基于误差反向传播原理的结构探测超分辨显微技术研究
发布时间：2020-12-07 02:50
光学显微镜在工业精密测量和生物成像领域中一直扮演着重要的角色,特别是在生物成像领域,分子荧光探针特异性标记技术的发展使得光学显微镜变得愈加不可替代,其非接触、无损、可动态实时观测特性是其他非光学显微测量手段难以具备的。但是,众所周知的光学衍射极限严重限制了其空间分辨能力,提升光学显微镜的空间分辨力是工业精密测量、精密制造、生物制药、活体细胞成像等众多前沿领域的迫切需求。本课题“基于误差反向传播原理的结构探测超分辨显微技术研究”主要针对生物成像领域,旨在通过结构探测方法实现对生物荧光样品的超分辨。结构探测方法可在不改变现有激光扫描显微系统结构的前提下相对宽场显微系统提升2倍的横向分辨力,与宽场结构照明技术相比,在激光扫描显微系统探测臂中实现的结构探测方法在原理上具备层析能力,而且通过结构探测超分辨可在长波照明条件下获得短波照明的分辨力,更长的激发波长意味着更大的探测深度及更小的光毒性和光漂白问题,更有利于生物细胞成像。但是,传统结构探测技术从结构照明技术发展而来,仍需使用余弦函数探测并进行频谱重构,而实际的光学显微系统不可能完全理想,任何器件的参数或位置偏差都会导致探测函数与理论值的差异...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于RESOLFT过程的超分辨方法原理图
图 1-5 基于荧光开关的随机光学重构显微技术原理图[59]Fig. 1-5 Principle diagram of stochastic optical reconstruction microscopy withphoto-switchable fluorophores[59]超分辨荧光闪烁成像[62]技术（Super resolution optical fluctuation imagingSOFI）是由 T. Dertingera 等人于 2009 年提出的，其原理如图 1-6 所示，这种技术的本质仍然基于荧光单分子定位，但是，其利用的不再是荧光分子的开关特性，而是利用了荧光分子发光强度随时间的随机变化特征。在 SOFI 技术中，参与成像的荧光分子发光强度在时间上是随机变化的而在空间上不同荧光分子的发光强度互不影响，因此，使用相机记录一组随时间变化的连续荧光图像，通过计算荧光图像中的每个像素点数值随时间波动的高阶累积量以获知荧光分子的独立波动特征，以此来对荧光分子完成定位以实现超分辨图像的重建。实质上，SOFI 技术的原理依然是单分子定位，但其确定单分子位置的手段不再是 STORM、PALM 中对单个荧光分子的控制，而是针对荧光分子光强波动的时域特征通过统计原理进行分离，适用于 SOFI 成像的荧光探针有可逆光开关荧光蛋白、具备闪烁特性的量子点等，SOFI 超分辨显微技术相比其他单分子定位超分辨显微技术具有系统简单、成像时间快的优
图 1-6 超分辨荧光涨落成像技术原理图[62]Fig. 1-6 Principle diagram of super resolution optical fluctuation imaging[62]综上所述，基于荧光单分子定位的超分辨方法需要具有开关特性或光强特性的荧光分子探针，通过荧光探针单分子定位的方式可以显著提升图像间分辨力，但是其荧光图像的记录方式决定了这类方法的时间分辨力较以实现实时成像[63-66]。2.3 结构照明超分辨显微成像方法1997 年由 M. A. A. Neil 和 T. Wilson 等人提出在宽场显微镜中应用结明[67]方法，其目的是为了在宽场显微镜中实现层析。而将结构照明方法用升显微镜的分辨力则是于 1999 年由 Rainer Heintzmann 等人提出的调制显微[68]技术（Laterally modulated excitation microscopy, LMEM）和 200 Mats G. L. Gustafsson 等人提出的结构光照明显微[69]技术（Structumination microscopy, SIM），而这也就是人们更习惯称之为的结构光照明[70-77]技术。
【参考文献】：
期刊论文
[1]单分子定位超分辨显微成像有机荧光探针的研究进展[J]. 潘文慧,李文,屈璟涵,叶懿霈,屈军乐,杨志刚. 应用化学. 2019(03)
[2]绿色荧光碳量子点的细胞成像研究[J]. 刘欢,张洪文,汤玉英,姜彦. 化工新型材料. 2019(02)
[3]受激辐射损耗超分辨荧光成像探针研究进展[J]. 刘毋凡,陈楚芳,潘文慧,熊佳,屈军乐,杨志刚. 化工进展. 2019(02)
[4]现代显微成像技术及其在细胞生物学中的应用[J]. 杨治河,闫丽,李红林,蔡亚非. 解剖学报. 2018(06)
[5]结构光照明超分辨光学显微成像技术与展望[J]. 陈廷爱,陈龙超,李慧,余佳,高玉峰,郑炜. 中国光学. 2018(03)
[6]超分辨率成像荧光探针材料应用进展[J]. 刘志贺,吴长锋. 中国光学. 2018(03)
[7]深度神经网络并行化研究综述[J]. 朱虎明,李佩,焦李成,杨淑媛,侯彪. 计算机学报. 2018(08)
[8]超分辨显微技术在活细胞中的应用与发展[J]. 胡春光,查日东,凌秋雨,何程智,李奇峰,胡晓东,胡小唐. 红外与激光工程. 2017(11)
[9]超分辨成像方法研究现状与进展[J]. 王超,张雅琳,姜会林,李英超,江伦,付强,韩龙. 激光与红外. 2017(07)
[10]基于点扫描的超分辨显微成像进展[J]. 赵光远,郑程,方月,匡翠方,刘旭. 物理学报. 2017(14)
博士论文
[1]基于单分子荧光闪烁的快速超分辨显微方法和实验研究[D]. 王雪花.深圳大学 2017
[2]弱光探测器的超分辨定位成像性能研究[D]. 胡哲.华中科技大学 2015
[3]矢量衍射远场超分辨聚焦相关理论及共焦显微成像研究[D]. 刘涛.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]基于光束串行扫描的阵列式结构探测共焦技术研究[D]. 严情.哈尔滨工业大学 2018
[2]基于空间光调制器的结构探测共焦横向超分辨方法研究[D]. 周梦姣.哈尔滨工业大学 2016
[3]基于结构探测原理的共焦超分辨方法研究[D]. 王宝凯.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：2902477
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于RESOLFT过程的超分辨方法原理图
图 1-5 基于荧光开关的随机光学重构显微技术原理图[59]Fig. 1-5 Principle diagram of stochastic optical reconstruction microscopy withphoto-switchable fluorophores[59]超分辨荧光闪烁成像[62]技术（Super resolution optical fluctuation imagingSOFI）是由 T. Dertingera 等人于 2009 年提出的，其原理如图 1-6 所示，这种技术的本质仍然基于荧光单分子定位，但是，其利用的不再是荧光分子的开关特性，而是利用了荧光分子发光强度随时间的随机变化特征。在 SOFI 技术中，参与成像的荧光分子发光强度在时间上是随机变化的而在空间上不同荧光分子的发光强度互不影响，因此，使用相机记录一组随时间变化的连续荧光图像，通过计算荧光图像中的每个像素点数值随时间波动的高阶累积量以获知荧光分子的独立波动特征，以此来对荧光分子完成定位以实现超分辨图像的重建。实质上，SOFI 技术的原理依然是单分子定位，但其确定单分子位置的手段不再是 STORM、PALM 中对单个荧光分子的控制，而是针对荧光分子光强波动的时域特征通过统计原理进行分离，适用于 SOFI 成像的荧光探针有可逆光开关荧光蛋白、具备闪烁特性的量子点等，SOFI 超分辨显微技术相比其他单分子定位超分辨显微技术具有系统简单、成像时间快的优
图 1-6 超分辨荧光涨落成像技术原理图[62]Fig. 1-6 Principle diagram of super resolution optical fluctuation imaging[62]综上所述，基于荧光单分子定位的超分辨方法需要具有开关特性或光强特性的荧光分子探针，通过荧光探针单分子定位的方式可以显著提升图像间分辨力，但是其荧光图像的记录方式决定了这类方法的时间分辨力较以实现实时成像[63-66]。2.3 结构照明超分辨显微成像方法1997 年由 M. A. A. Neil 和 T. Wilson 等人提出在宽场显微镜中应用结明[67]方法，其目的是为了在宽场显微镜中实现层析。而将结构照明方法用升显微镜的分辨力则是于 1999 年由 Rainer Heintzmann 等人提出的调制显微[68]技术（Laterally modulated excitation microscopy, LMEM）和 200 Mats G. L. Gustafsson 等人提出的结构光照明显微[69]技术（Structumination microscopy, SIM），而这也就是人们更习惯称之为的结构光照明[70-77]技术。
【参考文献】：
期刊论文
[1]单分子定位超分辨显微成像有机荧光探针的研究进展[J]. 潘文慧,李文,屈璟涵,叶懿霈,屈军乐,杨志刚. 应用化学. 2019(03)
[2]绿色荧光碳量子点的细胞成像研究[J]. 刘欢,张洪文,汤玉英,姜彦. 化工新型材料. 2019(02)
[3]受激辐射损耗超分辨荧光成像探针研究进展[J]. 刘毋凡,陈楚芳,潘文慧,熊佳,屈军乐,杨志刚. 化工进展. 2019(02)
[4]现代显微成像技术及其在细胞生物学中的应用[J]. 杨治河,闫丽,李红林,蔡亚非. 解剖学报. 2018(06)
[5]结构光照明超分辨光学显微成像技术与展望[J]. 陈廷爱,陈龙超,李慧,余佳,高玉峰,郑炜. 中国光学. 2018(03)
[6]超分辨率成像荧光探针材料应用进展[J]. 刘志贺,吴长锋. 中国光学. 2018(03)
[7]深度神经网络并行化研究综述[J]. 朱虎明,李佩,焦李成,杨淑媛,侯彪. 计算机学报. 2018(08)
[8]超分辨显微技术在活细胞中的应用与发展[J]. 胡春光,查日东,凌秋雨,何程智,李奇峰,胡晓东,胡小唐. 红外与激光工程. 2017(11)
[9]超分辨成像方法研究现状与进展[J]. 王超,张雅琳,姜会林,李英超,江伦,付强,韩龙. 激光与红外. 2017(07)
[10]基于点扫描的超分辨显微成像进展[J]. 赵光远,郑程,方月,匡翠方,刘旭. 物理学报. 2017(14)
博士论文
[1]基于单分子荧光闪烁的快速超分辨显微方法和实验研究[D]. 王雪花.深圳大学 2017
[2]弱光探测器的超分辨定位成像性能研究[D]. 胡哲.华中科技大学 2015
[3]矢量衍射远场超分辨聚焦相关理论及共焦显微成像研究[D]. 刘涛.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]基于光束串行扫描的阵列式结构探测共焦技术研究[D]. 严情.哈尔滨工业大学 2018
[2]基于空间光调制器的结构探测共焦横向超分辨方法研究[D]. 周梦姣.哈尔滨工业大学 2016
[3]基于结构探测原理的共焦超分辨方法研究[D]. 王宝凯.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：2902477
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