深圳大学物理与光电工程学院，深圳市光子学与生物光子学重点实验室，光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，广东 深圳 518060
为进一步提高双光子多焦点结构光照明显微技术（2P-MSIM）的空间分辨率，笔者提出并发展了一种双光子亚衍射多焦点结构光照明显微成像方法（2P-sMSIM）。首先，通过改进的Gerchberg-Saxton（GS）相位恢复算法设计亚衍射聚焦点阵，生成相位图，利用高速相位型空间光调制器产生亚衍射聚焦点阵。通过计算机模拟的仿真实验，探究算法的可行性，并通过对荧光染料溶液的激发成像，证明了每个亚衍射聚焦点阵的平均尺寸为正常衍射受限点阵聚焦点尺寸的80%。其次，将该点阵引入2P-MSIM系统，对固定在BS-C-1细胞内的微管和商用线粒体切片分别进行了超分辨成像实验，证明了在亚衍射聚焦点阵激发下，2P-MSIM的分辨率和成像质量得到了进一步提高，这对于2P-MSIM的发展具有重要意义。
生物光学 多焦点结构光照明显微 亚衍射聚焦点阵 空间光调制器 相位恢复 中国激光
2023, 50(15): 1507103
1 深圳大学物理与光电工程学院生物医学光子学研究中心光电子器件与系统 教育部/广东省重点实验室，广东 深圳 518060
2 深圳大学电子与信息工程学院，广东 深圳 518060
3 深圳大学化学与环境工程学院，广东 深圳 518060
双螺旋点扩散函数（DH-PSF）技术通过对成像系统光瞳面波前相位的调控，将系统的PSF改造为DH-PSF，可实现大深度、高精度的三维纳米尺度成像，被广泛应用于生命科学、材料科学、工业检测等领域。详细阐述了DH-PSF技术的基本原理、DH相位片的设计方法及其运用方法，并在此基础上介绍了该方法在深度估计技术、纳米尺度三维单颗粒示踪、超分辨荧光显微技术、新型激光扫描荧光显微技术等领域的应用研究进展，着重讨论了DH-PSF技术在这些应用实例中的优势，为相关领域的研究提供有益的参考。最后，对DH-PSF技术及其应用的发展方向进行展望。
荧光显微成像 超分辨成像 双螺旋点扩散函数 单颗粒示踪 深度估计 激光与光电子学进展
2022, 59(18): 1800001
1 深圳大学物理与光电工程学院，光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，广东 深圳 518060
2 深圳大学化学与环境工程学院，广东 深圳 518060
为了进一步提高成像速度和分辨率，提出了基于双螺旋点扩展函数（DH-PSF）工程的多焦点双光子激光扫描显微成像方法和系统（DH-MTPLSM）。在激发光路中，通过高速相位型空间光调制器（SLM）同时实现了三维多焦点阵列的产生和在样品面上的高精度并行数字寻址扫描；在探测光路中，通过双螺旋相位片将系统探测PSF调制为DH-PSF，从而提供样品的轴向信息，减少轴向扫描层数，进而提高三维成像速度；结合基于DH-PSF的数字重聚焦算法，恢复出不同深度样本的宽场图像，通过单次二维扫描获得样品的三维光切片信息。在此基础上，利用搭建的DH-MTPLSM系统开展了小鼠肾组织切片的双光子成像实验，验证了该方法的快速三维高分辨成像能力，这对于MTPLSM的发展具有重要的意义。
成像系统 荧光显微 多焦点双光子激光扫描显微 双螺旋点扩展函数 数字重聚焦 空间光调制器 光学学报
2022, 42(14): 1411001
1 深圳大学生命与海洋科学学院, 广东省植物表观遗传学重点实验室, 广东 深圳 518060
2 深圳大学龙华生物产业创新研究院, 广东 深圳 518060
3 深圳大学物理与光电工程学院, 广东 深圳 518060
细胞是动植物结构和生命活动的基本单位。 细胞过程的一个重要特点就是其生化组分在时空调控上的相互作用关系。 然而, 利用传统的生化方法（如酵母双杂交系统、 pull-down系统等）很难在空间上评估活细胞内分子间的相互作用。 光学技术的快速发展, 为研究活细胞中生物分子的时空动态提供了新的遗传研究工具, 其中荧光共振能量转移-荧光寿命显微成像（FRET-FLIM）技术在实时探测分析活细胞中生物大分子构象变化和分子间动态相互作用过程具有独特的优势, 如: 实现对活细胞的实时“可视化”研究, 同时具有高时空分辨率; 检测更加灵敏、 结果可信度高; 且基于简易的数学运算完成简单快捷的分析程序。 介绍FRET-FLIM技术的理论背景知识, 对比了该技术与传统蛋白相互作用技术研究的利弊, 同时归纳了其在蛋白相互作用、 细胞生物学和疾病诊断等方面的最新应用研究进展, 最后总结和讨论了FRET-FLIM技术的未来发展趋势, 以期能够为揭示活细胞的结构和细胞过程相关研究提供新的见解。
荧光共振能量转移 荧光寿命显微成像 蛋白相互作用 疾病诊断 Fluorescence resonance energy transfer (FRET) Fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) Protein interaction Disease diagnosis 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1023
1 湖南城市学院 信息与电子工程学院，湖南 益阳 413000
2 湖南城市学院 全固态储能材料与器件湖南省重点实验室，湖南 益阳 413000
3 深圳大学 物理与光电工程学院，光电子器件与系统（教育部/广东省）重点实验室，深圳518060
本文建立了一种三维压缩感知模型以实现对高密度荧光分子图像的快速三维定位。首先，根据荧光显微的三维点扩展函数成像理论，设计测量矩阵，并建立压缩感知模型。接着，对荧光显微成像过程进行了模拟，并采用凸优化方法（CVX）、正交匹配追踪（Orthogonal Matching Pursuit，OMP）算法和同伦算法对建立的压缩感知模型中模拟生成的图像进行了定位分析，分别从恢复率、定位精度、重构时间几方面进行了对比。最后，采用同伦算法对模拟的生物样品和实验室采集的细胞进行了三维定位，并获得了三维超分辨图像。对比结果表明：在重构密度和定位精度接近的情况下，同伦算法比CVX方法的重构速度快2个数量级。同伦算法较OMP算法的定位精度要高一倍。采用同伦算法来实现三维的超分辨荧光显微成像在节约计算时间、实现实时成像方面具有一定的意义。
压缩感知 单分子定位 图像重构 同伦算法 compressed sensing single molecule localization image reconstruction homotopy algorithm
深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统(教育部/广东省)重点实验室, 广东 深圳 518060
发展适用于低光子数应用环境的荧光寿命分析方法对快速荧光寿命显微成像(FLIM)方法的发展和应用都具有重要意义。受高密度单分子定位显微成像中压缩感知算法的启发,将荧光寿命分析看成一个稀疏逆问题,提出了一种基于交替下降条件梯度(ADCG)的荧光寿命分析新方法,并通过对模拟数据和实验数据进行分析,验证了ADCG-FLIM算法即使在低光子数情形下依然能够较好地分析荧光寿命,从而有利于活细胞快速FLIM技术的发展和应用。
生物光学 荧光寿命显微成像 时间相关单光子计数 低光子数 荧光寿命分析 交替下降条件梯度
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems of Ministry of Education and Guangdong Province, College of Optoelectronic Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
2 Department of Dermatology, The Sixth People’s Hospital of Shenzhen, Shenzhen 518052, China
3 Department of Pathology, The Sixth People’s Hospital of Shenzhen, Shenzhen 518052, China
4 Bioimaging Core, Faculty of Health Sciences, University of Macau, Taipa, Macau SAR China
The aim of this study is to develop a novel technique for improving the intraoperative margin assessment of glioblastoma by examining the total extrinsic extracellular matrix (ECM) with eosin staining using fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) and scale-invariant feature transform (SIFT) descriptor analysis. Pseudo-color FLIM images obviously exhibit ECM distributions, changes in sequential sections, and different regions of interest. Meanwhile, SIFT descriptors are first utilized for the discrimination of glioblastoma margins by matching similar ECM regions and extracting keypoint orientations from FLIM images obtained from a series of continuous slices. The findings indicate that FLIM imaging with SIFT analysis of the total ECM is a promising method for improving intraoperative diagnosis of frozen and surgically excised brain specimen sections.
170.3650 Lifetime-based sensing 170.3880 Medical and biological imaging 170.4580 Optical diagnostics for medicine Chinese Optics Letters
2017, 15(9): 090006
深圳大学光电工程学院, 光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室, 广东 深圳 518060
X 射线光栅微分相衬成像技术对由轻元素构成的物质的内部探测具有传统吸收成像无法比拟的优势,在材料领域、安检领域以及医疗领域具有广阔的应用前景。吸收光栅是系统中的关键光学器件，其制作难度大、成本高，并且吸收光栅不能完全吸收高能X 射线而导致图像衬度和检测灵敏度下降，限制了该技术的发展应用。针对上述问题，基于自主研制的低成本铋材料源光栅和能够克服高能X 射线限制的具有分析光栅功能的结构化转换屏，提出了低成本、高效率的X 射线光栅微分相衬成像方法，在实验上获得了高质量的相衬图像。
射线光学 铋光栅 结构化转换屏 X 射线微分相衬成像
深圳大学光电工程学院教育部和广东省光电子器件与系统重点实验室， 广东 深圳 518060
X射线显微镜具有很高的分辨率，但随着光子能量的增加和研究物体尺寸的减小，物体对X射线的吸收减少，X射线穿透物体后携带出来的信息很弱，成像对比度很低，因此对生物样品等轻元素组成的物质进行显微成像时需要借助相位衬度成像方法。介绍了近年来新发展的几种应用于高分辨X射线显微镜的相衬方法，主要包括泽尼克(Zernike)相衬法、微分干涉法和离轴全息法。着重介绍了这几种相衬显微成像方法的基本原理和主要研究进展，并比较了各自的优缺点，力图通过X射线相衬显微成像技术的发展历程呈现其在生物样品内部结构检测中的潜在优势和主要问题。
X射线光学 X射线显微镜 相衬成像 泽尼克 微分干涉 离轴全息 激光与光电子学进展
2013, 50(6): 060004
深圳大学光电子学研究所教育部和广东省光电子器件与系统重点实验室, 广东 深圳 518060
理论分析了基于相位光栅分数塔尔博特效应的X射线相衬显微成像原理，采用菲涅耳衍射公式推导出相位光栅在两个不同距离处的成像结果公式。然后建立一个水合蛋白质细胞模型，对成像系统进行了参数设计，得出1~2 keV的中能波段X射线是兼顾大景深和高成像衬度的最优选择。针对10 μm厚的细胞模型，选取1.5 keV的中能X射线做模拟计算，采用多步相移法从模拟条纹图中恢复出了细胞模型的相位信息。模拟结果表明在相同信噪比下采用中能X射线得到的相衬图像比吸收图像具有更好的衬度和细节分辨率，为今后相关的实验奠定了基础。
X射线光学 中能X射线显微术 分数塔尔博特效应 相位衬度 光学学报
2011, 31(10): 1034001
