，可以用来实现对单个荧光分子的直接探测。它利用全内反射产生的隐失波照明样品，使照明区域限定在样品表面的一薄层范围内，因此具有其它光学成像技术无法比拟的高的信噪比和对比度。近上来，已被生物物理学家们广泛应用于单分子的荧光成像中。本文系统的介绍了全内反射荧光显微技术的原理。国内外的发展和现状及其在生物学上的应用，并对其未来做了展望。     

激光扫描光学断层成像系统的设计与应用

设计了基于LabVIEW控制的激光扫描光学断层成像系统,该系统以准直激光器为光源,高精度四维平移台为样本定位单元,光电倍增管为采集单元,实现了针对小鼠肺等小尺寸样本的三维成像.该系统空间分辨率优于20μm,成像视野大于1cm,通过对离体小鼠肺器官的自发荧光成像,展示了系统的操作流程、成像结果和初步生物应用,并探索了它对整个生物器官组织的成像能力.与传统生物医学光学成像方法相比,该方法具有光子收集效率高、成像样本尺寸大、系统操作简单等优点.     

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。     

新型多光子成像技术研究进展

相比于传统的光学成像技术,近年来获得快速发展的新型多光子成像技术具有穿透深度大,组织光损伤小,信噪比高,且可方便进行光学层析成像的特点,故而被广泛应用于包括脑、肿瘤、胚胎在内的多种活体组织成像中。本综述回顾了新型多光子成像技术的诞生与发展历程,包括微型化双光子成像技术、双光子内窥技术和三光子成像技术,概括分析了其基本原理与成像特点,讨论了这一领域具有代表性的最新研究成果,重点总结了其在生物学基础研究领域和临床医学诊断中的主要应用,并展望了其未来的应用与发展前景。可以预见,随着激光器和光探测技术的不断进步,多光子成像技术将会得到更大的发展与更加广泛的应用。     

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.     

生物医学光声成像的研究进展

光声成像是21世纪初发展起来的新兴的生物医学成像技术,它同时具备光学成像和声学成像两者的优点,因而备受关注。本文对生物医学光声成像的发展进行了综述。首先,介绍了光声成像的特点以及相对于广泛应用的光学成像技术和声学成像技术的优点;其次,在成像原理上解释了光声成像优点的成因,并介绍了光声断层成像和光声显微镜这两种典型的光声成像技术;再次,详细介绍了多尺度的光声图像分辨率和成像深度,以及多信息维度的光声成像参数;最后,展望了光声成像在生物医学领域的应用潜力并讨论了其局限性。     

基于电动可调焦透镜的大范围快速光片显微成像

搭建了一种基于电动可调焦透镜(electrically tunable lens)的大范围快速光片荧光显微成像系统.通过引入电动可调焦透镜与一维振镜以实现成像物平面和光片位置的快速移动,再结合高速s CMOS完成快速光片荧光显微成像.另外实验中通过改善光路与提升动态成像质量,实现了大范围扫描并减少了伪像.最终对成像性能进行测试,本系统的纵向分辨率和横向分辨率分别达到约5.5μm和约0.7μm,单幅图像稳定成像的速度约为275 frames/s,成像深度可超过138μm,能满足对具有一定尺寸的生物样本进行实时清晰成像的需求.     

Video fluorescence microscopic techniques to monitor local lipid and phospholipid molecular order and organization in cell membranes during hypoxic injury

Digitized video microscopy is rapidly finding uses in a number of fields of biological investigation because it allows quantitative assessment of physiological functions in intact cells under a variety of conditions. In this review paper, we focus on the rationale for the development and use of quantitative digitized video fluorescence microscopic techniques to monitor the molecular order and organization of lipids and phospholipids in the plasma membrane of single living cells. These include (1) fluorescence polarization imaging microscopy, used to measure plasma membrane lipid order, (2) fluorescence resonance energy transfer (FRET) imaging microscopy, used to detect and monitor phospholipid domain formation, and (3) fluorescence quenching imaging microscopy, used to spatially map fluid and rigid lipid domains. We review both the theoretical as well as practical use of these different techniques and their limits and potential for future developments, and provide as an illustrative example their application in studies of plasma membrane lipid order and topography during hypoxic injury in rat hepatocytes. Each of these methods provides complementary information; in the case of hypoxic injury, they all indicated that hypoxic injury leads to a spatially and temporally heterogeneous alteration in lipid order, topography, and fluidity of the plasma membrane. Hypoxic injury induces the formation of both fluid and rigid lipid domains; the formation of these domains is responsible for loss of the plasma membrane permeability barrier and the onset of irreversible injury (cell death). By defining the mechanisms which lead to alterations in lipid and phospholipid order and organization in the plasma membrane of hypoxic cells, potential sites of intervention to delay, prevent, or rescue cells from hypoxic injury have been identified. Finally, we briefly discuss fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) and its potential application for studies monitoring local lipid and phospholipid molecular order and organization in cell membranes.     

基于光声成像的生物组织微结构定征研究进展*

光声成像是一种新兴的复合型生物医学成像技术,它既具有光学成像丰富的光学对比度,又具有声学成像成像深度深、深层组织空间分辨率高的优点。作为一种非侵入式的成像技术,光声成像逐渐显现出极大的生物医学应用潜力。该文首先介绍了光声成像的物理机制,以及光声显微镜和光声计算机断层成像这两种典型的光声成像技术;然后讨论了从光声射频信号中提取组织微结构的尺度、数量密度、弹性等特征参数的研究进展,并展望了其在组织定征和分类上的应用前景。     

表面等离激元结构光照明显微成像技术研究进展

结构光照明显微成像技术(SIM)因其高分辨、宽场、快速成像的优势,在生物医学成像领域发挥了不可估量的作用.结构光照明显微成像技术与动态可控的亚波长表面等离激元条纹相结合,可以在不借助非线性效应的情况下,将传统SIM的分辨率从2倍于衍射极限频率提升到3 4倍,此外还有抑制背景噪声、提升信噪比的能力,在近表面的生物医学成像应用中有重要价值.本文介绍了表面等离激元结构光照明显微成像技术的原理,并总结了近几年国内外的相关研究进展.     

光学移频超分辨成像技术进展

光学显微镜具有无损、样品友好、速度快等优点,一直是人类探索微观世界的主要手段。但是,由于受到衍射极限限制,长期以来,光学成像系统的分辨率最高仅能达到可见光半波长量级,逐渐成为科学技术发展的桎梏。对于荧光标记样品,可以利用荧光超分辨光学显微成像技术打破光学衍射极限,填补电子显微镜(约为1 nm)和普通可见光学显微镜(200~250 nm)之间的空缺。然而,对于大多数样品特别是非荧光标记样品而言,利用现有技术进行超分辨成像依旧存在相当难度。近年来,科研人员从合成孔径成像原理出发,提出了光学移频超分辨成像方法,开辟了光学超分辨成像的新思路。光学移频超分辨成像不拘泥于荧光非线性效应的限制,兼具非荧光标记样品以及荧光标记样品的超分辨成像能力,而且因为其成像速度快、样品普适性高和光毒性低等优点,在材料学、生物学和医学等领域展现了很好的应用前景。本文从原理和方法上详细综述了移频超分辨光学显微成像技术,并对未来发展方向进行了评述和展望。     

An Imaging Colorimeter for Noncontact Skin Color Measurement

There has been a considerable effort made in several medical fields in the objective color analysis and characterization of biological tissues. Conventional colorimeters have proved inadequate for this purpose, since they do not provide spatial color information and because the measuring procedure randomly affects the color of the tissue. In this paper an imaging colorimeter is presented where the non imaging optical photodetector of the instrument is replaced with a charge-coupled device (CCD) sensor of a color video camera, enabling the independent capture of color information for any spatial point within its field of view. Combining imaging and colorimetry, the acquired image is calibrated and corrected under several ambient light conditions, providing non contact reproducible color measurements free of the errors and limitations present in conventional colorimeters. The technique has been used in hospital clinics for a wide variety of patients. These features highlight the potential of the imaging colorimeters as clinical and research tools for the standardization of clinical diagnosis and the objective evaluation of treatment efficacy.     

多参量光声成像及其在生物医学领域的应用

光声成像兼具声学成像和光学成像两者的优点, 因而成为近十年来发展最迅速的生物医学成像技术之一. 本文介绍了光声成像的特点及其相对于广泛应用的光学成像技术和声学成像技术的优点; 其次, 解释了光声成像的成像原理, 在此基础上介绍了光声断层成像和光声显微镜这两种典型的光声成像方案, 并介绍了它们的技术特点; 然后, 介绍了光声成像对生物组织的生化特性、组织力学特性、血液流速分布、温度分布参数、微结构特性等多信息参量的提取能力, 及其在生物系统的结构成像、功能成像、代谢成像、分子成像、基因成像等多领域的应用; 最后, 展望了光声成像在生物医学领域的应用潜力并讨论了其局限性.