单分子定位超分辨显微成像技术研究进展及展望(特邀综述)

随着新型荧光探针、先进激光、高灵敏光电探测器等相关领域的不断发展,突破衍射极限的超分辨光学显微技术为现代生物医学研究提供了新的有力工具,其中的单分子定位技术利用荧光分子的光开关效应,实现了亚细胞结构的纳米精度超分辨成像.本文介绍了单分子定位超分辨显微技术的基本原理与实现,例举了其在细胞生物学、组织生物学以及神经科学等方面的应用,讨论了该技术目前的发展趋势及可能的改进方向,为相关领域科学研究提供参考.超分辨光学显微技术的不断创新将推动生命科学的新发展.     

光学微操纵过程的轴平面显微成像技术

光学俘获技术利用光与物质相互作用产生的光势阱效应来实现对微粒的操控,已经成功应用于生物医学、材料科学等交叉领域.在对微粒进行三维俘获时,传统的宽场光学显微技术只能观测到某一平面内微粒的横向运动,对微粒沿轴向运动的观测受到很大限制.本文将轴平面显微成像技术引入光学微粒操控研究中,利用45?倾斜的反射镜把微粒的轴向运动信息转换到横向平面进行观测,与传统宽场显微成像技术相结合,实现了对二氧化硅小球俘获过程横向和轴向运动的同步观测.该成像方法无需扫描和数据重构,具有实时快速等优点,在新型光束光镊、厚样品三维观测和成像等领域具有潜在的应用价值.     

基于卷积神经网络的定量相衬显微技术（特邀）

定量相衬显微可以在无荧光标记的前提下实现对透明样品的高衬度、定量化相位成像,对活细胞及其动态过程观测具有重要意义。然而,传统的定量相衬显微需要记录3幅相移图像才能获得样品定量的相位图像,耗时较长。提出一种基于双通道卷积神经网络的定量相衬显微相位重建方法。该方法可以利用2幅相移图像获得样品的定量相位图像,将传统定量相衬显微的成像速度提高了1.5倍,重建速度提高了1个数量级。实验中,利用COS7细胞的数据对网络进行训练,该网络可以成功实现对3T3细胞的定量相位成像,说明该网络具有一定的泛化能力。该方法有望为活细胞以及亚细胞器互作网络的动态观测提供有力手段。     

大视场结构光照明显微技术（特邀）

结构光照明显微（SIM）具有成像速度快、对样品损伤小,以及对荧光标记物和标记程序无特殊要求等优点,成为研究活细胞结构和动态过程的重要成像手段之一。介绍了一种大视场、双模式（条纹/点阵）SIM显微技术。该技术结合二维光栅投影产生条纹/点阵结构光,空间光调制器选择条纹方向和实现相移,打破传统SIM中条纹数量受数字投影设备像素个数限制的瓶颈,同时保持了传统SIM成像速度快的优势。实验结果表明：该技术在20×/0.75数值孔径物镜下可获得690μm×517μm成像视场和1.8倍空间分辨率提升,其空间带宽积是传统SIM的3倍。该技术有望被应用于生物学、化学和工业等领域。     

稀疏结构光照明三维层析显微技术

光学显微具有对样品损伤低、可特异性成像等优点，是生物医学、生命科学、材料化学等多个领域中必不可少的成像手段。然而，传统光学显微镜多采用平行光照明整个样品，无法有效区分在焦信号和离焦背景，不具备三维层析成像能力。基于此，提出一种基于共振扫描的稀疏结构光照明三维层析显微（SSI-3DSM）技术，通过共振扫描聚焦光斑快速生成稀疏条纹结构光，利用多步相移减除背景噪声实现对待测样品的三维层析成像。相较于扫描宽场成像，该方法将轴向分辨率提升1.3倍，信背比提升12倍。此外，该技术性能稳定、成本较低、便于商业化开发，可与结构光照明、单分子定位等超分辨显微成像技术相结合以进一步提高横向分辨率。