单分子定位超分辨显微成像技术研究进展及展望(特邀综述) 被引量：11

1

作者 安莎 但旦 +2 位作者 于湘华 彭彤 姚保利 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第9期1-18,共18页

随着新型荧光探针、先进激光、高灵敏光电探测器等相关领域的不断发展,突破衍射极限的超分辨光学显微技术为现代生物医学研究提供了新的有力工具,其中的单分子定位技术利用荧光分子的光开关效应,实现了亚细胞结构的纳米精度超分辨成像.... 随着新型荧光探针、先进激光、高灵敏光电探测器等相关领域的不断发展,突破衍射极限的超分辨光学显微技术为现代生物医学研究提供了新的有力工具,其中的单分子定位技术利用荧光分子的光开关效应,实现了亚细胞结构的纳米精度超分辨成像.本文介绍了单分子定位超分辨显微技术的基本原理与实现,例举了其在细胞生物学、组织生物学以及神经科学等方面的应用,讨论了该技术目前的发展趋势及可能的改进方向,为相关领域科学研究提供参考.超分辨光学显微技术的不断创新将推动生命科学的新发展. 展开更多

关键词 光学显微 荧光显微 超分辨显微 单分子定位 生物成像

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基于压缩感知的三维单分子定位显微成像方法研究 被引量：1

2

作者 张赛文 林丹樱 +4 位作者 于斌 冷潇泠 张光富 田野 谭伟石 《中国光学》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第5期1065-1074,共10页

本文建立了一种三维压缩感知模型以实现对高密度荧光分子图像的快速三维定位。首先,根据荧光显微的三维点扩展函数成像理论,设计测量矩阵,并建立压缩感知模型。接着,对荧光显微成像过程进行了模拟,并采用凸优化方法(CVX)、正交匹配追踪(... 本文建立了一种三维压缩感知模型以实现对高密度荧光分子图像的快速三维定位。首先,根据荧光显微的三维点扩展函数成像理论,设计测量矩阵,并建立压缩感知模型。接着,对荧光显微成像过程进行了模拟,并采用凸优化方法(CVX)、正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)算法和同伦算法对建立的压缩感知模型中模拟生成的图像进行了定位分析,分别从恢复率、定位精度、重构时间几方面进行了对比。最后,采用同伦算法对模拟的生物样品和实验室采集的细胞进行了三维定位,并获得了三维超分辨图像。对比结果表明:在重构密度和定位精度接近的情况下,同伦算法比CVX方法的重构速度快2个数量级。同伦算法较OMP算法的定位精度要高一倍。采用同伦算法来实现三维的超分辨荧光显微成像在节约计算时间、实现实时成像方面具有一定的意义。 展开更多

关键词 压缩感知 单分子定位 图像重构 同伦算法

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单分子定位超分辨显微成像有机荧光探针的研究进展 被引量：7

3

作者 潘文慧 李文 +3 位作者 屈璟涵 叶懿霈 屈军乐 杨志刚 《应用化学》 CAS CSCD 北大核心 2019年第3期269-281,共13页

在生物医学领域,对纳米尺寸级别的微小生物目标进行精确定位研究具有非常重要的意义,而光学显微成像技术为此提供了强有力的工具。光学显微成像技术受到光学衍射极限的限制,难以分辨尺寸在衍射极限(<200 nm)以下的生物结构,无法直接... 在生物医学领域,对纳米尺寸级别的微小生物目标进行精确定位研究具有非常重要的意义,而光学显微成像技术为此提供了强有力的工具。光学显微成像技术受到光学衍射极限的限制,难以分辨尺寸在衍射极限(<200 nm)以下的生物结构,无法直接获取微小生物结构信息,阻碍了生物医学的进一步发展。近年来,随着纳米分辨显微成像技术的出现,新型荧光探针的开发、成像系统与设备的不断发展及成像算法不断完善地深入结合,促进了光学衍射极限以下尺寸微观目标的研究。基于单分子定位的超分辨荧光显微成像(SMLM)包括光激活定位成像(PALM)与随机光学重构超分辨成像(STORM),将有机荧光探针与超分辨光学显微成像技术紧密结合在一起,荧光探针的光物理性质直接决定着超分辨成像结果的好坏。因此,设计不同性能的荧光探针可以实现超精细结构的不同超分辨成像,为研究其生物学功能提供了有力的工具。本文着重围绕基于SMLM的原理、有机荧光探针的设计要求、用于SMLM的荧光探针种类及其生物应用等方面进行总结综述,指出了单分子定位成像上存在的不足,并对其发展方向进行了展望,希望为对超分辨成像研究感兴趣或初涉该领域的研究者提供成像理论与探针设计方面的帮助。 展开更多

关键词 超分辨成像 单分子定位成像 荧光探针 随机光学重构超分辨成像 光激活定位成像

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超分辨显微成像中荧光单分子定位算法的研究进展 被引量：3

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作者 林婉妮 金璐红 许迎科 《中国生物医学工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第2期229-237,共9页

超分辨显微成像技术的发展,可为生物医学的研究提供前所未有的机会。基于单分子定位的超分辨显微成像技术由于其相对简单的硬件结构,在生物医学领域的应用较为广泛。单分子定位的超分辨成像巧妙利用荧光发光的特点,针对少量离散的随机... 超分辨显微成像技术的发展,可为生物医学的研究提供前所未有的机会。基于单分子定位的超分辨显微成像技术由于其相对简单的硬件结构,在生物医学领域的应用较为广泛。单分子定位的超分辨成像巧妙利用荧光发光的特点,针对少量离散的随机发光的荧光分子进行成像,再通过拟合分析实现单分子的高精度空间定位。在这一过程中,荧光单分子的定位算法及图像处理速度显得尤其关键。对单分子定位成像算法的基本原理进行阐述,包括模型和估计器的选择以及重建结果的评估等内容。同时针对拟合方法和功能的不同,对10余种算法进行分类和比较,并选取具有代表性的算法展开讨论和分析,希望对未来开展相关研究提供一定的参考。 展开更多

关键词 单分子定位 算法 超分辨显微成像 点扩散函数 图像处理

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多色单分子定位显微技术研究进展(特邀)

5

作者 赵悦晗 郝翔 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第8期301-313,共13页

超分辨显微镜是探测分子尺度的亚细胞结构的有力工具,为生物学研究提供了新的途径。由于许多生物学问题都可以通过分析不同细胞结构间的相互作用进行研究,因此近年来发展了一系列多色超分辨显微技术。本文从生物样品制备和光学系统改进... 超分辨显微镜是探测分子尺度的亚细胞结构的有力工具,为生物学研究提供了新的途径。由于许多生物学问题都可以通过分析不同细胞结构间的相互作用进行研究,因此近年来发展了一系列多色超分辨显微技术。本文从生物样品制备和光学系统改进两个角度,对已有的多色单分子定位显微技术进行了总结,简要概括了每种技术的基本原理,分析了每种技术的优缺点及适用范围,重点归纳了近5年通过光学系统改进提升多色单分子定位显微技术性能的各类方法。最后,对快速发展的多色单分子定位显微技术领域进行了展望。 展开更多

关键词 单分子定位 超分辨成像 显微成像 荧光成像 多色成像

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多维度单分子成像研究进展

6

作者 李孟帆 陈剑威 +5 位作者 石伟 傅爽 李昀泽 罗婷丹 陈俊帆 李依明 《中国光学（中英文）》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第6期1243-1257,共15页

单分子成像方法被广泛应用于亚细胞结构的三维空间定位。点扩散函数是分析单分子信息的重要窗口,除了能反映空间坐标外还蕴含着丰富的额外信息。本文介绍了从点扩散函数中解析空间位置、荧光波长、偶极子朝向及干涉相位等多维度单分子... 单分子成像方法被广泛应用于亚细胞结构的三维空间定位。点扩散函数是分析单分子信息的重要窗口,除了能反映空间坐标外还蕴含着丰富的额外信息。本文介绍了从点扩散函数中解析空间位置、荧光波长、偶极子朝向及干涉相位等多维度单分子成像研究进展,简要地概括了目前主流定位方法,并对该技术的发展方向进行了展望。 展开更多

关键词 超分辨 单分子定位显微方法 多维度成像 点扩散函数

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细胞内分子检测及成像技术研究 被引量：4

7

作者 牛憨笨 陈丹妮 尹君 《深圳大学学报（理工版）》 EI CAS 北大核心 2011年第1期1-16,共16页

针对复杂生物学系统的研究和观测,指出对活体细胞内的分子及其相关事件,以高时空分辨率实现可视化、跟踪和定量处理,采用远场荧光成像是目前细胞内分子检测及成像的主要工具.在述评的基础上,介绍该课题组在活体细胞内分子检测及成像中... 针对复杂生物学系统的研究和观测,指出对活体细胞内的分子及其相关事件,以高时空分辨率实现可视化、跟踪和定量处理,采用远场荧光成像是目前细胞内分子检测及成像的主要工具.在述评的基础上,介绍该课题组在活体细胞内分子检测及成像中的荧光显微成像和非标记检测技术的研究进展.围绕提高荧光显微成像分辨率,研究图像信息获取速率高的宽场成像方法,包括结构光照明和单分子定位显微.在结构光照明显微研究中,采用可编程的数字微镜器件代替需要精确移动的光栅对生物样品进行显微成像,获得了超分辨显微成像;在单分子定位显微成像研究中,搭建单分子定位显微成像系统,实测分辨率达到48nm,并获得了HeLa细胞突起中微丝束结构的纳米分辨图像;针对厚样品成像时存在的荧光串扰难题,提出利用双波长空间非相干光干涉照明,理论分析证明,其可实现厚度为35nm半高全宽的单一薄层的轴向选择性激发.在非标记检测成像技术方面,围绕相干反斯托克斯拉曼散射(coherentanti-Stokes Ramanscattering,CARS)方法中存在的问题展开研究.为获得完整的物质分子CARS光谱,利用飞秒激光脉冲泵浦PCF获得超连续谱激光输出同时作为泵浦光和斯托克斯光,实现超宽带时间分辨CARS光谱探测和显微成像技术;通过数值模拟获得优化超连续谱激光输出的时谱结构的实验条件,初步实现了满足实验所需的SC激光光源;通过调节探测光脉冲与SC激光脉冲之间的时间延迟实现时间分辨CARS,达到有效抑制非共振背景噪声,提高系统探测灵敏度的目的.利用超宽带时间分辨CARS光谱探测和显微成像技术,获得多种有机溶液在387～4092cm-1范围内,光谱分辨率达14cm-1的不同分子的CARS光谱信号;通过分析探讨实现超分辨CARS显微成像技术的途径,提出利用双探测光实现纳米分辨的方案.未来研究方向,在荧光显微方面,将结合双波长空间非相干光干涉照明和轴向纳米定位,实现完整细胞三维纳米分辨荧光成像,通过发展高量子效率的小分子荧光开关材料及高灵敏度高帧频的探测器,将单分子定位显微应用到活细胞三维纳米成像和分子追踪上;在非标记成像方面,将重点发展基于CARS原理的单分子检测和纳米成像方法,尤其是基于改进后的超连续谱的超宽带CARS光谱技术和纳米分辨的CARS显微技术. 展开更多

关键词 信息光学 超分辨显微成像 远场荧光成像 结构光照明 单分子定位 相干反斯托克斯拉曼散射 纳米分辨 分子振动谱 超连续谱光源

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纳米级光学超分辨成像技术研究及展望

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作者 潘天颖 谷陆生 纪伟 《生物化学与生物物理进展》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2024年第10期2519-2531,共13页

荧光显微成像技术能够将细胞生理活动可视化,是现代生命科学研究的重要手段。超分辨成像技术的出现将研究推进到亚细胞结构层次,而具有纳米级分辨率的单分子定位成像技术成为了研究细胞器、大分子复合物空间分布及相互作用的有力工具。... 荧光显微成像技术能够将细胞生理活动可视化,是现代生命科学研究的重要手段。超分辨成像技术的出现将研究推进到亚细胞结构层次,而具有纳米级分辨率的单分子定位成像技术成为了研究细胞器、大分子复合物空间分布及相互作用的有力工具。继2014年超分辨成像技术获得诺贝尔化学奖后,《自然》(Nature)发布的2024年值得关注的七大技术中再次将纳米级分辨率光学成像技术作为热点进行介绍,超高分辨率成像技术是重要的前沿研究领域。本文首先简要介绍了荧光显微成像技术的发展历史、荧光显微镜的基础概念、超分辨成像技术的基本概况,之后着重介绍了单分子超分辨成像技术的研究进展,并在最后对该技术的发展及应用做了展望。 展开更多

关键词 超分辨成像技术 单分子定位成像技术 多色成像 三维成像 纳米级成像技术

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超分辨显微技术在活细胞中的应用与发展 被引量：18

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作者 胡春光 查日东 +4 位作者 凌秋雨 何程智 李奇峰 胡晓东 胡小唐 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2017年第11期15-25,共11页

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... 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。 展开更多

关键词 超分辨显微技术 单分子定位显微技术 受激发射损耗显微技术 结构光照明显微技术

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基于多测量矢量压缩感知的超分辨荧光显微成像研究 被引量：2

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作者 张赛文 邓亚琦 +7 位作者 王冲 冷潇泠 张光富 文兵 邓杨保 谭伟石 田野 李稳国 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2021年第11期395-402,共8页

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,MMVCS),并采用多重稀疏贝叶斯学习算法进行求解,来实现超... 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,MMVCS),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。 展开更多

关键词 单分子定位显微 多测量矢量 压缩感知 超分辨成像 稀疏贝叶斯学习

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随机光学重构显微术及其应用研究进展 被引量：5

11

作者 杨建宇 潘雷霆 +2 位作者 胡芬 张心正 许京军 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2017年第11期59-66,共8页

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... 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。 展开更多

关键词 超分辨成像 单分子定位 随机光学重构显微术 关联成像

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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)

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作者 戴太强 高晔 +7 位作者 马英 蔡卜磊 刘富伟 何博聆 禹洁 侯燕 郜鹏 孔亮 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2022年第11期48-59,共12页

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... 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。 展开更多

关键词 超分辨显微成像 细胞器间相互作用 受激发射损耗显微成像 结构光照明显微成像 单分子定位显微成像

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