纳米分辨相干反斯托克斯拉曼散射显微成像

采用附加探测光声子耗尽法来实现超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像. 此方法引入一束环形分布的附加探测光来消耗点扩展函数周边的相干声子, 实现点扩展函数的改造, 从而达到超越衍射极限的空间分辨率. 为了获得更高的空间分辨率和更佳的相位匹配条件, 通常需采用高数值孔径物镜对抽运光、斯托克斯光和探测光进行聚焦, 此时标量衍射理论不再成立. 基于矢量衍射理论, 分析了线偏振光、圆偏振光先后经过螺旋相位片和高数值孔径物镜后的光强分布, 结果表明: 圆偏振光在高数值孔径物镜后焦平面的光强分布呈中心对称状, 较线偏振环形光更适合作为附加探测光. 此外, 采用全量子理论分析了附加探测光声子耗尽法. 结果表明: 当附加探测光与探测光强度比为80时, 成像系统的横向空间分辨率可以达到45 nm; 继续提高附加探测光强度, 空间分辨将进一步提高.     

新型衍射光学成像光谱仪的设计和分析

为了克服在传统衍射光学成像光谱仪中,衍射透镜的焦距随波长变化引起系统放大率随波长变化,从而导致光谱图像的像元配准误差,得到并不精确的相对光谱信号强度,提出了将衍射透镜与消色差透镜系统相结合的新型折/衍混合、二组元复合远心成像光学系统的技术方案,具体分析推导了该系统的成像理论.在此理论指导下,利用光学设计软件Zemax设计了一套可见近红外成像光谱仪光学系统.结果表明,不但系统的放大率不随波长变化,而且进一步降低了衍射透镜的加工难度,改进了衍射光学成像光谱仪的光学性能,为新型衍射光学成像光谱仪的研制提供了重要的理论依据和设计指导.     

Uptake of transferrin-conjugated quantum dots in single living cells

We study the uptake and distribution of transferrin （Tf）-conjugated CdSe/CdS/ZnS quantum dots （QDs） in single living HeLa cells with both fluorescence confocal microscopy and three-dimensional （3D） reconstruction technique. By increasing the co-incubation time or the dosage of QDs-Tf, we find that the uptake of QDs-Tf bioconjugates in the cells increases correspondingly, but with different uptake rates. Additionally, the distribution of QDs-Tf, in single live HeLa cells is time dependent. To our knowledge, this is the first study on quantitatively analyzing the uptake and distribution of bioconjugated QDs in single living cells. Such QDs nanoplatform can be further modified for developing biomedical evaluation tool in cancer diagnosis and targeted drug delivery.     

Analysis of detection limit to time-resolved coherent anti-Stokes Raman scattering nanoscopy

In the implementation of CARS nanoscopy, signal strength decreases with focal volume size decreasing. A crucial problem that remains to be solved is whether the reduced signal generated in the suppressed focal volume can be detected. Here reported is a theoretical analysis of detection limit （DL） to time-resolved CARS （T-CARS） nanoscopy based on our proposed additional probe-beam-induced phonon depletion （APIPD） method for the low concentration samples. In order to acquire a detailed shot-noise limited signal-to-noise （SNR） and the involved parameters to evaluate DL, the T-CARS process is described with full quantum theory to estimate the extreme power density levels of the pump and Stokes beams determined by saturation behavior of coherent phonons, which are both actually on the order of ~ 109 W/cm2. When the pump and Stokes intensities reach such values and the total intensity of the excitation beams arrives at a maximum tolerable by most biological samples in a certain suppressed focal volume （40-nm suppressed focal scale in APIPD method）, the DL correspondingly varies with exposure time, for example, DL values are 103 and 102 when exposure times are 20 ms and 200 ms respectively.     

超衍射成像中 双螺旋点扩展函数的三维定位精度

开关效应和单分子定位的结合可以实现样品的超衍射分辨成像, 双螺旋点扩展函数将单分子定位纳米分辨从二维扩展到了三维.本文对双螺旋点扩展函数的三维定位精度展开了探讨.首先, 基于费希尔信息量, 计算了双螺旋点扩展函数的无偏估计, 得出其理论定位精度, 并分析了光子数、背景噪声以及有效像元尺寸大小对其定位精度的影响; 其次, 基于单分子定位实验过程中对于数据分析通常采用的高斯拟合质心定位算法, 通过误差传递函数定律求得双螺旋点扩展函数的轴向定位精度.计算机模拟结果表明, 在光子数大于1000的条件下, 高斯拟合质心定位精度和费希尔信息量理论定位精度符合较好. 本文的讨论不仅为双螺旋点扩展函数的三维定位精度提供了理论依据, 同时也可为实验提供理论指导. 关键词： 双螺旋点扩展函数 费希尔信息量 定位精度 高斯拟合     

用于双光子激发荧光寿命显微成像的高重复频率皮秒扫描相机

建立了一台基于新研制的高重复频率皮秒扫描相机的双光子激发荧光寿命显微成像系统,重点介绍所研制的高重复频率皮秒扫描相机。为了在高时间分辨力的同时扩大时间测量范围,实现大面积两维空间高时间分辨取样测量,从而提高采样速率和更有效地发挥扫描相机的作用,设计和研制了一种大面积、高时间分辨力扫描变像管和一种重复频率高达1MHz的斜坡电压扫描电路。基于上述关键部件所研制的扫描相机具有重复频率高、扫描速度可调、时间分辨力高、工作面积大、非线性低、触发晃动小等优点。用钛宝石飞秒激光器作为激光脉冲源,通过脉冲提取器将76MHz的高重复频率降低为1MHz,采用可调延时器和标准具对扫描相机的时间分辨力、扫描速度和非线性进行标定。该系统的时间分辨力达到6.5ps,非线性为2.60%,可测量的时间范围从十几皮秒到几十纳秒。测量了若丹明6G和香豆素314两种标准荧光染料的荧光寿命,取得了与参考文献一致的实验结果。     

百飞秒级脉宽的宽带超连续谱光源的产生

实现了一种适合于相干拉曼光谱探测的宽带超连续谱光源的方法,使用1 064nm飞秒激光泵浦全正色散光子晶体光纤,并用光栅对对脉冲进行压缩,最终获得了脉宽178fs,频谱范围处于760～1 300nm的超连续谱光源.对超连续谱脉冲的时间频谱结构进行了分析,未经过压缩的超连续谱的脉冲宽度达到1.43ps,不同频率的成分之间延迟较大,但基本上呈线性平滑分布,因此可以使用光栅对进行色散补偿;此外,提高泵浦光的功率虽然能够增加光谱展宽,但会引入高阶色散,并不利于色散补偿.最后,使用该超连续谱搭建的三色相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测系统,测量了苯甲腈溶液的相干反斯托克斯拉曼散射信号光谱,同时获得了3 200cm~(-1)范围内的所有振动模式,验证了该超连续光谱的性能.     

双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术的实验研究

双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射同属于三阶非线性效应,二者之间的差异与联系是一个值得研究的问题.本文基于自行搭建的超连续谱近红外宽带相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统进行光谱成像,同时通过理论与实验对比分析了双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射图像存在差异的原因.结果表明,具有亚微米以上横向分辨率的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统,可以使用较大尺寸的荧光珠进行双光子荧光成像,通过解卷积得到双光子荧光成像的系统分辨率,并将它近似等效于相干反斯托克斯拉曼散射成像系统的当下分辨率.如果需要得到相干反斯托克斯拉曼散射成像系准确的分辨率结果,就必须使用尺寸比相干反斯托克斯拉曼散射成像系统实际分辨率小的球形样品进行实验测量.     

基于全正色散光子晶体光纤的超连续谱光源

利用预估校正分步傅里叶法数值求解非线性薛定谔方程, 模拟超短激光脉冲在全正色散光子晶体光纤中传输时的演化情况, 分析了不同脉宽和能量的脉冲对产生的超连续谱的影响. 结果表明: 无啁啾高斯脉冲在此全正色散光子晶体光纤中传输时, 始终保持单个脉冲特性, 提高脉冲峰值功率可进一步展宽获得的超连续谱.模拟结果同时表明, 利用中心波长为1060 nm, 脉宽和能量分别为50 fs, 15 nJ的脉冲抽运此光纤, 当传输12 cm 后便可获得具有较好的光谱连续性和光谱平坦度的超连续谱. 进一步模拟结果表明, 采用棱镜对对其进行脉冲压缩, 可获得脉宽约15 fs, 谱宽约700 nm的理想超连续谱光源. 关键词： 超连续谱 光子晶体光纤 全正色散     

用于大景深三维纳米分辨多分子追踪的衍射光学元件的设计制备和实验研究

发展能实时检测完整细胞内多个生物分子随时空变化的单分子探测和追踪技术, 对于研究生命过程的分子机理具有重要意义. 在变形光栅多阶成像和双螺旋点扩散函数成像方法的基础上, 基于波前编码的原理, 提出将二者优化结合, 获得全新的衍射光学元件, 该器件同时具有多重平面成像和双螺旋点扩散函数成像的功能, 旨在解决活细胞内单分子探测和追踪技术中的大景深探测难题. 设计和制备了该器件, 并基于该器件搭建了显微成像系统, 实验模拟证明该衍射光学元件同时可实现轴向12 μ的探测范围, 与理论设计结果相符合, 从而有效扩大了显微镜系统的景深, 证明了设计的可行性. 关键词： 多分子追踪 衍射光学元件 变形光栅 双螺旋点扩散函数