基于超振荡透镜的非标记超分辨光学显微技术

发布时间：2020-10-28 12:12

　　 近年来,突破衍射极限,不断提高光学成像系统分辨率成为了光学研究领域的一大热点。20世纪初期至今,科研人员提出了多种实现光学超分辨的方法。且伴随着光学成像分辨率的不断提高,超分辨显微成像已经应用在了生物医学、材料、化学、光谱成像等各个领域。但目前常见的超分辨显微成像技术通常需要进行荧光标记,对于生物样品具有一定的光毒性。本文采用的基于超振荡透镜的非标记超分辨光学显微技术,可以有效的解决这一问题,具有良好的研究前景。本文的主要工作包括:(1)介绍了超分辨显微技术的研究背景、研究意义以及国内外研究现状,从而提出本文的研究目标和研究内容。(2)介绍了点扩展函数和圆偏振光的相关理论,并推导了圆偏振光矢量角谱传播公式。(3)简单介绍了粒子群优化算法,并利用粒子群优化算法结合圆偏振光矢量角谱衍射公式设计得到半径为650λ,焦距为200λ,数值孔径为0.956,半高全宽为0.379λ,旁瓣比34.989%的点聚焦器件,在焦平面处突破了0.397λ的超振荡极限。(4)介绍了基于超振荡透镜的非标记超分辨光学显微系统的基本工作原理,搭建了超分辨光学显微系统及其前端光路,完成包含编写系统控制程序、数据处理程序以及图像重建程序的上位机软件,介绍了该上位机软件的基本组成模块及其功能,并对调用动态链接库、多线程控制以及数据处理和图像重建进行了简单介绍。(5)实验测得基于圆偏振光矢量角谱衍射公式和粒子群算法的设计方法所设计的超振荡透镜在焦平面上X方向半高全宽达到0.381λ,突破了超振荡极限0.397λ,Y方向半高全宽达到0.413λ,突破了衍射极限0.523λ,接近超振荡极限。(6)综合考虑,选择了本组设计的更适合于超分辨光学显微的聚焦成超长光针的菲涅尔波带片作为显微成像实验所用的超振荡透镜,验证其聚焦性能,实验得到长达88.263λ的超长光针,突破衍射极限的部分达到67.902λ。(7)从超长光针中选择对称性和均匀性良好的聚焦光斑作为显微成像的扫描光束,对亚波长光栅进行非标记远场超分辨显微成像相关测试,实现了λ/3的超分辨显微成像。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

机光重构显微成像技术、受激发射损耗显微成像技术、结构光照明、基于超振荡效应的共聚焦扫描显微成像技术。 近场扫描显微成像技术研究现状928 年，Edward Synge 提出光透过一个刻有亚波长小孔的薄的、不透照明位于距该金属板亚波长距离的样品，通过扫描成像，得到一个破衍射极限的图像[4]。上世纪 80 年代初由 Pohl 等人在实验上得以实纪九十年代，Keilmann 等人提出了一种散射型的近场扫描显微技术，20分析计算了探针与样品之间相互作用，当入射波长为 10μm，探针，探针与样品间距为 100nm 时，在实验上得到了 λ/100 的成像分辨率年来，近场扫描显微成像技术衍生出很多新的方法。2014 年，Maga 研究小组提出一种基于双曲透镜阵列的光学显微技术，该小组将双置在光学显微镜中，从而放大小于衍射极限的样品细节，如图 1.1（成像分辨率提高到未放置双曲透镜阵列前的 10 倍以上，如图 1.1（在入射波长为 633nm 时，成功分辨出孔直径为 60nm，中心距离为 7[33]。

重庆大学硕士学位论文年，LIANG PAN 研究小组提出一种用于近场光学光刻和成像元耦合模型 PPL，如图 1.2（a）所示。与传统的激发局部狭缝或的方法不同，该模型采用等离子体激元与样品在竖直方向上直，具有很高的耦合效率，可以用作反射式的近场成像。在波长下，经该结构得到的半高全宽 FWHM 为 17nm 的聚焦光斑，如表面等离子体激元耦合模型用作近场成像，照明光源由结构后面反射，在结构后方进行探测，成功分辨了两个直径为 60nm 的两个小孔，如图 1.2（c、d）所示[34]。

图 1.3 随机光重构显微成像技术。（a）随机光重构显微成像技术原理示意图；（b）单个点扩展函数的荧光图像；（c）对一个荧光开关分子 20 次成像定位实验结果图（标尺为 20nm）；（d）对一个荧光开关分子 20 次成像定位实验结果矫正后效果图；（e）中心位置标准差的柱状图Fig.1.3 Stochastic optical reconstruction microscopy(STORM). (a) Schematic diagram of theprinciple of STORM; (b) The point spread function of single switch; (c) The center position of asingle switch for 20 image cycles; (d) The center position of a single switch for 20 image cycles aftercorrection. A histogram of the standard deviation of the central position.2008 年，zhuang 研究小组在之前的基础上[36]，提出了三维随机光重构显微成像技术，采用的方法是在成像路径上加入一个柱面镜，如图 1.4a 所示，结果证明，随着在 Z 方向距离的变化，荧光图像的椭圆率以及椭圆的方向都在发生变化。其中在等效焦平面处，为圆形光斑，当样品与物镜的距离大于等效焦距时，椭圆长轴沿 X 轴方向，反之，当样品与物镜的距离小于等效焦距时，椭圆长轴沿 Y 轴方向，利用二维椭圆高斯拟合公式，可以得到峰值位置和沿 XY 方向的宽度 Wx、Wy。该小组以固定的用 Alexa 647 标记的链霉亲和素的单个分子进行成像，其中
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本文编号：2860076