超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术研究

摘要

CARS显微成像技术的发展为生物学成像带来了新的解决方案,广泛应用于脂类分子的显微观察,特别是活胞内和活体内的脂类分子成像。CARS显微成像技术可以在无需外援性标记的情况下,根据物质分子的振动或者转动特性获得反斯托克斯信号,灵敏度高具有良好化学特异性及三维层析能力。然而受衍射极限限制,目前CARS显微成像技术的空间分辨率仅能达到横向约300nm,轴向约800nm。如何突破衍射极限限制,获得纳米尺度的空间分辨率成为目前研究CARS显微成像技术的首要任务。　　本论文基于全量子理论分析时间分辨CARS,理论上提出一种突破光学衍射极限限制的CARS显微成像方法,并计算了超分辨体积元内的最小可探测分子数,这是开展超分辨CARS显微成像实验研究的重要前提。完成了聚苯乙烯微球亚微米空间分辨率的CARS显微成像,并对系统分辨率进行了标定,为实现突破衍射极限限制的CARS显微成像奠定了基础。本论文主要研究内容和创新点是:　　(一)采用全量子理论分析时间分辨CARS过程,在得到信号强度表达式的同时,分析了激发光的定义域,从而克服了半经典理论处理CARS过程的缺陷。　　(二)理论上提出一种附加探测光引起声子耗尽的超分辨方法。该方法通过引入一束波长不同的环形附加探测光与爱里斑周边的相干声子作用,从而实现点扩展函数的改造,获得小于衍射极限限制的空间分辨率。　　(三)对CARS超分辨显微成像系统的探测极限进行分析,确定超分辨体积元内的最小可探测分子数目,对CARS超分辨实验研究具有重要的指导意义。　　(四)用labview控制纳米定位台与探测器,实现自动扫描,用Matlab程序编写成像代码,完成了聚苯乙烯微球的亚微米空间分辨率CARS显微成像,并对系统分辨率进行了测试。对影响分辨率的因素进行分析与计算,为实现突破衍射极限限制的CARS显微成像奠定了基础。　　(五)采用单频CARS方案,对声子耗尽进行实验验证。对实验结果进行分析,并在后续的实验中进行改进。对形成环形光的螺旋相位片的理论与实验分析,并对超连续谱光源进行了理论分析。

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第一章 绪论

1.1非线性光学显微成像技术的发展

1.2非标记光学显微成像技术

1.3 CARS显微成像技术

1.4超分辨光学显微成像技术的发展

1.5本论文的背景以及主要研究内容

第二章 CARS过程理论分析

2.1光的散射

2.2拉曼散射理论分析

2.3 CARS过程半经典理论

2.4全量子理论描述光与物质的相互作用

2.5全量子理论绘景下的时间分辨CARS

2.6本章小结

第三章 CARS超分辨理论基础

3.1光学系统的分辨率

3.2 CARS超分辨理论

3.3本章小结

第四章 超分辨CARS显微成像系统的信噪比分析

4.1 EMCCD探测器的噪声分析与信噪比分析

4.2超分辨CARS显微成像系统的信噪比

4.3理论分析结果

4.4本章小结

第五章 亚微米空间分辨率CARS显微成像

5.1成像光源

5.2显微成像系统

5.3系统控制

5.4图像重构

5.5聚苯乙烯微球二维灰度图像

5.6 CARS显微成像系统的空间分辨率

5.7 CARS显微成像系统分辨率下降的原因

5.8本章小结

第六章 超分辨验证实验过程分析

6.1实验方案

6.2结果分析

6.3螺旋相位片的理论与实验分析

6.4超连续谱光源

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1主要创新成果总结

7.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢