激光与光电子学进展, 2020, 57 (24): 240001, 网络出版: 2020-11-20   

高速超分辨结构光照明显微的关键技术及应用 下载: 4166次封面文章特邀综述

High-Speed Structured Illumination Microscopy and Its Applications
作者单位
1 西安交通大学物理学院, 陕西 西安 710049
2 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
3 中国科学院大学, 北京 100049
图 & 表

图 1. SIM的重大理论和实验突破路线图[29-43]

Fig. 1. Roadmap of significant theoretical and technical breakthroughs of SIM[29-43]

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图 2. 莫尔条纹的产生。待测物和结构光叠加时会因拍频产生新的条纹[30]

Fig. 2. Generation of Moiré fringes. If sample structure is multiplied by structural light, beat pattern (Moiré fringes) will appear

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图 3. 干涉式SIM光路图

Fig. 3. Optical path of laser interference SIM

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图 4. 迭代法查找SLM加载光栅图样的流程图[56]

Fig. 4. Schematic diagram of iterative method for searching grating patterns displayed on SLM[56]

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图 5. 光栅查找算法[56]。(a)像素化的光栅。白色和灰色分别表示SLM像素的开和关,红色为最小光栅单元起始点; (b)(c)两次2/3π相移时光栅(以紫色点为例)沿y方向移动的示意图

Fig. 5. Grating searching algorithm[56]. (a) Pixelated grating. White and gray represent on state and off state, respectively, and lattice points are pixels marked in red; (b)(c) grating with two steps of 2π/3 phase shift in y direction. Lattice point as a reference is marked in violet

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图 6. Pizza偏振片和零级涡旋半波片。(a) Pizza偏振片[38];(b)零级涡旋半波片[61]

Fig. 6. Pizza polarizer and zero-order vortex half-wave retarder. (a) Pizza polarizer[38];(b) zero-order vortex half-wave retarder[61]

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图 7. FLC偏振控制原理[54]

Fig. 7. Principle of polarization control by using FLC[54]

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图 8. SIM时序图

Fig. 8. Timing sequence of SIM

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图 9. 三种初相位估计方法的结果对比[65]。(a)普通宽场反卷积的结果;(b)~(d)三种初相位估计算法的超分辨重图像;(e)~(h)局部放大结果。标尺:(a)~(d)为5μm;(e)~(h)为500nm

Fig. 9. Results of three initial phase estimation methods. (a) Deconvolution wide-field image; (b)--(d) super-resolution image reconstructed by three phase estimation algorithms; (e)--(h) magnified views. Scale bar: (a)--(d) 5μm; (e)--(h) 500nm

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图 10. 密集肌动蛋白骨架结构的海森重构结果[42]。(a)宽场结果、传统维纳滤波结果和海森重构结果对比,标尺为2μm;(b)不同反卷积方法结果的局部放大图,标尺为500nm

Fig. 10. Densely packed cellular actin skeleton structures obtained by Hessian reconstruction[42]. (a) Wide-field image, traditional Wiener filtering result, and Hessian deconvolution result. Scale bar: 2μm; (b) magnified images reconstructed by different deconvolution methods. Scale bar: 500nm

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图 11. 实时显示SIM技术的数据处理流程图[74]

Fig. 11. Flow chart of data processing by real-time display SIM[74]

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图 12. 对鼠脑神经元形态功能的研究[75]。(a)以ChR2-GFP标记细胞膜,得到的宽场和SIM实验结果,标尺:5μm;(b)图12(a)中宽场和SIM实验结果的OTF对比;(c)对细胞质进行标记的宽场和SIM实验结果,标尺:5μm;(d)图12(c)中宽场和SIM的OTF对比;(e)按照时间先后顺序排列的SIM结果,展示了神经树突结构的动态变化,标尺:4μm

Fig. 12. Research on morphological function of mouse brain neurons[75]. (a) Deconvolved widefield and SIM images of cell membrane labeled as ChR2-GFP. Scale bar: 5μm; (b) OTFs of SIM and deconvolved widefield images in Fig. 12(a); (c) deconvolved widefield and SIM images of labeled cytoplasm. Scale bar: 5μm; (d) OTFs of SIM and deconvolved widefield images in Fig. 12(c); (e) time-

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图 13. 商用SIM产品[83-85]。(a)德国蔡司公司Elyra 7;(b)日本尼康株式会社N-SIM;(c)美国通用电器公司GE DeltaVision OMX

Fig. 13. Commercial SIM products[83-85]. (a) Elyra 7 from Zeiss, Germany; (b) N-SIM from Nikon, Japan; (c) GE DeltaVision OMX from General Electric, America

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图 14. 使用变形镜在SIM中校正波前畸变[87]

Fig. 14. SIM with aberration correction by deformable mirror[87]

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图 15. SIM结合偏振信息确定蛋白质分子取向[43]。U2OS细胞微管蛋白的(a)宽场和(b)SIM结果对比,彩色为偏振方向,标尺:10μm;(c) SIM时间序列展示了微管运动的过程,标尺:1μm;(d)--(g)根据偏振信息建立的模型确定了α-tubulin分子取向

Fig. 15. Orientation of protein molecule determined by polarized information and SIM[43]. (a) Wide-field and (b) SIM images of microtubulin of U2OS cell. Scale bar: 10μm;(c) time-lapse SIM images showing the dynamic process. Scale bar: 1μm;(d)--(g) orientations of α-tubulin determined by model based on polarized information

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表 1商用SIM产品部分参数对比

Table1. Partial parameters of commercial SIM products

ProductElyraN-SIMGE DeltaVision OMX
Illumination modalityLattice-SIM,SMLM (single moleculelocalization microscopy)3D-SIM, 2D-SIM,TIRF-SIM3D-SIM, 2D-SIM, TIRF-SIM
Stage travel x×y×z/(mm×mm×mm)130×100×0.157×35×1025×50×25
Camera parameters512pixel×512pixel,pixel size of 16μm;1280pixel×1280pixel,pixel size of 6.5μm;15 bit dynamic range2048pixel×2048pixel,pixel size of 6.5μm,16 bit dynamic range2040pixel×2040pixel,pixel size of 6.5μm,16 bit dynamic range
Objective parameters100×,NA 1.46;100×,NA 1.57;60×,NA 1.46100×,NA 1.49;60×,NA 1.27;40×,NA 0.9560×,NA 1.42
Laser wavelength /nm405,488,561,642405,445,488,514,561,640405,488,561,640
ResolutionLateral: 120nm;axial: 300nmLateral: 115nm;axial: 269nmLateral: 110nm;axial: 300nm

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赵天宇, 汪召军, 冯坤, 梁言生, 何旻儒, 云雪, 雷铭. 高速超分辨结构光照明显微的关键技术及应用[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(24): 240001. Tianyu Zhao, Zhaojun Wang, Kun Feng, Yansheng Liang, Minru He, Xue Yun, Ming Lei. High-Speed Structured Illumination Microscopy and Its Applications[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(24): 240001.

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