强激光与粒子束
2024, 36(1): 011002
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
数字全息显微镜（DHM）可以对生物样本的复杂波前进行数值重建，但是物体波前存在二次相位畸变和高阶像差，使得成像物体存在一定的相位像差。基于此，提出一种基于径向基神经网络（RBF）的相位畸变补偿算法。使用RBF网络构建非线性函数，最小化损失函数来估算物体的实际相位，损失函数考虑了全息面和RBF网络的输出。在仿真中以原模型为基准计算全局的均方误差，所提算法的均方误差为0.0374，主成分分析法（PCA）的为0.0470，频谱质心法（SCM）的为0.3303。搭建DHM系统用于HL60细胞的成像幅度和相位对比度观察，结果显示，所提算法能够更好地消除载波频率和相位畸变。所提算法无需了解光学参数，且可以通过调整采样点数量控制计算时间和插值精度，在弱散射物体或微纳结构三维形态测量中具有潜在的应用前景。
数字全息 相位恢复 波前误差 径向基神经网络 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411002
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院大学，北京100049
内部联通蜂窝状结构在组织工程、细胞培养、流体扩散、材料热扩散和表面科学等领域都具有十分重要的应用。采用两步刻蚀的方法，即各向异性与各向同性刻蚀相结合的方法，通过控制刻蚀参数（气体流量、释放周期、刻蚀功率、内部压强、硅材料刻蚀温度）在接近10 mm2面积上得到数量在2.2×105~9.5×105内，不同间距的硅材料内部联通蜂窝结构。电感耦合等离子体（ICP）使用的Bosch刻蚀法用于各向异性硅蚀刻，通过在氟碳等离子体下表面沉积聚合物，可以降低侧壁刻蚀效率，使结构具有垂直侧壁的高展弦比。在不施加保护气等离子体的条件下，ICP可以作为气体各向同性刻蚀设备，基于ICP的各向同性刻蚀能力相对于各向异性刻蚀具有硅刻蚀率高、可控性好、刻蚀选择性高等优点。该方法可以实现对硅基材料上的内联通蜂窝结构制备，能够精确地控制蜂窝结构的间距，均一性良好，并且可以快速大面积制备，具有步骤简单、制备周期短等优点。
各向同性刻蚀 蜂窝结构 内部联通 刻蚀速率 isotropic etching honeycomb structure interconnect etch rate 光学 精密工程
2023, 31(15): 2227
1 温州医科大学眼视光学院，浙江 温州 325035
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造技术重点实验室，吉林 长春 130033
3 中国科学院大学，北京 100049
针对高通量荧光显微成像中高密度、低信噪比、亚衍射极限荧光斑点的自动化精准检测和定位问题，基于UNet提出一种轻量级神经网络方法。该方法采用挤压和激发通道层注意力机制和残差模块优化特征信息，构建密度图和偏移量多输出架构，直接执行检测和亚像素定位。在公开数据集和模拟数据集进行实验，所提方法对低信噪比和高密度的荧光点检测优于当前算法，尤其对于达到衍射极限的高密度荧光点，有很好的检测性能，比如在128×128像素具有1200个荧光点并且大部分点达到衍射极限的图像下。所提算法对斑点的识别精度F1分数超过97.6%，定位误差为0.115 pixel，相比最新deepBlink方法，F1提升16.2个百分点并且定位误差减小0.63 pixel。
荧光显微镜 数字图像处理 模式识别 神经网络 医学和生物成像 激光与光电子学进展
2023, 60(14): 1412004
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 133033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 温州医科大学眼视光学院，浙江 温州 325000
MicroRNA（miRNA）是癌症等重大疾病检测过程中一类非常重要的标志物。定量实时聚合酶链式反应由于逆转录限制主要存在扩增偏差大的问题，Northern印迹杂交存在灵敏度低的不足，下一代测序和单分子阵列技术兼有检测限低及灵敏度高的优势。然而，扩增偏差大或缺乏简化的工作流程不利于即时点对点医疗诊断、治疗以及预后。基于此，提出一种基于单分子检测原理的miRNA检测方法。首先，依据泊松分布，利用三明治夹心结构形成复合物，链霉亲和素-poly-HRP与酪胺-Alexa Fluor 488分子通过催化沉积的方式生成并放大信号；然后，运用纤维蛋白水凝胶而非微流控芯片固定复合物；最后，进行单分子计数处理，通过样点寻址、样点筛选、图像重合及信息提取等4个步骤识别并统计阳性点个数，从而实现miRNA超灵敏定量检测。以人类miR-21为检测对象，检测下限是6 fmol/L。该方法在体外诊断检测miRNA方面有较好的潜在应用价值。
医学光学与生物技术 miR-21 纤维蛋白水凝胶 数字分析 光学检测 光学学报
2023, 43(13): 1317001
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
单分子生物检测技术是通过了解单分子层面上各生物分子间的动态特性，以发掘生物分子的结构与功能的高效技术。该技术的优势在于能够在单个分子上探测自由能的异质性，这是传统方法无法实现的。利用这一性能，研究人员可以解决复杂生物系统、多相催化、生物分子相互作用、酶系统和构象变化等长期存在的问题。在医疗检测方面，检测单个分子的具体信息或它们与生物因子的相互作用，不仅对癌症等各种疾病的早期诊断和治疗至关重要，而且在实时检测和精准医疗方面具有巨大的潜力。利用单分子生物检测高特异性和高精度的优势，实现对分子群中单个生物分子的实时检测，且可与阵列高通量分析相结合对临床样本进行精确诊断。本文简要介绍了单分子检测原理及其在生物传感方面的应用，在此基础上，重点概述了检测方法及相关应用，最后探讨了该研究方向的前景与发展方向。
单分子生物检测 核酸 纳米孔 蛋白质 异质性 single molecule biological detection nucleic acid nanopore protein heterogeneity
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 133033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为解决干涉型锥形微纳光纤传感器结构尺寸长、加工重复性低的问题,设计了一种非绝热锥形微纳光纤传感结构。首先基于光纤模式理论研究了干涉型锥形微纳光纤传感器的传感灵敏度对腰部直径的依赖关系及其不同部位的传感特性,并研究了非绝热条件下在光纤拉锥过程中进行模式控制的方法。在此基础上设计并制作了腰部直径为3.1 μm、锥腰长度为1.1 cm的锥形微纳光纤传感结构,其低折射率检测灵敏度高达90250 nm/RIU。该结构具有尺寸短、加工重复性好的特点,为实现传感器的小型化、集成化提供了基础,有望用于生物医疗、环境监测等领域。
光纤光学 锥形光纤 模式干涉 色散转折点 光学学报
2021, 41(23): 2306001
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
生命科学领域的研究需要对样本进行纳米量级的宽视场、实时动态观测。提出了一种基于金属光栅近场衍射增强的结构光照明技术, 该技术在传统e-pi显微镜的基础上引入金属光栅和空间光调制器；对该技术的亚波长成像性能进行了理论分析和数值分析。研究结果表明:在波长为520 nm、数值孔径为1.3的条件下, 该技术可以使半峰全宽的横向空间分辨率为65 nm, 相比于宽场照明显微分辨率提升了约3.7倍；该技术以其优异的亚波长成像性能在生命科学领域研究中具有潜在的应用价值。
显微 荧光显微 超分辨 表面等离子体 金属光学
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室,长春 130033
经典的恢复算法不能有效地恢复被观测物的全频域信息, 空间频率的缺失导致超分辨图像伴有较为严重的旁瓣.本文提出利用最大后验概率(MAP)评估解决表面等离子体结构光照明技术中的光学旁瓣问题.结果表明MAP评估恢复算法可以有效恢复物质的高空间频率信息, 并且通过合理选择优化参数达到抑制光学旁瓣的目的.在波长520 nm, 数值孔径1.3下, 可获得半高全宽65 nm的横向分辨力, 约为传统荧光显微镜的3.6倍.该技术在生命科学观测中具有潜在应用价值.
显微 荧光显微 超分辨 表面等离子体 金属光学 图像重建技术 Microscopy Fluorescence microscopy Superresolution Surface plasmons Metal optics Image reconstruction techniques
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
提出了一种基于微纳光纤耦合器的高灵敏度、便携式生物传感器,并对该传感器用于无标生物检测的灵敏度和重复性进行了研究。通过熔融拉锥法拉制出腰椎直径为3 μm的光纤耦合器, 并进行折射率检测实验。实验测得折射率灵敏度为1402.3 nm/RIU, 对检测结果进行拟合, 得到拟合曲线的相关系数为0.99459。微纳光纤耦合器的弱耦合模型的计算结果和实验结果相符。将此微纳光纤耦合器用于检测羊免疫球蛋白(IgG)抗原, 得到了2 pg/mL的检出限; 10次解离再生实验验证了该传感器的重复性, 表明了微纳光纤耦合器在无标生物传感中具有高检测灵敏度的潜力和较好的实用价值。
光纤光学 光纤传感器 微纳光纤耦合器 无标生物检测 重复性
