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
1 西安培华学院智能科学与信息工程学院，陕西 西安 710125
2 西安工业大学电子信息工程学院，陕西 西安 710021
3 西南石油大学电气信息学院，四川 成都 610500
为实现无标记样本的定量检测，借助NX12.0搭配相关器件自主设计了一款小型化相位显微镜。相较于市面上售价高昂的相位显微镜，所设计显微镜无需相干器件，且在满足系统分辨率的前提下，将体积缩小了约60%，大幅提高了便携性，同时成本仅需5000元左右。系统中还嵌入了自动对焦算法和基于变换域的视场校正算法，以加快检测速度和相位恢复的准确率。经测试，系统在10倍物镜下的分辨率达到了分辨率板极限2.19 μm，同时随机相位板的检测表明相位恢复的准确率也达到了基本需求。除此之外，还对活细胞结构和平面玻璃的缺陷进行了测试。结果表明，所提系统不仅能对活细胞进行较好的定量测量，还可以在透明/半透明平面缺陷的检测中发挥重要作用，更是证明了这种成本低、便携性高、可实现无标记样本定量的系统设计方案的可行性。
成像系统 相位显微镜 无标记检测 活细胞定量测量 平面缺陷检测 3D光固化技术 激光与光电子学进展
2023, 60(22): 2211005
1 华中科技大学 同济医学院附属同济医院 妇产科，湖北 武汉 430000
2 华中科技大学 同济医学院附属武汉市中心医院 院士专家工作站，湖北 武汉 430000
CRISPR/Cas9系统因其高效、操作简便、物种适应性广等优势被广泛应用于基因编辑领域，该系统是由靶向目标DNA序列的引导RNA （sgRNA）和具有切割酶活性的Cas9蛋白组成。近年来，通过将核酸酶失活的Cas9突变体dCas9 （dead Cas9）或sgRNA与荧光蛋白（FPs）、有机染料、量子点（QDs）结合开发出一系列超分辨活细胞成像技术，该技术有助于在更高分辨率下研究不同基因、染色体以及基因与染色体之间的时空关系，对促进遗传学、细胞生物学和生物医学等领域的快速发展具有重要意义。文中主要总结基于CRISPR/Cas9系统的活细胞成像技术的最新进展，有望进一步扩大活细胞成像技术在生物医学领域的广泛应用。
活细胞成像 CRISPR/Cas9 荧光分子 超分辨 live cell imaging CRISPR/Cas9 fluorescent molecules super resolution 红外与激光工程
2022, 51(11): 20220597
1 中国科学院微电子研究所健康电子研发中心，北京 100029
2 中国科学院大学微电子学院，北京 100049
基于荧光标记的显微成像技术是目前用于生物医学成像研究的主要方法，然而，荧光标记面临光漂白、光猝灭、难以特异性标记及荧光干扰等瓶颈，因此，无标记显微成像技术的发展受到越来越多的关注。介绍了四种无标记光学显微成像技术：相干拉曼散射显微成像技术、光热显微成像技术、表面等离激元显微成像技术以及干涉散射显微成像技术。对这四种技术的基本原理进行了阐述，并介绍了它们在生物医学领域的应用，包括生物分子、病毒、细胞的形态与动力学研究。最后对四种成像技术的性能进行了比较，总结了每种方法的优势、局限性与应用前景。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617012
上海大学通信与信息工程学院，特种光纤与光接入网重点实验室，特种光纤与先进通信国际合作联合实验室，上海 200444
高精度的单细胞温度分布检测对于研究生命活动具有重要意义。为了实现高空间分辨率、高温度灵敏度的细胞测温，本研究团队基于原子力显微镜的扫描成像原理，将对温度敏感的量子点与音叉驱动的近场光纤探针相结合，提出了一种无损伤测量活细胞表面温度分布的方法；并以人脑星形胶质母细胞瘤细胞为研究对象，利用该方法检测了吞金纳米颗粒的固定细胞和未内吞金纳米颗粒的活细胞的温度分布。结果表明：在无金纳米颗粒作为附加热源的情况下，由活细胞内部产热引起的细胞表面最大温差超过0.5 ℃，而细胞与其外部环境间的温差大于2.5 ℃。所提活细胞无损测温方法的空间分辨率小于0.2 μm，温度分辨率为0.16 nm/℃，为活细胞温度分布成像提供了新思路。
生物光学 光纤传感器 近场光纤探针 量子点 测温 活细胞
1 华南师范大学生物光子学研究院教育部激光生命科学重点实验室, 广东 广州 510631
2 华南师范大学生物光子学研究院广东省激光生命科学重点实验室, 广东 广州 510631
3 师大瑞利光电科技(清远)有限公司, 广东 清远 511517
基于受体敏化的3-cube(通道)荧光共振能量转移(FRET)成像方法(通常称为E-FRET方法)是活细胞定量FRET检测中主流的成像分析技术。基于激发发射光谱线性分离的定量FRET检测方法(mExEm-spFRET)因天然地克服光谱串扰的能力,在活细胞定量FRET检测中具备非常好的鲁棒性。利用表达不同模型质粒的乳腺癌MCF-7活细胞,在不同信噪比(RSN)的条件下分别进行了定量E-FRET和mExEm-spFRET测量,以FRET效率(E)和质粒供受体浓度比(RC)参量作为指标,评估二种方法的鲁棒性。对于RSN>3的细胞,两种方法得到一致的E值,但是E-FRET方法得到的个别质粒RC值偏小;对于RSN<3的细胞,两种方法都能得到一致的RC值,但是E-FRET方法得到的个别质粒E值误差率大于0.1,与文献值偏差稍大。E-FRET与mExEm-spFRET具有几乎一致的活细胞定量FRET检测能力,但是mExEm-spFRET的鲁棒性优于E-FRET方法。
光谱学 荧光共振能量转移(FRET) 定量FRET测量 活细胞 光谱线性分离 鲁棒性 中国激光
2021, 48(21): 2107001
1 华南师范大学生物光子学研究院教育部激光生命科学重点实验室, 广东 广州 510631
2 华南师范大学生物光子学研究院广东省激光生命科学重点实验室, 广东 广州 510631
由于天然克服光谱串扰的能力以及高灵敏和无损伤的特性,基于光谱分离的荧光共振能量转移(FRET)定量检测(spFRET)方法被公认为是最有应用潜力的活细胞定量FRET检测技术。首先简要介绍FRET定量检测方法以及国内外的相关研究进展;其次重点介绍基于发射光谱线性分离(Em-unmixing)和基于激发发射光谱线性分离(ExEm-unmixing)的两种定量FRET检测技术的原理、发展进程,并比较了这两种检测技术的稳健性;最后对这两种spFRET技术在活细胞FRET应用中的潜在优势进行展望。
生物光学 荧光共振能量转移 光谱分离 定量荧光共振能量转移测量 活细胞
捕捉细胞内分子活动发生的动态过程, 从细胞分裂到囊泡运输再到胞内钙离子浓度变化等大量快速发生和发展的生理过程是很多科研工作者的需要。这个过程不仅要求较高的时间分辨率, 还要求较低的激发光强度以使样品的淬灭和光损伤达到最小。因此, 相机的高灵敏度图像传感器起到了决定作用。鉴于近几年图像传感器发展迅速, 本文对其进行了系统的阐述, 综述了相机的图像传感器技术上的最新突破和改进。进而, 总结了其在活细胞成像中的应用, 对比了两种主流传感器并展望了未来发展趋势。
图像传感器 活细胞成像 电子倍增电子耦合元件 科学互补金属氧化物半导体 image detectors live cell imaging electron-multiplying charged-coupled device (EMCCD scientific complementary metal-oxide semiconductor
长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
突破了衍射极限的超分辨光学显微成像通常被用于观测亚细胞的结构特性及其相互作用,对于研究基因组和攻克重大疾病具有重要意义。首先分别介绍了4种典型的超分辨显微成像技术的工作原理,然后阐述了多色荧光成像和三维成像等观测手段的研究进展,最后综述了近年来国内外超分辨光学成像在细胞活动观测、细菌细胞研究和细胞骨架观测中的应用现状。文中指出,影响成像质量的主要因素包括荧光蛋白较差的光稳定性、低的光活化速率以及弱的荧光强度等。随着上述问题的解决,超分辨光学成像将在厚样品三维成像、多色荧光成像和活细胞快速成像等方面得到广泛应用,最终推动生命科学、材料科学的发展。
显微 衍射极限 荧光成像 活细胞成像 多色荧光成像 三维定位 激光与光电子学进展
2019, 56(24): 240002
针对现有表面等离子激元折射率传感器纵向探测深度小、探测范围无法覆盖整个细胞厚度的问题,提出一种大探测深度、高灵敏度的活细胞折射率实时测量方法,并利用该方法开展了药物敏感性的实验研究。基于偏振选择吸收效应,设计并搭建了全内反射条件下的石墨烯折射率传感系统,进行了不同质量分数氯化钠溶液折射率的测量,结果表明系统具有9.5×10
6 mV/RIU的灵敏度和5.5×10
-7RIU的分辨率;利用该系统开展了活细胞药物敏感性的实验研究,分别研究了顺铂和紫杉醇作用于Ramos细胞和Jeko-1细胞时生物演化过程中细胞折射率的实时变化规律,验证了折射率变化与其药性机理作用的一致性。
生物光学 折射率传感 石墨烯 活细胞 药物敏感性 光学学报
2018, 38(11): 1104001
