作者单位
摘要
大连理工大学光电工程与仪器科学学院,辽宁 大连 116024
超分辨荧光显微镜突破了传统荧光显微镜的分辨率限制,使得人们能够在纳米量级分辨率下观察细胞和组织样品,极大地推动了生命科学的发展。在这一技术中,仪器和样品引入的像差均会导致空间分辨率降低,进而导致成像质量恶化。为此,人们引入了自适应光学技术,通过直接或间接的手段探测像差,再通过波前校正元件来校正像差,从而获得高质量的超分辨图像。本文介绍了自适应光学的起源与工作原理,总结了其在超分辨荧光显微镜中的应用,并展望了其未来的发展前景。
显微 荧光显微镜 超分辨 自动与自适应光学 像差补偿 波前传感 microscopy fluorescence microscopy super resolution active and adaptive optics aberration compensation wavefront sensing 
中国激光
2024, 51(3): 0307104
作者单位
摘要
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 microscopy deconvolution super-resolution microscopy live-cell imaging computational imaging fluorescence microscopy 
中国激光
2024, 51(1): 0107002
作者单位
摘要
1 上海理工大学 光电信息与计算机学院, 上海 200093
2 上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
数字PCR(dPCR)技术作为传统PCR技术的更新迭代, 有着绝对定量的特点, 在新冠病毒核酸序列检测、癌细胞探测等生物学领域有着巨大的潜力。现有的dPCR荧光检测系统在检测通量、检测速度以及成本之间难以做出合理的权衡。由于成像视野小、需多次图像拼接极大影响了dPCR荧光检测系统效率和时间。文章构建了一套采用大视场荧光显微设计的多通道dPCR检测系统实验平台, 依托该实验平台, 运用Zemax软件优化结构, 改进显微成像物镜设计, 能够实现直径18mm的全视场范围FAM、HEX、ROX三种荧光通道分辨率在6μm的多通道成像。采用随机霍夫变换算法(RHT)图像处理分析方法, 对常规均匀“圆孔”和新型“雪花”、“树枝”等非均匀结构的微流控荧光芯片, 均能实现高效检测, 得到清晰、稳定的荧光图像。
应用光学 数字PCR 光学设计 荧光显微镜 微流控芯片 applied optics digital pcr technology optical design fluorescence microscope microfluidic chip 
光学技术
2023, 49(4): 502
付强 1,*张智淼 1,2赵尚男 1,2刘洋 1,2董洋 1
作者单位
摘要
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
微型头戴式单光子荧光显微成像技术是近些年出现的用于神经科学研究的一种突破性方法,可以对自由移动活体动物的神经活动进行实时成像,提供了一种前所未有的方式来访问神经信号,增强了对大脑如何工作的理解。在脑科学研究需求的推动下,目前已经出现了许多种类型的微型头戴式单光子荧光显微镜,如高分辨率成像、无线记录、三维成像、双区域成像和双色成像等。为了更加全面地了解和认识这种新兴的光学神经成像技术,本文按成像视场进行分类,对目前报道的不同类型微型头戴式单光子荧光显微镜所具有的特点进行了介绍,重点讨论了其所采用的光学系统方案和光学性能参数,分析对比了不同方案的优缺点,以及未来的改进方向,以便为脑科学研究人员的实际应用提供参考。
微型单光子荧光显微镜 神经信号 脑科学 光学系统 miniature single-photon fluorescence microscope neural signals brain science optical system 
中国光学
2023, 16(5): 1010
余永建 1王越 2,*李寰 2周文超 2[ ... ]吴一辉 1,2,**
作者单位
摘要
1 温州医科大学眼视光学院,浙江 温州 325035
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造技术重点实验室,吉林 长春 130033
3 中国科学院大学,北京 100049
针对高通量荧光显微成像中高密度、低信噪比、亚衍射极限荧光斑点的自动化精准检测和定位问题,基于UNet提出一种轻量级神经网络方法。该方法采用挤压和激发通道层注意力机制和残差模块优化特征信息,构建密度图和偏移量多输出架构,直接执行检测和亚像素定位。在公开数据集和模拟数据集进行实验,所提方法对低信噪比和高密度的荧光点检测优于当前算法,尤其对于达到衍射极限的高密度荧光点,有很好的检测性能,比如在128×128像素具有1200个荧光点并且大部分点达到衍射极限的图像下。所提算法对斑点的识别精度F1分数超过97.6%,定位误差为0.115 pixel,相比最新deepBlink方法,F1提升16.2个百分点并且定位误差减小0.63 pixel。
荧光显微镜 数字图像处理 模式识别 神经网络 医学和生物成像 fluorescence microscope digital image processing pattern recognition neural network medicine and biological imaging 
激光与光电子学进展
2023, 60(14): 1412004
光电工程
2023, 50(5): 220045
作者单位
摘要
1 华中科技大学 光学与电子信息学院, 湖北 武汉 430074
2 华中科技大学 武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430074
本文提出了一种无衍射光片荧光显微成像技术,可以方便地对从微米到厘米各种尺寸的多种生物样本进行多尺度三维荧光成像。提出一种双环调控方法以解决传统贝塞尔光片旁瓣过重的问题,该方法能够可调节地产生0.4~5 μm之间不同厚度类型的无衍射光片,同时其旁瓣占比被压低到30%以下。基于这种新的调控手段设计搭建了一套多尺度光片荧光显微成像系统。该系统展示出适用性极强的多尺度成像能力,例如:活细胞双色三维动态成像、膨胀细胞三维超分辨成像以及介观尺度下全器官的高通量三维成像。证明该多尺度成像模式能够显著提升光片荧光显微镜的成像效率,由此可以推进细胞生物学、组织病理学、神经科学等多种生物医学相关研究的发展。
三维荧光显微镜 光片荧光显微镜 多尺度三维成像 低旁瓣贝塞尔光片 3D fluorescence microscopy light-sheet fluorescence microscopy multi-scale 3D imaging low sidelobe Bessel light sheet 
中国光学
2022, 15(6): 1321
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 之江实验室 智能芯片与器件研究中心, 浙江 杭州 311121
3 浙江大学 宁波研究院, 浙江 宁波 315100
4 山西大学 极端光学协同创新中心, 山西 太原 030006
荧光辐射差分显微成像是一种荧光染料普适性强、光毒性较低的超分辨成像技术。然而传统荧光辐射差分成像由于受其成像原理限制,系统复杂度较高、稳定性低且成像速度受限。针对上述问题,本文设计搭建了一套多色虚拟荧光差分显微系统,并对该系统的成像方法和参数间的制约关系进行了分析,基于已有的多色虚拟荧光辐射差分显微术原理,进一步考虑了信噪比和背景噪声等的影响,建立了可通过实验验证的虚拟荧光辐射差分显微成像模型。实验表明,本系统与方法具有结构简单、背景去噪能力强、荧光染料普适性强以及光毒性低等特性,成像分辨率较共聚焦系统提升了1.9倍,成像速度较传统的荧光辐射差分显微系统提升一倍,在3个波长上均获得了良好的成像效果,并在生物细胞成像中得到实验验证。
荧光显微镜 超分辨成像 光子重组 荧光辐射差分显微术 fluorescence microscopy super-resolution imaging photon reassignment fluorescence emission difference microscopy 
中国光学
2022, 15(6): 1332
作者单位
摘要
天津大学 医学工程与转化医学研究院,天津 300072
光片显微镜是近些年来研究较多的生物成像技术,相较于传统的激光共聚焦扫描显微镜而言,光片显微镜能够实现快速、低光毒性的体积成像。光片显微镜的照明光束可以选择高斯光束或其他无衍射光束(如贝塞尔光束、艾里光束等)。艾里光片显微镜是目前研究较多的技术,但是普通的艾里光片显微镜存在一个较大的问题,艾里光束具有自弯曲的特性,导致艾里光片在视场的两端超出探测物镜的景深范围,无法发挥出最优的成像效果。将艾里光束旋转45°形成平板艾里光片,使艾里光片不超出探测物镜的景深,以增大光片显微镜的成像视场。并利用双光子荧光激发技术,免除图像的后处理过程,大大提高了成像的效率。利用Matlab进行光学仿真,得到平板艾里光片显微镜的成像视场(~900 μm)比普通艾里光片显微镜的成像视场(~600 μm)增加了50% 。搭建的平板艾里光片显微镜利用荧光微球进行校正实验,得到成像系统的横向分辨率为(1.93±0.17) μm,轴向分辨率为(3.19±0.41) μm。对斑马鱼脑出血模型的实时观测中,可以得到时间分辨率为x×y×z = 0.60 mm×0.60 mm×0.40 mm/60 s 的成像结果,并可以对局部血管的生长和发育进行实时监测,有利于脑出血疾病的机制探究。
光片荧光显微镜 平板艾里光束 光束调制 light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) planar-Airy beam beam modulation 
红外与激光工程
2022, 51(11): 20220354
王冠晨 1,2陈同生 1,2,3,*
作者单位
摘要
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
亚细胞器是细胞的重要组成单位,其形态结构与动力学特性直接反映了细胞的生理状态。21世纪初新兴的结构光照明显微技术、受激发射损耗显微技术和单分子定位成像技术等超分辨显微成像技术,巧妙地绕过了光学衍射极限对成像分辨率的限制,目前已被广泛应用于活细胞亚细胞器精细结构的观察及其动力学过程的监测上。本文首先介绍了上述三种超分辨显微成像技术的基本原理和特点,然后介绍了活细胞中细胞核、细胞骨架、线粒体、内质网等亚细胞器的超分辨精细结构和动力学特性,最后讨论了亚细胞器超分辨精细结构成像与机器学习、图像处理相结合的发展潜力。
生物光学 超分辨显微术 荧光显微镜 亚细胞器精细结构 机器学习 bio-optics super-resolution microscopy fluorescence microscope fine structures of subcellular organelles machine learning 
中国激光
2022, 49(20): 2007203

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