基于照明调控的无标记远场超分辨显微成像

摘要

目前的超分辨显微成像技术面临着成像视场小、成像速度慢、样品需要染色标记、需要近场扫描等限制。无需标记且可远场成像的超分辨显微技术可以最大限度地避免对观察样品的破坏与扰动，因而在生物医学、物理、材料等领域具有重要的应用价值。本论文通过照明调控，在无标记远场超分辨显微成像领域实现了突破。
　　本论文主要创新点如下:
　　a)首次将一维纳米结构应用于宽场的超分辨显微成像中，实现了大视场的无标记远场超分辨显微成像，视场比以往报道的无标记远场超分辨显微方法扩展了2个数量级，且方便快捷，可设计成紧凑式照明模块使普通显微镜方便地具备超分辨能力，成功突破了目前无标记远场宽场超分辨显微成像的瓶颈。
　　b)通过理论分析、仿真模拟与实验结果相结合，深入地研究了移频显微成像的特点，首次提出基于多波长照明的图像重构思想，可实现无变形的移频超分辨显微成像。
　　c)将非线性效应引入紫外光声显微成像中，首次实现了生物样品中细胞核结构的无标记远场超分辨显微成像，在疾病、尤其是癌症的预测与治疗等生医领域具有重要的应用前景。
　　本论文的文章结构如下:
　　第一章，详细介绍了显微技术的发展及目前已有的无标记型超分辨显微技术，并分析了这些技术的优势和局限性。
　　第二章，针对在无标记远场超分辨显微成像中获得更大视场、更高分辨率的目标，提出了纳米线环形照明显微成像。通过将半导体纳米线环形光源作为局域光源，与二维微纳波导复合来实现大面积、全方向、高波矢的倏逝场照明，基于移频效应，可在远场实现无标记二维样品的超衍射高频信息的有效提取。本章详细分析了该设计中涉及到的机理和器件特性，并将其成功应用到了不同领域的多类样品上。
　　第三章，对移频成像的特性进行进一步的理论分析、仿真计算和实验探证，对纳米线环形照明显微成像技术做了进一步优化，提出通过调控照明波长来拓宽物的空间频谱在远场的可探测范围从而使成像无变形的方法，并介绍了图像重构的相关算法与仿真结果。
　　第四章，针对在无标记情况下对复杂的生物样品进行亚细胞观察的目标，对“泵浦光”、“探测光”进行调控，实现了带有非线性效应的紫外光声显微成像系统，在亚衍射尺度上对无标记细胞核进行高分辨率、高对比度成像。
　　第五章，对本文的工作进行了总结与展望。

目录

声明

致谢

摘要

缩写、符号清单、术语表

1 绪论

1．1 显微技术的发展

1．2 无标记型超分辨显微技术的发展

1．2．1 近场扫描光学显微成像

1．2．2 共聚焦型的无标记远场超分辨显微成像

1．2．3 基于频谱压缩的无标记远场超分辨显微成像

1．2．4 基于频谱平移的无标记远场超分辨显微成像

1．3 本论文研究意义与创新点

2 半导体纳米线环形照明移频超分辨显微成像

2．1 基于半导体纳米线的超分辨显微成像背景

2．1．1 半导体纳米线的光学性质

2．1．2 半导体纳米线的制备

2．1．3 目前半导体纳米线在无标记超分辨显微成像中的应用及瓶颈

2．2 纳米线环形照明移频模块设计与制备

2．2．1 移频机理

2．2．2 发光纳米线-波导移频模块的设计

2．3 纳米线照明移频超分辨显微成像的初步探索

2．3．1 初步实验结果与分辨率分析

2．3．2 成像的仿真计算

2．3．3 器件特性分析

2．4 纳米线环形照明移频超分辨显微成像效果

2．4．2 纳米线环形照明显微术在实际样品中的应用

2．4．3 成像视场分析

2．5 小结

3 纳米线环形照明移频超分辨显微术的优化

3．1 空域与频域上的分析

3．1．1 空域上对超衍射间距结构的成像分析

3．1．2 频域上对超衍射间距结构的成像分析

3．1．3 总结

3．2 纳米线环形照明移频超分辨显微成像图像重构

3．2．1 多波长照明与图像重构

3．2．2 仿真结果

3．3 纳米线环形照明移频显微成像与其它倏逝波照明显微成像的区别与优势

4 基于照明调控的非线性超分辨紫外光声显微成像

4．1 光声显微成像

4．2 非线性紫外光声显微实验系统

4．3 对小鼠脑切片细胞核分布的超分辨、高对比度成像

4．3．1 轴向分辨率的提升

4．3．2 对比度的提升

4．4 小结

5 总结与展望

参考文献

作者简介

攻读博士期间取得的科研成果