作者单位
摘要
吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点实验室, 吉林 长春 130012
脂滴是真核细胞中必不可少的一种球形细胞器,与很多细胞生理学过程息息相关。荧光成像技术是观察研究脂滴最有力的工具之一。受光学衍射极限的限制,传统的宽场以及共聚焦显微镜所能达到的成像分辨率约为250 nm左右,这对于观测小脂滴,尤其是新生脂滴(尺寸约30~60 nm)来说是远远不够的。在这种情况下,近年来新兴的各种能够打破衍射极限的超分辨荧光显微镜(如受激发射损耗显微镜、结构光照明显微镜以及光激活定位显微镜等)逐渐吸引了科研人员的兴趣。为了得到高分辨率脂滴荧光图像,除了上述超分辨显微镜之外,还需要具有与之相匹配的高性能荧光探针。本文将简要介绍这几种超分辨显微镜的工作原理,讨论其对荧光探针光物理性质的特殊要求,并进一步系统总结脂滴超分辨成像荧光探针的研究进展。与此同时,本文将分析对比不同超分辨显微镜在脂滴荧光成像方面的优势与不足,并对其发展趋势进行展望。
脂滴 超分辨成像 受激发射损耗显微镜 结构光照明显微镜 光激活定位显微镜 荧光探针 lipid droplets super-resolution imaging stimulated emission depletion microscopy structured illumination microscopy photoactivated localization microscopy fluorescent probes 
中国光学
2022, 15(6): 1228
戴太强 1,2,3,4高晔 1,2,3,4马英 5蔡卜磊 1,2,3,4[ ... ]孔亮 1,2,3,4,*
作者单位
摘要
1 军事口腔医学国家重点实验室,陕西 西安 710032
2 国家口腔疾病临床医学研究中心,陕西 西安 710032
3 陕西省口腔疾病临床医学研究中心,陕西 西安 710032
4 第四军医大学口腔医院 颌面外科,陕西 西安 710032
5 西安电子科技大学 物理学院,陕西 西安 710171
观察细胞器间动态相互作用,深入分析作用规律,对于揭示生理病理过程现象背后的机制具有十分重要的意义。传统光学显微镜受到由光波波长和孔径造成的衍射极限的限制,无法观测细胞器纳米级精细结构及细胞器间相互作用的动态变化规律。超分辨显微成像技术的出现为细胞器相互作用研究提供了重要手段,在深入揭示细胞器相互作用规律,阐明生理病理现象深层的机制研究中发挥了重要的作用。文中介绍了受激发射损耗(Stimulated emission depletion, STED)显微成像、结构光照明显微成像(Structured illumination microscopy, SIM)、单分子定位显微成像(Single molecule localization microscopy, SMLM)技术,并总结了这三类超分辨显微成像技术在细胞器相互作用中的应用与现状,为超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用提供思路拓展。最后,对超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的优势与不足进行分析总结,展望了超分辨显微成像技术在活细胞内细胞器相互作用成像中的需求发展趋势,为光学与医学及生物学的交叉融合发展提供一定的参考。
超分辨显微成像 细胞器间相互作用 受激发射损耗显微成像 结构光照明显微成像 单分子定位显微成像 super-resolution microscopy organelle interaction stimulated emission depletion microscopy structured illumination microscopy single molecule localization microscopy 
红外与激光工程
2022, 51(11): 20220622
作者单位
摘要
上海交通大学生物医学工程学院,上海 200240

超分辨显微成像技术是生物医学领域的重要成像工具,它通过突破光学衍射的极限,以纳米级尺度解析大脑神经元的结构,其在活体大脑成像中的应用对于神经科学的发展具有重要影响。由于组织光散射、生物相容性、成像系统兼容性等因素,超分辨显微成像技术在活体大脑成像的深度、速度、时间等方面都受到限制。基于传统的双光子显微成像策略,本文介绍了目前应用于活体大脑成像的受激发射损耗显微成像和结构光照明显微成像的研究进展,分析了它们存在的困难和挑战,最后总结了应对挑战的思路并对未来的发展进行了展望。

医用光学 超分辨显微成像 活体成像 大脑成像 双光子显微成像 受激发射损耗显微成像 结构光照明显微成像 
中国激光
2022, 49(20): 2007301
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Hematology, Zhongnan Hospital of Wuhan University, Wuhan 430071, China
2 Key Laboratory of Biomedical Engineering of Hainan Province, School of Biomedical Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China
Hematologic malignancies are one of the most common malignant tumors caused by the clonal proliferation and differentiation of hematopoietic and lymphoid stem cells. The examination of bone marrow cells combined with immunodeflciency typing is of great signiflcance to the diagnostic type, treatment and prognosis of hematologic malignancies. Super-resolution fluorescence microscopy (SRM) is a special kind of optical microscopy technology, which breaks the resolution limit and was awarded the Nobel Prize in Chemistry in 2014. With the development of SRM, many related technologies have been applied to the diagnosis and treatment of clinical diseases. It was reported that a major type of SRM technique, single molecule localization microscopy (SMLM), is more sensitive than flow cytometry (FC) in detecting cell membrane antigens' expression, thus enabling better chances in detecting antigens on hematopoietic cells than traditional analytic tools. Furthermore, SRM may be applied to clinical pathology and may guide precision medicine and personalized medicine for clone hematopoietic cell diseases. In this paper, we mainly discuss the application of SRM in clone hematological malignancies.
Hematologic malignancies super-resolution fluorescence microscopy structured illumination microscopy stimulated emission depletion microscopy single molecule localization microscopy 
Journal of Innovative Optical Health Sciences
2022, 15(2): 2230005
王潇 1†涂世杰 1†刘鑫 1赵悦晗 1[ ... ]郝翔 1,*
作者单位
摘要
1 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
2 浙江大学宁波技术研究所, 浙江 宁波315100
3 之江实验室, 浙江 杭州311121

超分辨显微成像技术是细胞生物学中研究细胞器结构、相互作用和蛋白质功能的强大工具,其具有突破光学衍射极限的分辨能力,从纳米尺度上为细胞生物学提供了新的分析手段,对生命科学相关领域具有重大意义。然而,受衍射极限的影响,超分辨显微镜的轴向分辨率相比于横向分辨率要更难以提高,这导致实现细胞结构亚百纳米分辨率的三维成像更为困难。从受激辐射损耗显微术和单分子定位显微术这两种主流技术出发,对目前存在的多种三维成像技术进行了原理介绍和特点分析,最后对其未来发展方向进行了展望。

显微 荧光成像 超分辨显微 三维成像 受激辐射损耗显微术 单分子定位显微术 
激光与光电子学进展
2021, 58(22): 2200001
作者单位
摘要
1 吉林大学 集成光电子国家重点联合实验室 电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
2 南方科技大学 生物医学工程系, 广东 深圳 518055
为了进一步认知复杂环境中的细胞生物学过程, 研究人员发展了各种各样的生物成像技术。在这些技术中, 生物荧光成像因简单的成像条件以及对生物样品的相容性而得到了广泛的发展。然而, 传统的荧光成像技术受到了光学衍射极限的限制, 无法分辨低于200 nm的空间结构, 阻碍了对亚细胞结构的生物学过程研究。超分辨荧光显微镜技术突破了传统光学衍射对成像分辨率的限制, 能够获取纳米尺度的细胞动态过程。除了对传统的宽场荧光显微镜框架的改进及升级改造之外, 目前典型的超分辨成像显微镜技术通常依赖于荧光探针材料的光物理性质。常用的荧光探针材料包括荧光蛋白、有机荧光分子和纳米荧光材料等。本文介绍了几种主流的超分辨荧光显微成像技术并总结了已经成功应用到超分辨生物荧光成像中的荧光探针材料的应用进展。
超分辨荧光成像 受激发射损耗显微镜 光激活定位荧光显微术 随机光学重构显微术 超分辨光学涨落成像 荧光探针 super-resolution fluorescence imaging stimulated emission depletion microscopy photoactivated localization fluoroscopy stochastic optical reconstruction microscopy super-resolution optical fluctuation imaging fluorescent probes 
中国光学
2018, 11(3): 344
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Neuroscience, Department of Neurobiology, Key Laboratory of Medical Neurobiology of the Ministry of Health of China, Zhejiang Province Key Laboratory of Neurobiology, Zhejiang University, School of Medicine, Hangzhou, Zhejiang 310058, P. R. China
2 State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, College of Optical Science and Engineering, and the Collaborative Innovation Center for Brain Science, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310027, P. R. China
Optical microscopy promises researchers to see most tiny substances directly. However, the resolution of conventional microscopy is restricted by the diffraction limit. This makes it a challenge to observe subcellular processes happened in nanoscale. The development of superresolution microscopy provides a solution to this challenge. Here, we briefly review several commonly used super-resolution techniques, explicating their basic principles and applications in biological science, especially in neuroscience. In addition, characteristics and limitations of each technique are compared to provide a guidance for biologists to choose the most suitable tool.
Super-resolution microscopy total internal reflection fluorescence microscopy stimulated emission depletion microscopy structure illumination microscopy photoactivation localization microscopy stochastic optical reconstruction microscopy. 
Journal of Innovative Optical Health Sciences
2017, 10(5): 1730001
作者单位
摘要
天津大学 精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
细胞是生命体的基本单位和功能单位, 对活细胞内部结构及其功能的研究是了解掌握生命本质的基础之一, 因此活细胞的实时观测对生命科学的发展具有重要意义。传统的光学显微技术受衍射极限的限制, 无法观测200 nm以下的生物结构细节。近20年来, 随着超衍射极限光学理论、技术、器件和荧光探针等方面的快速发展, 超分辨显微成像技术已成为应用于生命科学研究的重要手段。然而, 大多数超分辨显微方法或测量耗时长, 或易引起荧光蛋白漂白/细胞损伤, 在活细胞研究中受到极大限制, 已成为超分辨显微领域重点攻关的方向之一。为此, 文中结合作者在快速超分辨显微技术研究的基础上, 介绍了基于单分子成像的光激活定位显微技术和随机光学重构显微技术、基于荧光非线性可饱和光转换的受激发射显微技术以及基于结构光照明的超分辨显微技术, 并探讨了在活细胞成像中的发展应用。最后, 文中展望了超分辨显微成像技术在活细胞成像中的未来发展趋势。
超分辨显微技术 单分子定位显微技术 受激发射损耗显微技术 结构光照明显微技术 super-resolution microscopy single molecule localization microscopy stimulated emission depletion microscopy structured illumination microscopy 
红外与激光工程
2017, 46(11): 1103002
作者单位
摘要
中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
受激发射损耗显微技术(STED)作为一种远场超分辨显微成像技术, 具有几十纳米甚至几纳米的空间分辨率, 是细胞生物学等研究领域的重要成像工具。圆环形空心损耗光在物镜焦点附近的光场强度分布对STED空间分辨率起决定性作用。在高数值孔径物镜聚焦下, 光场的偏振态会对聚焦光场的强度分布产生显著的影响, 此外, 显微系统的轴外像差会严重破坏空心损耗光焦斑的中心对称性。基于矢量衍射理论, 理论模拟了在高数值孔径物镜聚焦条件下, 入射涡旋光的偏振态和光学系统中的彗差和像散对空心损耗光焦场强度分布的影响。实验上使用纯相位型空间光调制器来校准光学系统相差, 优化变形的损耗光, 利用纳米探针扫描焦点区域, 测量了其焦场强度分布。测量结果与由矢量稍微理论观测的结果一致。
显微 受激辐射损耗显微 超分辨 轴外像差 空间光调制器 
光学学报
2017, 37(3): 0318009
Author Affiliations
Abstract
Key Laboratory of Optoelectronic Science and Technology for Medicine of Ministry of Education Provincial Key Laboratory for Photonics Technology Institute of Laser and Optoelectronics Technology Fujian Normal University, Fuzhou 350007, P. R. China
Far-field fluorescence microscopy has made great progress in the spatial resolution, limited by light diffraction, since the super-resolution imaging technology appeared. And stimulated emission depletion (STED) microscopy and structured illumination microscopy (SIM) can be grouped into one class of the super-resolution imaging technology, which use pattern illumination strategy to circumvent the diffraction limit. We simulated the images of the beads of SIM imaging, the intensity distribution of STED excitation light and depletion light in order to observe effects of the polarized light on imaging quality. Compared to fixed linear polarization, circularly polarized light is more suitable for SIM on reconstructed image. And right-handed circular polarization (CP) light is more appropriate for both the excitation and depletion light in STED system. Therefore the right-handed CP light would be the best candidate when the SIM and STED are combined into one microscope. Good understanding of the polarization will provide a reference for the patterned illumination experiment to achieve better resolution and better image quality.
Structured illumination microscopy stimulated emission depletion microscopy polarized light diffraction limit 
Journal of Innovative Optical Health Sciences
2016, 9(3): 1641001

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