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。

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。

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。

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。

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。

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。

为了研究淀粉自由基的变化规律,以生物光子辐射理论为基础,根据化学发光的动力学模型,建立了淀粉自由基的发光动力学方程,并根据自由基发光强度与自由基浓度的关系,通过分析得到了淀粉自由基的湮没方程,得到了光强随时间的变化函数。通过拟合发现,函数在不同温度下随时间的变化曲线与实验曲线的相关系数都在0.98以上,能很精确地刻画自由基的弛豫发光规律。

In laser clinical applications, the process of photon absorption and thermal energy diffusion in the target tissue and its surrounding tissue during laser irradiation are crucial. Such information allows the selection of proper operating parameters such as laser power, and exposure time for optimal therapeutic. The Monte Carlo method is a useful tool for studying laser-tissue interaction and simulation of energy absorption in tissue during laser irradiation. We use the principles of this technique and write a new code with MATLAB 6.5, and then validate it against Monte Carlo multi layer (MCML) code. The new code is proved to be with good accuracy. It can be used to calculate the total power absorbed in the region of interest. This can be combined for heat modelling with other computerized programs.

Two-photon excited spectroscopies from ex vivo human skin are investigated by using a femtosecond laser and a confocal microscope (Zeiss LSM 510 META). In the dermis, collagen is responsible for second harmonic generation (SHG); elastin, nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), melanin and porphyrin are the primary endogenous sources of two-photon excited autofluorescence. In the epidermis, keratin, NADH, melanin and porphyrins contribute to autofluorescence signals. The results also show that the SHG spectra have the ability to shift with the excitation wavelength and the autofluorescence spectra display a red shift of the spectral peaks when increasing the excitation wavelength. These results may have practical implications for diagnosis of skin diseases.