亚百纳米超分辨光学显微成像新方法与技术的研究

摘要

光学显微成像技术由于其高分辨率、实时成像、样品无损、操作方便等优点被广泛应用于生物、医疗观测中。而由于光学衍射极限的存在，光学显微镜的成像分辨率始终被限制在半个波长左右最近数十年里，科研人员通过坚持不懈的努力开启了超分辨显微镜术的大门，发展出了许多技术打破衍射极限，实现了超分辨成像。然而，超分辨显微术仍存在着许多问题和不足。在众多的超分辨技术中，点扩散传递函数工程和移频技术是两类突破光学衍射极限的机理。本文分别对两类机理做了理论分析和技术概述，并以两类机理为基础，提出两种新型的超分辨显微方法，实现了亚百纳米的成像分辨率。
　　基于点扩散函数工程的技术原理，本文提出了一种新型的CW-STED（连续光波-受激辐射损耗）差分显微术。CW-STED显微术的分辨率由损耗光的功率决定。功率越高，分辨率越高，但同时给样品的损害越大。本章中我们提出了一种新型的超分辨显微术，CW-STED差分显微术，将CW-STED技术和差分技术相结合，可以在功率一定条件下，提高CW-STED的分辨率和对比度，实现亚百纳米超分辨。该技术分辨在仿真和实验中（荧光颗粒和细胞微管）得到验证。相比于其它超分辨方法，该方法更加简便易行，并且避免了激光的高功率要求。
　　基于移频原理，本文提出了一种荧光成像的超分辨新方法，将光斑照明、荧光分子的饱和特性以及傅域层叠算法相结合，得到超分辨显微图像，我们称之为饱和光斑照明的傅域层叠显微术(Saturated pattern illuminated Fourier ptychography，SpiFP)。该显微术可以在照明光接近于饱和阈值时，获得4倍于宽场的分辨率，实现亚百纳米分辨率。提高光强可以获得更高的分辨率提升。我们将该显微术与饱和结构光照明显微术(SSIM)做了比较，其结果证明我们的方法具有更好的抗噪能力，相差矫正能努力和光斑的可选择性。这个方法为非线性照明显微术提供了另一种实现方式，对在宽场成像下观察生物成像有很大的应用前景。

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摘要

1 绪论

1．1 光学显微技术的发展

1．2 超分辨光学显微术的兴起

1．3 本论文研究内容

1．4 本章小结

2 基于PSF工程的超分辨显微新方法

2．1 PSF工程原理

2．1．1 光学显微成像原理

2．1．2 PSF工程原理

2．2 PSF工程各技术概况

2．2．1 激发PSF工程

2．2．2 探测PSF工程

2．2．3 小孔工程

2．3 实验对比图

2．4 本章小结

3 CW-STED差分显微术

3．1 理论分析

3．2 系统装置

3．3 仿真

3．3．2 OTF分析

3．3．3 两个颗粒的仿真

3．4 实验结果

3．4．1 荧光颗粒

3．4．2 细胞微管

3．5 实验结果讨论

3．5．1 差分系数的讨论

3．5．2 同一区域不同差分系数的讨论

3．5．3 不同区域不同差分系数的讨论

3．6 本章小结

4 移频超分辨显微成像机理

4．1 光学显微成像的傅里叶分析

4．2 相干成像系统下的移频技术

4．2．1 原理

4．2．2 典型技术

4．3 非相干成像系统下的移频技术

4．3．2 典型技术

4．4 本章小结

5 饱和光斑照明的傅域层叠显微术

5．1 原理

5．2 仿真结果

5．2．1 分辨率

5．2．2 抗噪力

5．2．3 相差矫正能力

5．2．4 光斑的可替代性

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简历