戴太强 1,2,3,4高晔 1,2,3,4马英 5蔡卜磊 1,2,3,4[ ... ]孔亮 1,2,3,4,*
1 军事口腔医学国家重点实验室,陕西 西安 710032
2 国家口腔疾病临床医学研究中心,陕西 西安 710032
3 陕西省口腔疾病临床医学研究中心,陕西 西安 710032
4 第四军医大学口腔医院 颌面外科,陕西 西安 710032
5 西安电子科技大学 物理学院,陕西 西安 710171
观察细胞器间动态相互作用,深入分析作用规律,对于揭示生理病理过程现象背后的机制具有十分重要的意义。传统光学显微镜受到由光波波长和孔径造成的衍射极限的限制,无法观测细胞器纳米级精细结构及细胞器间相互作用的动态变化规律。超分辨显微成像技术的出现为细胞器相互作用研究提供了重要手段,在深入揭示细胞器相互作用规律,阐明生理病理现象深层的机制研究中发挥了重要的作用。文中介绍了受激发射损耗(Stimulated emission depletion, STED)显微成像、结构光照明显微成像(Structured illumination microscopy, SIM)、单分子定位显微成像(Single molecule localization microscopy, SMLM)技术,并总结了这三类超分辨显微成像技术在细胞器相互作用中的应用与现状,为超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用提供思路拓展。最后,对超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的优势与不足进行分析总结,展望了超分辨显微成像技术在活细胞内细胞器相互作用成像中的需求发展趋势,为光学与医学及生物学的交叉融合发展提供一定的参考。
超分辨显微成像 细胞器间相互作用 受激发射损耗显微成像 结构光照明显微成像 单分子定位显微成像 super-resolution microscopy organelle interaction stimulated emission depletion microscopy structured illumination microscopy single molecule localization microscopy 红外与激光工程
2022, 51(11): 20220622
超分辨显微成像技术是生物医学领域的重要成像工具,它通过突破光学衍射的极限,以纳米级尺度解析大脑神经元的结构,其在活体大脑成像中的应用对于神经科学的发展具有重要影响。由于组织光散射、生物相容性、成像系统兼容性等因素,超分辨显微成像技术在活体大脑成像的深度、速度、时间等方面都受到限制。基于传统的双光子显微成像策略,本文介绍了目前应用于活体大脑成像的受激发射损耗显微成像和结构光照明显微成像的研究进展,分析了它们存在的困难和挑战,最后总结了应对挑战的思路并对未来的发展进行了展望。
医用光学 超分辨显微成像 活体成像 大脑成像 双光子显微成像 受激发射损耗显微成像 结构光照明显微成像 中国激光
2022, 49(20): 2007301
1 浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室,浙江 杭州 310027
2 之江实验室超级感知研究中心,浙江 杭州 310023
3 暨南大学光子技术研究院广东省光纤传感与通信技术重点实验室,广东 广州 510000
利用边缘光抑制技术,设计并研制了一套双光束激光三维直写光刻系统。该系统含有高速扫描振镜和三维纳米压电平台两组扫描机构,可以根据不同加工需求完成多种扫描模式下的微纳结构制造。分析了光刻光束中激发光与抑制光的能量变化对加工精度的影响,通过对光刻光束能量的精确控制,实现了基板表面最小线宽为64 nm的均匀线条和线宽为30 nm的悬浮线的稳定加工,加工结构的线宽变化符合理论预期。该系统在进行实用器件加工时,最高加工产率可达到0.6 mm2/min。使用该系统加工制造了多种微纳结构,证实了其具备加工大深宽比周期结构、复杂曲线结构和不规则三维结构的能力。
激光技术 光学制造 受激发射损耗 激光直写 微纳光学器件
北京工业大学生命科学与生物医学工程学院, 智能化生理测量与临床转化北京市国际科技合作基地, 北京 100024
并行受激发射损耗(STED)显微术采用周期性排列的光学格子作为荧光抑制图案并行实现多点荧光擦除,可以有效地提升显微成像的时间分辨率。本文建立了并行STED显微成像系统的简化光学系统模型,在此基础上推导出受光学参数影响的并行荧光擦除图案周期公式,来阐明辅助物镜及显微物镜对该周期的影响机理。由该公式,解出了能产生更小周期并行荧光擦除图案的最优光学参数。数值仿真结果显示,本文方法能产生出周期小至276 nm×276 nm的正方形网格状并行荧光擦除图案。
显微 荧光显微镜 并行受激发射损耗 荧光擦除图案 光学系统参数 数值仿真 激光与光电子学进展
2020, 57(9): 091801
北京工业大学生命科学与生物医学工程学院, 智能化生理测量与临床转化北京市国际科技合作基地, 北京 100024
提出了一种基于光楔的全新的并行荧光擦除图案产生方法,使用光楔及配套反光镜来调控损耗光束入射辅助物镜时的物方倾斜角,可充分利用显微物镜的数值孔径,产生出周期更小的并行荧光擦除图案。仿真结果显示:当使用数值孔径为1.4的显微物镜且损耗光波长为760 nm时,所提方法能产生出周期为282.0 nm×283.6 nm的正方形网格状并行荧光擦除图案,能实现更高的成像分辨率。
医用光学 荧光显微镜 并行受激发射损耗 荧光擦除图案 光楔 几何光学 数值仿真
1 吉林大学 集成光电子国家重点联合实验室 电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
2 南方科技大学 生物医学工程系, 广东 深圳 518055
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。
超分辨荧光成像 受激发射损耗显微镜 光激活定位荧光显微术 随机光学重构显微术 超分辨光学涨落成像 荧光探针 super-resolution fluorescence imaging stimulated emission depletion microscopy photoactivated localization fluoroscopy stochastic optical reconstruction microscopy super-resolution optical fluctuation imaging fluorescent probes
天津大学 精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
细胞是生命体的基本单位和功能单位, 对活细胞内部结构及其功能的研究是了解掌握生命本质的基础之一, 因此活细胞的实时观测对生命科学的发展具有重要意义。传统的光学显微技术受衍射极限的限制, 无法观测200 nm以下的生物结构细节。近20年来, 随着超衍射极限光学理论、技术、器件和荧光探针等方面的快速发展, 超分辨显微成像技术已成为应用于生命科学研究的重要手段。然而, 大多数超分辨显微方法或测量耗时长, 或易引起荧光蛋白漂白/细胞损伤, 在活细胞研究中受到极大限制, 已成为超分辨显微领域重点攻关的方向之一。为此, 文中结合作者在快速超分辨显微技术研究的基础上, 介绍了基于单分子成像的光激活定位显微技术和随机光学重构显微技术、基于荧光非线性可饱和光转换的受激发射显微技术以及基于结构光照明的超分辨显微技术, 并探讨了在活细胞成像中的发展应用。最后, 文中展望了超分辨显微成像技术在活细胞成像中的未来发展趋势。
超分辨显微技术 单分子定位显微技术 受激发射损耗显微技术 结构光照明显微技术 super-resolution microscopy single molecule localization microscopy stimulated emission depletion microscopy structured illumination microscopy 红外与激光工程
2017, 46(11): 1103002
北京工业大学生命科学与生物医学工程学院, 北京 100124
受激发射损耗(STED)显微可以打破衍射极限,观测到小于200 nm 的细胞器内部结构。利用径向偏振光通过大数值孔径(NA)成像可以提高STED 系统的分辨率。计算了径向偏振光径向光强分布和纵向光强分布,并分析了数值孔径变化时径向光强分布和纵向光强分布的变化。结果表明:纵向聚焦光斑比径向聚焦光斑小,且随着NA 的增大,径向偏振光径向聚焦光斑和纵向聚焦光斑尺寸均变小,强度曲线图的半峰全宽(FWHM)也变小,光强分布更加集中。因此,增大NA 可以提高STED 显微成像系统的分辨率。
成像系统 受激发射损耗显微 径向偏振光 聚焦特性 数值孔径 光强分布 激光与光电子学进展
2016, 53(4): 041101