基于金纳米颗粒非线性饱和散射特性的非荧光超分辨生物显微成像
发布时间：2021-11-12 08:33
光学显微成像技术在显微生物学的发展中发挥重要作用,同时成为材料学、医学、光学、能源等其他领域不可或缺的重要工具。随着16世纪第一台现代意义上的显微成像系统被研制,光学显微成像技术一直受限于光的衍射效应限制,导致生物学家用光学显微方法无法直接观测到200 nm以下的生物结构。近几十年来,随着相关光学技术和材料研究的进一步完善,越来越多突破衍射极限的超分辨显微成像技术被提出,2014年诺贝尔化学奖被授予该领域,进一步促使了超分辨显微技术的发展。在目前众多超分辨显微成像技术中,受激辐射损耗显微技术（STED）通过改造共聚焦显微系统,采用激发光束和损耗光束相结合的形式压缩成像光斑的点扩散函数（PSF）,从而实现超分辨成像,因此其不仅保留共聚焦系统的优点,同时能快速直接获取样品的超分辨显微图像信息,无需进一步后期处理。在生物研究领域,金纳米颗粒作为常用的等离子体纳米颗粒,被广泛用于生物成像、免疫标记、光热治疗、药物载体等方面,起到非常重要的作用。在此研究背景下,本论文从传统的STED显微技术出发,分析该显微技术存在的缺陷,结合等离子体纳米颗粒的特性,提出了基于金纳米颗粒非线性饱和散射特性的非荧光...
【文章来源】：暨南大学广东省 211工程院校
【文章页数】：119 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
生物尺寸与各显微成像技术的分辨率对比示意图[2]
存在荧光发光现象，并将其引入到光学成像研究应用中，构建出荧光显微成像系统，从而实现了对细胞内物质特征的观察。荧光显微成像系统以其具有低损伤、高特异性、高灵敏度以及实时动态成像等优势，被广泛应用于细胞内新陈代谢过程的研究中，有效的促进了现代生物医学的发展，并且对材料、光学、精密加工等多个相关领域产生巨大推动作用，如图1-1所示。随着物理学研究的进一步发展，人们发现在光学系统进行显微成像过程中，由于光具有衍射特性，点光源经过有限尺寸的透镜，在像空间形成的是具有一定强度分布的埃里光斑[3]，如图1-2所示。1873年，德国物理学家ErnstAbbe基于光学相干照明的理论，推导出著名的阿贝衍射极限公式，即光学显微成像系统的分辨率与入射波长成正比，与显微物镜的数值孔径成反比关系。由此可知，传统荧光显微镜的成像分辨率极限为可见光波长的一半，即200nm左右。然而，在生物研究过程中，一些存在于细胞内的细胞器、病毒和蛋白质等物质或分子的结构以及其精确定位、分布等信息都是处于纳米量级，大大超出了传统光学显微成像系统的分辨极限，而无法被人们观测。图1-2阿贝衍射极限公式。因此，人们通过对阿贝衍射极限公式的研究，得出了提升光学系统分辨率的两种主要方法：第一，降低入射波长；第二，提高物镜数值孔径。针对第一种方法，科学家发现电子的德布罗意波长远小于光波长，可以采用电子束替代入射光的方法，来实现入射波长的降低，进而提升系统的成像分辨率，由此开发出电子显微成像技术（EM，Electronmicroscope），其分辨率可达0.1nm~0.2nm[4]。然而，该技术使用的电子束能量过高，穿透深度较低，样品制备过程复杂，并且缺乏成像特异性标记，并不适用于生物活体和复杂样品的原位观察。针对第二种方
暨南大学博士学位论文-5-子都被单独激活并淬灭；第五步，将所有帧上的荧光分子原始图像叠加获得样品的显微图像（图1-3E和F），叠加所有程序处理后的荧光分子图像，由此重构出超越衍射极限的超分辨显微图像（图1-3E’和F’）。图1-3光活化定位显微技术（PALM）的成像原理图[7]。从理论上分析，PALM显微成像技术具有超高的分辨率，可达到1nm数量级
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
[2]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)
[3]从超振荡透镜到超临界透镜:超越衍射极限的光场调制[J]. 秦飞,李向平,洪明辉. 光电工程. 2017(08)
[4]突破光学衍射极限:实现远场纳米级分辨的光学显微镜[J]. 倪洁蕾,程亚. 科学. 2015(01)
[5]受激发射损耗显微术（STED）的机理及进展研究[J]. 李帅,匡翠方,丁志华,郝翔,顾兆泰,葛剑虹,刘旭. 激光生物学报. 2013(02)
[6]几种超分辨率荧光显微技术的原理和近期进展[J]. 吕志坚,陆敬泽,吴雅琼,陈良怡. 生物化学与生物物理进展. 2009(12)
[7]超分辨远场生物荧光成像——突破光学衍射极限[J]. 毛峥乐,王琛,程亚. 中国激光. 2008(09)
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
硕士论文
[1]超分辨荧光显微方法与系统研究[D]. 李帅.浙江大学 2014
本文编号：3490545
【文章来源】：暨南大学广东省 211工程院校
【文章页数】：119 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
生物尺寸与各显微成像技术的分辨率对比示意图[2]
存在荧光发光现象，并将其引入到光学成像研究应用中，构建出荧光显微成像系统，从而实现了对细胞内物质特征的观察。荧光显微成像系统以其具有低损伤、高特异性、高灵敏度以及实时动态成像等优势，被广泛应用于细胞内新陈代谢过程的研究中，有效的促进了现代生物医学的发展，并且对材料、光学、精密加工等多个相关领域产生巨大推动作用，如图1-1所示。随着物理学研究的进一步发展，人们发现在光学系统进行显微成像过程中，由于光具有衍射特性，点光源经过有限尺寸的透镜，在像空间形成的是具有一定强度分布的埃里光斑[3]，如图1-2所示。1873年，德国物理学家ErnstAbbe基于光学相干照明的理论，推导出著名的阿贝衍射极限公式，即光学显微成像系统的分辨率与入射波长成正比，与显微物镜的数值孔径成反比关系。由此可知，传统荧光显微镜的成像分辨率极限为可见光波长的一半，即200nm左右。然而，在生物研究过程中，一些存在于细胞内的细胞器、病毒和蛋白质等物质或分子的结构以及其精确定位、分布等信息都是处于纳米量级，大大超出了传统光学显微成像系统的分辨极限，而无法被人们观测。图1-2阿贝衍射极限公式。因此，人们通过对阿贝衍射极限公式的研究，得出了提升光学系统分辨率的两种主要方法：第一，降低入射波长；第二，提高物镜数值孔径。针对第一种方法，科学家发现电子的德布罗意波长远小于光波长，可以采用电子束替代入射光的方法，来实现入射波长的降低，进而提升系统的成像分辨率，由此开发出电子显微成像技术（EM，Electronmicroscope），其分辨率可达0.1nm~0.2nm[4]。然而，该技术使用的电子束能量过高，穿透深度较低，样品制备过程复杂，并且缺乏成像特异性标记，并不适用于生物活体和复杂样品的原位观察。针对第二种方
暨南大学博士学位论文-5-子都被单独激活并淬灭；第五步，将所有帧上的荧光分子原始图像叠加获得样品的显微图像（图1-3E和F），叠加所有程序处理后的荧光分子图像，由此重构出超越衍射极限的超分辨显微图像（图1-3E’和F’）。图1-3光活化定位显微技术（PALM）的成像原理图[7]。从理论上分析，PALM显微成像技术具有超高的分辨率，可达到1nm数量级
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
[2]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)
[3]从超振荡透镜到超临界透镜:超越衍射极限的光场调制[J]. 秦飞,李向平,洪明辉. 光电工程. 2017(08)
[4]突破光学衍射极限:实现远场纳米级分辨的光学显微镜[J]. 倪洁蕾,程亚. 科学. 2015(01)
[5]受激发射损耗显微术（STED）的机理及进展研究[J]. 李帅,匡翠方,丁志华,郝翔,顾兆泰,葛剑虹,刘旭. 激光生物学报. 2013(02)
[6]几种超分辨率荧光显微技术的原理和近期进展[J]. 吕志坚,陆敬泽,吴雅琼,陈良怡. 生物化学与生物物理进展. 2009(12)
[7]超分辨远场生物荧光成像——突破光学衍射极限[J]. 毛峥乐,王琛,程亚. 中国激光. 2008(09)
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
硕士论文
[1]超分辨荧光显微方法与系统研究[D]. 李帅.浙江大学 2014
本文编号：3490545
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