基于随机采样的超高分辨率成像中快速压缩感知分析

随着近年来超分辨成像技术的发展,基于单分子拟合的超分辨成像方法能够实现纳米尺度的空间分辨率,但这种方法的耗时较长,时间分辨率较差。成像重构时间较长主要受制于成像过程中每帧图像较低的荧光分子密度,所以需要足够多的采样帧数来重构一张图像。文中提出一种利用随机采样的快速压缩感知算法,结合分块压缩感知重构算法,最终能够在高分子密度的条件下获得较快的重构速度及较高的定位精度。     

基于荧光随机涨落的超分辨显微成像

基于荧光随机涨落的超分辨显微成像技术具有成像速度快、空间分辨率高、系统成本低和光毒性小的成像优势,在对生物亚细胞结构及其动态运动过程的成像和监测中具有广阔的应用前景。近年来,基于荧光发射的间歇性,发展出多种图像重建算法实现荧光涨落超分辨成像,在无须对传统的荧光显微镜做任何硬件改造的情况下,显著提升了光学成像的空间分辨率,实现了突破光学衍射极限的超分辨成像。从重建算法、成像速度、分辨率提升和图像重建质量等方面,对比分析不同类型荧光涨落超分辨方法的差异和适用范围,为生命科学研究人员针对特定的生物学问题选择最佳的超分辨方法提供参考依据。     

基于微球调制光场的超分辨成像及荧光增强

微球可实现光场的调制，能够将入射光束聚焦于微球背面一个极窄区域，使得出射光束半峰全宽小于光学衍射极限，且聚焦强度远远高于入射光场强度。此外，微球具有高数值孔径特性，能够提高探测信号的收集效率。基于所述优势，微球为实现光学超分辨成像以及荧光增强提供了新思路和实现途径。相比传统技术，基于光学微球的超分辨成像及荧光增强技术更简便、更直接且易于实现，其成像及增强效果均可媲美传统超分辨技术与荧光增强技术，在生物成像及医学检测方面，具有重要的研究价值和应用前景。近年来，关于微球调制光场实现荧光增强的研究取得了较大发展，但与之相关的综述论文仍较少。系统总结阐述微球增强荧光发光以及微球调制光场技术，对于该领域的未来研究发展极为重要。首先介绍基于微球的光学超分辨成像，包括明场超分辨成像和荧光超分辨成像；然后阐述基于微球的荧光增强研究，包括现象研究、机制探索以及影响因素讨论等；最后，总结微球超分辨成像及荧光增强进展和技术应用，分析并展望该技术领域的未来发展挑战和趋势。     

超分辨显微技术在活细胞中的应用与发展

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。     

大气湍流下超振荡望远成像的理论研究

为了实现大气湍流动态干扰下望远镜对远距离目标的超衍射极限成像, 采用光学超振荡原理局部衍射压缩光学系统点扩散函数, 并对提高成像分辨率效果进行了理论研究。结果表明, 中等湍流强度校正后, 波前残差均方根约为波长的1/15(波长λ=632.8 nm)时的干扰下, 超振荡光场调制能够实现望远系统点扩散函数的衍射压缩, 衍射压缩倍率为0.75;对不同中心间距双孔的成像研究验证了超振荡望远系统约0.80倍瑞利衍射极限的超分辨成像效果; 波前残差的均方根大小可能会导致望远系统点扩散函数的衍射压缩倍率和成像分辨率存在差异。此研究结果可应用于高精度星点定位、超分辨望远等领域。     

超分辨荧光显微镜中的解卷积技术及应用（特邀）

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。     

基于压缩感知STORM超分辨成像与像素的关系

针对基于压缩感知STORM(stochastic optical reconstruction microscopy)超分辨成像效果差的不足,提出采用高分辨相机改善基于PSF测量矩阵性能的方法.该方法能够改善基于PSF测量矩阵的约束等距性(restricted isometry property,RIP),从而达到提高重构效果的目的.实验结果表明,采用高分辨相机后基于PSF(point spread function)测量矩阵的列不相关性更好,重构能力、定位准确度和识别率都得到极大改善.同时探讨了以传统指标体系评价基于压缩感知的超分辨重构质量的优劣和适用性.发现匈牙利法和质心法的组合方案较能反应真实的基于压缩感知的超分辨重构效果.     

超分辨成像方法研究现状与进展

光电成像系统受到衍射极限和像元分辨率的制约,但研究者们从未停止过脚步来突破这一限制。本文介绍了近年来开展的各种超分辨成像方法和技术,包括应用于荧光显微成像的受激发射损耗技术、结构光照明技术、光激活定位技术与随机光学重构超分辨成像技术;可应用于显微系统、光存储与眼底成像的光瞳滤波技术与径向偏振光超分辨聚焦技术;应用于空间探测的合成孔径技术、光子筛成像技术、超振荡透镜技术、亚像元技术与焦平面编码技术。主要讨论了以上超分辨方法的原理、实现手段与目前发展水平。     

受激辐射损耗超分辨成像技术研究

受激辐射损耗显微成像(STED)是一种超分辨荧光显微成像技术,它能够突破传统光学衍射极限的限制,把远场光学分辨率提高到百纳米以内,被广泛应用于生物医学等领域,是目前光学显微成像领域研究的热点之一。采用了一种基于超连续谱皮秒脉冲白激光光源的STED显微系统,实现超分辨成像。并从精密合束、脉冲延迟和损耗光残留光强几个方面探讨系统优化,从而获得最佳的成像效果。对直径约25 nm荧光微球成像实验的数据表明:该系统成像分辨率可达约60 nm,分辨能力远远高于衍射极限。另外,系统成功实现了对核孔复合物、微管和微丝等一系列生物样品的超分辨成像,共聚焦成像中某些模糊不清的结构在STED成像中清晰可辨。     

超分辨光学显微成像的新武器——镧系离子掺杂上转换纳米荧光探针（特邀）

超分辨荧光成像技术因其能够突破光学衍射极限的限制,为生命科学研究带来全新的观察尺度而获得了诺贝尔化学奖。但是,传统的超分辨荧光显微镜需要极为复杂的光学系统来突破衍射极限,通常伴随着明显的光毒性和低时间分辨率,昂贵的造价以及日益复杂的操作限制了其在生物医学领域中的推广应用。因此,全球各大研究团队都在积极寻求具有近红外、高亮度和抗光漂白的替代荧光探针,并通过改善成像装置与算法,进一步拓展超分辨显微技术的应用范围。稀土元素纳米材料由于其独特而优异的物理化学特性,如显著的反斯托克斯光谱位移、无背景噪声、抗光漂白、光稳定性、低毒性和高成像穿透能力等,持续受到化学、物理学和材料学领域的广泛关注,是近期兴起的一种稳定性优异的无机荧光探针。本文首先简要介绍了上转换纳米颗粒的发光机制,然后讨论了纳米结构材料中实现光子上转换的主要限制。此外还介绍了镧系元素掺杂上转换纳米粒子在超分辨生物成像、分子检测等领域的应用,以及介绍了包括降低激光功率要求和耦合技术难度、提高激光直扫成像分辨率与速度、提高多路复用成像效率等应用技术优势。最后重点介绍了颗粒合成方面的主要挑战、可行的改进措施以及对未来发展的展望,为稀土纳米...     

Addressing Particle Compositional Heterogeneities in Super-Resolution-Enhanced Live-Cell Ratiometric pH Sensing with Ultrasmall Fluorescent Core–Shell Aluminosilicate Nanoparticles

The interrogation of metabolic parameters like pH in live-cell experiments using optical super-resolution microscopy (SRM) remains challenging. This is due to a paucity of appropriate metabolic probes enabling live-cell SRM-based sensing. Here, ultrasmall fluorescent core–shell aluminosilicate nanoparticle sensors (FAM–ATTO647N aC′ dots) that covalently encapsulate a reference dye (ATTO647N) in the core and a pH-sensing moiety (FAM) in the shell are introduced. Only the reference dye exhibits optical blinking enabling live-cell stochastic optical reconstruction microscopy (STORM). Using data from cells incubated for 60 min with FAM–ATTO647N aC′ dots, pixelated information from total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy-based ratiometric sensing can be combined with that from STORM-based localizations via the blinking reference dye in order to enhance the resolution of ratiometric pH sensor maps beyond the optical diffraction limit. A nearest-neighbor interpolation methodology is developed to quantitatively address particle compositional heterogeneity as determined by separate single-particle fluorescence imaging methods. When combined with STORM-based estimates of the number of particles per vesicle, vesicle size, and vesicular motion as a whole, this analysis provides detailed live-cell spatial and functional information, paving the way to a comprehensive mapping and understanding of the spatiotemporal evolution of nanoparticle processing by cells important, e.g., for applications in nanomedicine.     

随机光学重构显微术及其应用研究进展

在光学显微成像领域,涌现出一批可以突破衍射极限的超分辨显微成像技术,极大地增强了人们研究亚细胞结构的能力。基于单分子定位技术的随机光学重构显微术（Stochastic Optical Reconstruction Microscopy,STORM）具有易懂的成像原理、简单的工作方式以及超高的分辨率等特点,受到越来越多的研究者青睐。首先,介绍了单分子定位技术的原理,讨论了STORM光路的搭建,阐述了二维和三维STORM超分辨显微成像原理。其次,探讨了多色STORM以及STORM与电镜关联成像现状。最后介绍了STORM技术现阶段的应用进展。     

超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用（特邀）

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。     

大视场微球透镜超分辨显微成像技术的研究进展

光学显微镜是人类探索微观世界的重要工具,在生物学、医学、材料学、精密测量学等领域发挥重要作用。由于衍射极限的存在,发展更高质量、更高空间分辨率的超分辨光学显微成像技术成为当下研究的前沿热点。基于微球透镜的超分辨显微成像技术有着易于实现、简单直接和免标记的显著优点,发展潜力巨大。但是单个微球的视野有限,且难以进行精确定位。提高微球的可操控性,拓展超分辨显微成像视场的范围,已成为该技术突破发展的核心关键。文中在介绍微球超分辨的成像原理,分析影响成像质量主要因素的基础上,重点总结了国内外团队在拓展微球透镜超分辨显微成像视场方面的最新研究进展。根据微球的操控方式,将研究工作总结为机械接触控制、微球辅助增强层、非接触控制和微球物镜一体化四类进行介绍,探讨其技术特点,并对大视场成像、图像拼接等面向视场拓展的图像处理技术进行论述。最后,提出微球透镜超分辨显微成像技术亟待解决的关键问题、存在的难点与挑战,以及未来开展研究工作的突破点,展望了该技术的发展与应用拓展方向。     

基于多测量矢量压缩感知的超分辨荧光显微成像研究

在超分辨荧光显微成像技术中,单分子定位显微方法是被广泛应用的技术之一。根据荧光显微成像原理构造多测量矢量压缩感知模型（Multiple Measurement Vector-Compressed Sensing, MMV-CS）,并采用多重稀疏贝叶斯学习算法进行求解,来实现超分辨荧光图像重建。分析了有效像元大小、荧光分子生成的光子数和背景信号泊松化噪声对重建结果的影响,以及在图像进行分块处理时算法运行时间的分析。模拟和实验计算分析表明,当点扩展函数的标准差在160 nm时,有效像元大小在120、160、200 nm能取得较好的重构效果,而在60 nm时效果较差。探测器收集的光子数越多,重构效果越好,随着背景信号光子数增加时,离得越近的样品结构越不能分辨。在同样的分块处理情况下,MMV-CS比同伦算法(L1-Homotopy, L1-H）和凸优化算法(CVX)分别快一个数量级和三个数量级,因此,在研究三维超分辨荧光显微成像时,MMV-CS算法在运行时间上具有更大的优势。     

微球透镜近场聚焦及远场成像仿真研究进展

微球超分辨显微成像技术能够突破衍射极限并成倍提高传统光学显微镜的成像分辨率。因其具有成像系统简单，可实时成像，无需荧光染料标记，能在白光照明条件下工作，且可与市场上成熟的显微镜产品相兼容等优点，具有重要研究价值与广阔应用前景，发展潜力巨大。该技术发展至今已取得了众多令人瞩目的研究成果，但现阶段的研究主要集中在微球超分辨成像规律、成像质量的提高、微球的操控方法上。而针对微球透镜的超分辨成像机理与模型，目前尚未形成完善统一的认知与可靠一致的解释。在此背景下，文中梳理归纳了微球透镜近场聚焦及远场成像机理、数学模型、仿真技术等方面的研究工作，分析现有工作的意义与所存在的不足，指出该领域需要着重解决的问题，并对微球成像技术未来的发展方向给予展望。     

基于深度学习的单像素相机超分辨率成像优化

基于压缩感知和单像素成像的基本原理,设计了一种用于图像超分辨率重建的新型深度卷积神经网络架构.这种单像素超分辨率成像算法成功地将深度学习图像超分辨率重建技术与压缩感知单像素成像技术相结合,从而发展出一种全新的深度学习单像素成像优化方法.与传统的常规压缩感知图像重构算法相比,该算法有效提升了图像超分辨率重建精度和单像素成像质量.通过图像重建的仿真实验和单像素相机的成像实验验证,结果表明这种基于深度学习的新型单像素相机成像方式具有良好的性能表现.