1 北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室，北京 100871
2 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
无标记光学成像以非侵入性的特点，能够对生物活体细胞进行长时程、无损伤的高分辨观测，在生物医学和临床诊断上有着巨大的前景。无标记成像技术可以分为特异性成像和非特异性成像两类，主要概述目前常用的无标记成像技术。详细介绍了各种无标记成像技术的成像原理、优缺点和最新研究进展。最后，对无标记光学成像未来的发展进行展望。
无标记显微成像 特异性成像 非特异性成像 生物光子学 激光与光电子学进展
2022, 59(12): 1200001
上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海 200240
生物组织的吸收系数和散射系数与组织的生理状态相关，是检测人体健康状态的重要指标。当前双层生物组织模型的光学参数反演方案中，吸收系数和散射系数的预测精度受到上层组织厚度等参数的影响较大，限制了模型的实际应用范围。为此，提出一种对上层组织厚度等参数不敏感的吸收和散射系数反演方法。通过采集漫反射光信号的空间和时间分布信息，并利用卷积神经网络来反演双层生物组织的吸收系数和散射系数，在随机的上层组织厚度和折射率等参量下实现较高的吸收系数和散射系数反演精度。在仿真实验中，基于改进的蒙特卡罗模拟获得双层皮肤模型在不同空间探测位置处、不同时刻的漫反射光强信息，然后利用卷积神经网络实现对两层皮肤组织吸收系数和散射系数的预测。结果表明：在固定的上层组织厚度和折射率参数下，吸收系数和散射系数反演的平均相对误差均小于4%；而当上层组织厚度和折射率存在随机变化时，吸收系数和散射系数的平均相对误差仍小于8%。相较其他方法，所提的测量方案和反演算法进一步提升了反演精度和扩展了实际应用场景，为生物组织光学参数的无创测量提供了新思路。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617018
1 河南工业大学信息科学与工程学院, 河南 郑州 450001
2 河南工业大学人工智能与大数据学院, 河南 郑州 450001
小麦籽粒作为一种活的生命体, 在正常储藏过程中, 会不断消耗自身的营养物质来维持其生命活动。 随着储藏时间的推移, 小麦籽粒内部各种酶的活性减弱或丧失, 自身呼吸强度逐步降低, 原生质胶体结构松弛, 籽粒的物理和化学状态发生改变, 进而导致其后续食用和加工品质变劣。 因此, 对小麦新陈度的准确判定, 是保证储藏小麦数量和质量的前提, 对指导我国粮食储存具有重要的经济和社会意义。 目前常用的小麦新陈度鉴定方法主要包括感官判定法和各种生化类方法; 前者主要依赖操作者个人的主观经验, 容易受到外界因素的干扰, 可重复性较差, 判定结果因人而异, 只适合作小麦新陈度鉴定的辅助方法。 后者虽然判定精度较高, 但整个检测过程耗时过长, 一般需要对待测样品进行复杂预处理, 且检测过程中用到的多种化学试剂会对环境造成一定的污染。 因此, 迫切需要研究出一套快速、 准确、 绿色的小麦新陈度鉴定方法。 利用生物光子仪器分别测试了5种不同储藏年份小麦样品的生物光子信号, 并结合改进多尺度排列熵算法对2015年—2018年四种小麦样品的光子信号进行特征分析, 最后借助反向传播神经网络对这4种不同储藏年份的小麦进行分类验证。 实验结果表明, 不同储藏年份小麦的自发光子量存在一定的差异, 其中2019年小麦样品产生的光子数量明显高于其他年份的小麦样品, 其余年份小麦样品光子数量的排列熵值随着储藏年限的增加而增大。 对比实验结果显示, 改进多尺度排列熵算法在很大程度上解决了由多尺度排列熵算法引起的信号抖动和突变问题, 可以作为一种明显的特征来标识小麦的新陈度。 最后借助BP神经网络进行分类测试, 输出结果证明新构建的分类模型的准确度可以达到95%, 能够实现对不同年份小麦新陈度的准确鉴别。
生物光子 小麦 新陈度 改进多尺度排列熵 Biophoton Wheat Fresh degree MMPE 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2166
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
由于具有低光毒性、高速宽视场以及多通道三维超分辨成像能力,超分辨结构照明显微术(SR-SIM)特别适合用于活细胞中动态精细结构的实时检测研究。超分辨结构照明显微图像重建算法(SIM-RA)对SR-SIM的成像质量具有决定性影响。本文首先简要介绍了超分辨显微术的发展现状,阐述了研究SR-SIM图像重建算法的必要性;然后介绍了SR-SIM的成像原理,并重点介绍了SR-SIM图像重建算法,包括SR-SIM中频繁使用的去卷积重建算法、SR-SIM校准与重建过程中参数值获取的算法,以及目前发展的超分辨结构照明显微图像重建算法,并介绍了SR-SIM工具箱;最后总结了当前发展超分辨结构照明显微图像重建算法需解决的5个问题。
生物光子学 光学成像 超分辨显微术 结构照明显微术 图像重建算法 荧光 多帧重建
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
小型化探头是内窥光学相干层析成像(Optical coherence tomography, OCT)中的普遍需求。介绍了包括基于球透镜、光纤透镜、自聚焦光纤、自由曲面透镜、无透镜的OCT技术的发展历程,总结和比较了各种技术的优劣,为探头的小型化设计提出了建议。研究探头的焦深拓展技术对分辨人体内细胞的在体成像的发展具有重要意义。介绍了几种重要的适用于小型化探头的焦深拓展技术,其中基于模式干涉的探头由于易于制作、结构紧凑、传输效率高,同时具有可以优化工作距离、焦深和轴向光强均匀性的优点,在拓展小型化探头的焦深方面具有一定的发展潜力。
生物光子学 光学相干层析成像 内窥成像 光纤探头 模式干涉 焦深拓展
近年来,高速发展的激光技术已经广泛应用于医疗领域,比如眼科手术和光学相干层析成像。尤为特殊的是,飞秒激光更可专用于对活体细胞的基础研究。飞秒激光具有别种激光无法获得的特殊性质。它对于细胞的伤害很小,因为它的线性吸收和热效应远远低于连续光。此外,由于飞秒光的超高峰值功率,它可以对细胞形成多光子电离而在细胞膜上开孔,因此可以转基因和融合细胞,同时不会太过于伤害细胞。在这个报告里,将阐述我们的以下研究:飞秒光致转基因、细胞融合以及细胞在凋亡中的动态过程。在单细胞水平上提出了一些凋亡过程的可能机制,如活性氧化合物、核管和细胞内自由钙离子的产生。
文字间用 号隔开空半格生物光子学 飞秒激光 细胞转基因 细胞融合 biophotonics femtosecond laser cell transfection cell fusion
1 西安工业大学 光电工程学院,陕西 西安 710032
2 深圳大学 光电子学研究所光电子器件与系统(教育部/广东省)重点实验室,广东 深圳 518060
提出一种具有快速层析成像以及光谱分辨功能的多光子激发荧光显微技术。采用微透镜阵列产生激发光点阵,利用线扫描方式扫描阵列点,对样品进行多线并行多光子激发,利用棱镜色散荧光信号,同时,利用面阵CCD并行记录光谱分辨的多线荧光信号。采用4×4的微透镜阵列,仅需要记录128幅图像,即可重构512 pixel×512 pixel的光谱分辨荧光显微图像。对多色荧光珠、染色铃兰根茎以及花粉颗粒等样品进行实验,得到样品的双光子激发荧光光谱分辨图像,光谱测量范围为450-700 nm,光谱分辨率为3 nm。
生物光子学 多光子激发 荧光光谱 荧光显微 多焦点多光子显微
1 西安理工大学 理学院 应用物理系，西安 710048
2 华南农业大学 理学院 应用物理系，广州 510642
为了研究植物叶片光子辐射与氧化胁迫的关系，将鹅掌木叶片用不同浓度的H2O2进行了处理，从而形成氧化胁迫.实验结果表明，随着H2O2处理时间的延长，浓度为7.5%、15%和30% 的H2O2处理均使鹅掌木叶片光子辐射中的自发发光较未受处理的对照有明显增长，各处理组叶片的延迟发光动力学曲线均呈现双曲性弛豫.通过建立延迟发光非线性动力学方程和数学模拟，得到了延迟发光的特征参量初始光子数I0、相干时间τ和衰减参量β，发现随着H2O2处理时间的延长，各处理组叶片的I0都呈现先下降，后回升，再下降的波动趋势; 而浓度为7.5%和15%的两个处理组的叶片τ值和β值呈现波动变化，浓度为30%的处理组的叶片τ和β呈现单调下降的趋势.推测H2O2胁迫下叶片光子辐射中自发发光的变化反映了叶片活性氧含量的变化; 叶片延迟发光中I0的变化反映了细胞总体代谢的变化，延迟发光中的τ值和β值的变化反映了叶片细胞对H2O2胁迫的适应和损伤过程.
生物光子辐射 氧化胁迫 评价 植物 Biophoton emission Oxidative stress Evaluation Plant
1 红河学院理学院, 云南 蒙自 661100
2 云南师范大学物电学院, 云南 昆明 650092
3 昆明理工大学理学院, 云南 昆明 650093
存在于活的生物系统的超弱自发光子辐射, 是生物分子从高能态向低能态的跃迁所发射的光子。根据Frhlich理论, 活的生物系统是一个高度有序、高度相干性的开放系统, 其运动状态具有内部协同作用的集体效应, 并可看作许多同类振子的集合, 当振子因某种原因处于激发态后, 其必然会跃迁回基态, 从而发射出光子。可导出此过程遵守Sine-Gordon方程, 是典型的孤子方程, 说明生物光子在活的生物系统中的传播具有孤子特征, 使生物光子能成为生物系统信息的良好携带者, 可以通过对生物光子的测量而获得生物系统内的信息。由于弱激光的作用, 可将生物振子激发到激发态, 处于激发态的分子, 将跃迁到低能态, 并发出光子, 此过程有弛豫效应, 并导出相关公式。
生物技术 生物光子 孤子特征 弱激光 光子与生物分子互相作用
福建师范大学激光与光电子技术研究所, 福建省光子技术重点实验室 医学光电科学与技术教育部重点实验室, 福建 福州 350007
实验研究了偏振与非偏振激光对亚心形扁藻的促长作用、叶绿素含量以及色素粗提物吸收光谱等生物学效应的影响。采用488 nm,70 mW输出功率的氩激光,辐照亚心形扁藻,隔天取样进行细胞计数,培养至第6天提取叶绿素,测量叶绿素含量并扫描叶绿素的吸收光谱。实验结果表明,偏振激光与非偏振激光辐照对藻细胞密度、生长速率的促长作用区别不显著; 偏振性与否对叶绿素含量的累积没有明显的区别; 激光偏振性对色素粗提物的吸收光谱没有影响。激光偏振性与否均可对亚心形扁藻的生物效应产生有效的作用,激光偏振性与激光生物效应关系的研究有待于进一步深入。
生物光子学 激光生物效应 激光偏振性 亚心形扁藻
