弱光探测器的超分辨定位成像性能研究

发布时间：2017-11-07 14:42

  本文关键词：弱光探测器的超分辨定位成像性能研究

  更多相关文章： 超分辨定位成像 弱光探测器 sCMOS相机 单分子成像性能 探测器噪声依赖的定位算法 定位精度

【摘要】：近年来,基于单分子定位的超分辨定位显微成像技术迅猛发展,已经成为人们在纳米尺度研究微观生物世界的重要工具,甚至有可能成为当前全球兴起的脑研究计划的关键技术支持。在超分辨定位成像过程中,荧光探针、弱光探测器和单分子定位算法是影响成像质量的三大因素。弱光探测器作为其中承上启下的关键部件,将单分子信号特点准确地记录下来,为后续定位算法提供高质量的图像,是最终获取高分辨率图像的基础和保障。因此,根据单分子信号特点选择合适的弱光探测器以获得最佳成像分辨率将会非常重要,尤其是在一些超精细结构的研究中,分辨率的微小提升都有着重大意义。但是目前,还没有人在严格的实验数据质量控制和完善的数据分析方法下量化弱光探测器的超分辨定位成像性能。本文围绕该问题,结合当前荧光探针以及定位算法的发展,对弱光探测器的单分子定位成像性能进行直接、全面地比较,具体内容如下： (1)量化弱光探测器超分辨定位成像性能的理论分析。通过分析荧光探针、弱光探测器、单分子定位算法之间的相互联系,明确了比较弱光探测器性能需要全面综合考虑单分子信号特点和定位算法的影响。并在此基础上指出了之前相关实验研究中存在的不足,同时完善了探测器噪声依赖的定位算法,为后续研究奠定实验和分析方法基础。 (2)量化弱光探测器超分辨定位成像性能的实验平台。对用于探测器性能比较的光学系统做了针对性改进,以确保严格的数据质量控制。首先将探测信号平均分成两条光路,并通过二次放大倍率匹配成像面像素尺寸都为100nm,确保EMCCD和sCMOS能够在几乎相同的成像条件下进行同步采集；随后对成像系统的稳定性和单分子成像性能进行表征,表明光学系统具备高质量单分子成像的能力,为弱光探测器的超分辨定位成像性能研究提供实验技术保障。 (3)直观、严谨地量化弱光探测器超分辨定位成像性能。结合不同噪声模型的单分子定位算法,我们以单分子实验定位精度为主要指标,在常规的超分辨定位成像实验条件和信号强度下对EMCCD和sCMOS的成像性能进行比较。实验结果表明：(i)若使用传统的极大似然法,EMCCD因其具有更低的读出噪声,在低背景、弱信号工作区间有比较明显优势；然而随着信号强度,尤其是背景强度的增加,EMCCD成像性能受到电子倍增额外噪声的影响,其成像性能降低,并逐渐被sCMOS超越；(ii)另一方面,对于EMCCD相机,噪声模型依赖的极大似然法提供的定位精度与传统极大似然法相差不多,或者仅稍优于传统极大似然法；但对于sCMOS相机,噪声模型依赖的极大似然法在信号水平相对较低时(对应于大多数荧光蛋白的信号强度范围),获得的定位精度明显优于传统极大似然法；(iii)通过这些实验结果我们发现,sCMOS相机在探测器噪声模型依赖的定位算法支持下,即使信号较弱时也能获得与EMCCD相似的成像性能,有能力作为常规实验条件下超分辨定位成像的最优选择。最后结合细胞生物样品的超分辨定位成像实验,通过比较超分辨重构图像的FRC分辨率,对上述结论进行了证实。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41

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本文编号：1152885