1 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
2 高端生物医学成像省部共建重大科技基础设施，湖北 武汉 430074
显微镜的光学孔径和测量带宽的有限性限制了生物应用中的信息获取，包括在观测生物体系的精细亚细胞结构动力学过程、活体超快瞬态生物学过程，以及介观离体组织的高效三维成像等，这一问题成为多领域生物医学研究的制约因素。传统荧光显微镜的局限性促使研究人员着手探索新型荧光显微成像原理和方法。研究者们引入了人工智能手段，以提高荧光显微成像的速度和精度，从而增加信息获取的通量。本文以细胞生物学、发育生物学和肿瘤医学为视角，详细分析了在这些领域中通量限制带来的挑战。结合深度学习，突破了传统荧光显微成像的通量限制问题，为物理光学和图像处理领域的进一步发展提供了契机。这一创新助力于生物医学研究的推进，使科学家能够更全面、深入地理解生命和健康领域的复杂现象。因此，本研究不仅对生物医学领域具有重要意义，而且为未来的研究和应用提供了崭新的可能性。
荧光显微 深度学习 超分辨成像 超快成像 高通量成像 激光与光电子学进展
2024, 61(16): 1600001
1 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
2 湖北省高端生物医学成像重大科技基础设施，湖北 武汉 430074
近几十年来，光片荧光显微镜作为荧光显微技术的一种革新，显著提升了生命科学研究中对组织与细胞结构和功能的高时空分辨率成像能力。相较于传统的落射荧光显微技术，光片显微镜通过选择性逐层照明生物样本，大大提高了光子利用效率，降低了光毒性，并显著提升了成像速度。光片显微镜问世以来，其在生命科学研究中的应用范围逐渐拓宽，从胚胎学、神经科学到肿瘤研究等多个领域均有所涉及，不仅可用于观察细胞和组织的基本结构，还可用于实时监测生物过程中的动态变化。同时，其跨尺度的特点使其适用于从宏观到微观的多个尺度上的观察。本文综述了光片显微镜在高通量成像、超分辨成像以及易用性方面的应用及发展，旨在为生命科学研究人员提供全面的了解和参考，推动光片显微镜在更多领域的应用和发展。
荧光显微成像 光片荧光显微镜 高通量成像 超分辨成像 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618019
1 北京航空航天大学物理学院，北京 100191
2 澳大利亚国立大学物理学院电子材料工程研究室，澳大利亚堪培拉 2601
超分辨荧光成像技术因其能够突破光学衍射极限的限制，为生命科学研究带来全新的观察尺度而获得了诺贝尔化学奖。但是，传统的超分辨荧光显微镜需要极为复杂的光学系统来突破衍射极限，通常伴随着明显的光毒性和低时间分辨率，昂贵的造价以及日益复杂的操作限制了其在生物医学领域中的推广应用。因此，全球各大研究团队都在积极寻求具有近红外、高亮度和抗光漂白的替代荧光探针，并通过改善成像装置与算法，进一步拓展超分辨显微技术的应用范围。稀土元素纳米材料由于其独特而优异的物理化学特性，如显著的反斯托克斯光谱位移、无背景噪声、抗光漂白、光稳定性、低毒性和高成像穿透能力等，持续受到化学、物理学和材料学领域的广泛关注，是近期兴起的一种稳定性优异的无机荧光探针。本文首先简要介绍了上转换纳米颗粒的发光机制，然后讨论了纳米结构材料中实现光子上转换的主要限制。此外还介绍了镧系元素掺杂上转换纳米粒子在超分辨生物成像、分子检测等领域的应用，以及介绍了包括降低激光功率要求和耦合技术难度、提高激光直扫成像分辨率与速度、提高多路复用成像效率等应用技术优势。最后重点介绍了颗粒合成方面的主要挑战、可行的改进措施以及对未来发展的展望，为稀土纳米材料在生命科学成像领域的推广应用提供有力的理论基础与技术支撑。
荧光显微 超分辨成像 上转换纳米颗粒 镧系离子掺杂 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618018
浙江大学光电科学与工程学院极端光学技术与仪器全国重点实验室，浙江 杭州 310027
生命体是由大量有机排列的分子组成的，其结构不仅与分子的位置分布有关，还与分子的排列方式和空间取向有关。偏振荧光显微成像技术利用荧光的偏振特性，能够对生物结构的分子取向进行观测和成像，进而从分子层面揭示生命活动的功能和代谢信息，有力推动了生物医学相关领域的研究和发展。本文从偏振荧光成像原理出发，对目前存在的多种偏振荧光显微成像技术进行原理介绍和现状分析，列举了其在生物医学领域的相关应用，讨论了其发展趋势及前景，旨在为该领域的科研人员了解偏振荧光显微成像技术提供参考。
偏振荧光显微 偏振调制 分子取向 空间角度传递 超分辨 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618011
大连理工大学光电工程与仪器科学学院，辽宁 大连 116024
超分辨荧光显微镜突破了传统荧光显微镜的分辨率限制，使得人们能够在纳米量级分辨率下观察细胞和组织样品，极大地推动了生命科学的发展。在这一技术中，仪器和样品引入的像差均会导致空间分辨率降低，进而导致成像质量恶化。为此，人们引入了自适应光学技术，通过直接或间接的手段探测像差，再通过波前校正元件来校正像差，从而获得高质量的超分辨图像。本文介绍了自适应光学的起源与工作原理，总结了其在超分辨荧光显微镜中的应用，并展望了其未来的发展前景。
显微 荧光显微镜 超分辨 自动与自适应光学 像差补偿 波前传感
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院智能计算成像实验室（SCILab），江苏 南京 210094
2 南京理工大学江苏省光谱成像与智能感知重点实验室，江苏 南京 210094
3 南京理工大学智能计算成像研究院（SCIRI），江苏 南京 210019
随着生物医学研究对复杂组织结构和功能的深入探索，高分辨率、高信噪比的深组织成像技术变得愈加重要。传统的显微镜技术往往局限于二维、透明的生物薄样本的观测，这在很大程度上无法满足当前生物医学领域对三维深组织体成像的研究需求。光片荧光显微镜凭借其低光损伤、高采集速率、大视场、体成像等优点被生物学家广泛使用。然而，生物组织固有的高散射特性仍然为深层成像带来了巨大的挑战。本文重点介绍了光片荧光显微成像技术在深组织成像领域的最新进展，特别是应对高散射样本挑战的解决策略，旨在为相关领域的研究人员提供有价值的参考，助力其对该前沿技术的最新进展和应用前景的理解。首先，阐述了光片荧光显微镜的基本原理和高散射吸收特性的形成原因及影响；然后，进一步阐明了增加组织穿透深度、应对光散射和吸收等问题的最新进展；最后，探讨了具有大穿透深度和强抗散射能力的光片荧光显微成像技术的发展前景以及潜在应用。
荧光显微 光片照明 深组织成像 三维成像 光学散射 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211010
1 浙江大学光电科学与工程学院，极端光学技术与仪器全国重点实验室，浙江 杭州 310027
2 浙江大学杭州国际科创中心，浙江 杭州 311215
荧光超分辨显微技术自20世纪90年代诞生以来，经历了多代创新与发展，其空间分辨率已经远超衍射极限，横向分辨率能够达20 nm以下，可以实现分子尺度的生物成像与动态追踪。新一代超高分辨率显微技术的产生得益于传统超分辨技术的深度发展和结合创新。详细介绍横向分辨率在亚20 nm尺度的新一代荧光超分辨显微技术，并阐述其与传统超分辨原理的联系与区别。此外，针对分辨率的限制因素，就光学系统、扫描策略和样品制备等方面进行探讨，并展望高分辨率荧光显微技术在生物医学领域中的应用前景和发展方向。
荧光显微 超分辨成像 调制照明 单分子定位 扫描策略 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211004
1 哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080
2 北京大学未来技术学院，北京 100871
超分辨荧光显微镜突破了光学衍射极限造成的空间分辨率限制，使得生物学家能够在生命体和细胞具有活性的状态下，对其功能与结构进行高精度动态记录，有望揭示更多重要的生命现象细节。然而，由于超分辨荧光显微技术的成像视场、深度、分辨率、速度等不易兼得，所以解卷积作为一种最有效且直接的求解逆问题的框架，被广泛应用于增强超分辨显微镜的时空分辨率。研究人员聚焦于通过相应算法设计实现高质量显微图像的重建，在一定程度上克服了超分辨荧光显微镜的硬件限制，可以更好地恢复生物信息。本文首先介绍了解卷积方法的基本原理及其发展历程，接着列举了不同解卷积技术在不同模态下的重建原理和效果以及这些技术在生物学上的应用，最后总结了基于深度学习的解卷积方法在超分辨荧光显微镜技术上的最新进展和未来的发展潜力，并对包括傅里叶环相关的定量评估图像重建质量的方法的最新进展进行了阐述。
显微 解卷积 超分辨显微镜 活细胞成像 计算成像 荧光显微镜
Author Affiliations
Abstract
1 Technische Universität Ilmenau, Fachgebiet Technische Optik, Postfach 100565, 98684 Ilmenau, Germany
2 Iba Heiligenstadt, 37308 Heilbad Heiligenstadt, Germany
Light sheet fluorescence microscope with single light sheet illumination enables rapid 3D imaging of living cells. In this paper we show the design, fabrication and characterization of a diffractive optical element producing several light sheets along a 45° inclined tube. The element, which is based on a multi-focal diffractive lens and a linear grating, generates five thin light sheets with equal intensities when combined with a refractive cylindrical lens. The generated uniform light sheets can be applied for the scanning of samples in tubes enabling flow-driven 3-dimensional imaging.
Light sheet fluorescence microscopy Diffractive optical elements Multi-plane imaging 3D imaging Multi-focal lens Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(1): 2023022
