单分子三维取向超分辨成像技术进展（特邀）

超分辨显微成像技术自诞生以来,凭借其优异的纳米级空间分辨率,已成为生命科学研究中精准揭示复杂生命现象的重要成像技术。其中,基于单分子定位的超分辨成像策略,使得定位、观察、研究单个探针分子独特的理、化、光学性能成为可能。偏振作为荧光信号的一个重要特性,近年来伴随着单分子三维取向成像技术的发展,逐步在单分子成像和超分辨领域中展示出诸多新颖且重要的应用特性。本文总结了单分子三维取向超分辨成像技术的最新进展,介绍并分析了两类主要的单分子三维取向荧光显微技术——基于荧光吸收与辐射偏振调制的单分子三维取向成像方法以及利用点扩散函数工程将单个荧光分子的三维取向信息编码到荧光图像上的成像策略。此外,还探讨了应用于活细胞或单颗粒的其他类型的超分辨取向成像技术。最后,针对单分子三维取向超分辨成像技术发展与应用前景面临的挑战,进行了总结与展望。     

单分子荧光涨落系统的研制

报道一种单分子荧光涨落检测系统的实验装置的设计。该系统主要由激光共焦系统、微区激发系统、光电转换及数据采集和分析系统组成。本文另对共焦系统和数据采集系统的原理作了简要的说明。由于采用了共焦系统，这样就可以从一个视场深度比较窄的区域内采集生物信息，而不需要象普通荧光采集系统那样大范围采集，焦点外的荧光信号进行检测，这些工作也为在单分子水平上探索疾病机理和揭示生命现象的本质提供了一个有力的手段。     

单分子实时成像和表征研究进展

中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术实验室研究人员近期与清华大学生物系合作,通过活细胞单分子成像．在转化生长因子受体聚集状态和激活模式的研究方面取得重要进展,相关研究成果发表于2009年106卷美国《国家科学院院刊》上。     

高通量单分子定位显微成像技术进展（特邀）

由于衍射极限的存在,传统的光学成像手段无法观测细胞器结构及细胞器之间的相互作用。单分子定位显微成像技术作为三种超分辨技术中分辨率最高的成像技术,为生命科学领域的研究提供了重要手段。大视场高通量单分子成像技术具有分辨率高、成像范围大和成像时间短等特点,在生物医学领域广泛用于观察和分析复杂的生物结构和功能。从基于硬件扫描的拼接成像技术、基于大面阵sCMOS的大视场高通量成像技术、大景深单分子定位成像技术、高通量数据分析技术4个方面回顾近年来大视场高通量单分子定位技术的研究进展。最后,对大视场高通量单分子定位成像技术的发展方向进行展望。     

超分辨成像中荧光分子定位算法性能比较

超分辨成像已成为活细胞结构和功能成像的关键工具,荧光分子定位是超分辨成像过程中不可缺少的步骤。从超分辨成像角度研究各种荧光分子定位算法性能具有重要的意义。选择5种典型的荧光分子定位算法:质心法、广义质心法、高斯拟合、解线性方程组和极大似然法,以定位精度和定位时间来评价所选择算法的性能。结果表明,1)高斯拟合、极大似然法和广义质心法能高精度对荧光分子定位,不受荧光分子所在子区域提取的影响;2)质心法和解线性方程组法能应用于图像在线分析,但定位精度较低,受子区域提取影响较大;3)当两个荧光分子位于一个衍射斑时,采用这5种算法的定位精度都会急剧下降。     

手持式食品残留物荧光成像检测系统开发

为了解决食品生产加工场所的卫生检查地点不固定、检测效果受环境因素影响大等问题,根据不同种类食品残留物在紫外光照射下产生不同波长荧光的特性,采用荧光成像技术和分块大津算法,开发了一种能够协助现场检测员进行视觉卫生检查的手持式荧光成像设备。利用3种常见材料表面(木制案板、不锈钢板、聚乙烯塑料板)对奶粉(体积分数为50%、33%、20%、10%、2%)和菠菜残渣(体积分数为50%、33%、25%、20%、10%)进行了实验验证。结果表明,该系统可以协助检测员进行卫生安全检查,不同体积分数菠菜残渣在3种材料表面检出率为100%,不同体积分数奶粉残留物在木制案板和不锈钢板表面检出率为100%,在聚乙烯塑料板表面,除体积分数为2%的奶粉残留物部分检出外,其余体积分数奶粉残留物均能有效检出。该研究为食品加工场所手持式卫生检测设备开发提供了参考。     

基于随机森林和BP神经网络的船舶驾驶员疲劳检测算法

本文针对船舶驾驶场景,提出了一种基于随机森林和BP神经网络的船舶驾驶员疲劳检测算法,及时检测船舶驾驶员的疲劳驾驶行为,对安全航行有重要意义。首先,使用随机森林算法对特征数据按照场景分类;其次,根据场景将数据分发到不同的BP神经网络模型进行预测;最后,使用船舶仿真模拟器进行实验验证。结果显示,算法识别准确率为0.82,召回率为0.65,精确率为0.69,说明本文提出的算法对船舶驾驶员疲劳驾驶行为检测有一定实用价值,且与生理数据监测方法相比,简单方便、成本更低,对驾驶员无干扰。     

基于频率调制和空间编码的单PMT荧光分子断层成像

针对荧光分子断层成像数据采集方式存在的问题,提出了一种基于频率调制和空间编码的成像方法,旨在改进数据采集方案,缩短数据采集时间。在该方法中,激发光束被分成若干个子束,用作多点激发光源。这些子光束首先被调制成不同的频率,然后同时入射到目标表面的不同点上。在检测端,目标的出射光首先通过空间编码掩模,然后被引导至单光电倍增管。根据压缩感知理论,改变掩模的模式,进行稀疏重构恢复,最终得到目标表面荧光信号的分布。为了验证本文所提方法的可行性,设计了相应的仿真模拟实验,实验结果表明该方法可以较好地恢复原始图像,证明该方法的可行性。     

数字PCR平台与单细胞单分子检测

数字PCR作为第三代PCR技术,主要是在扩增单分子的基础上对核酸拷贝数进行绝对性定量的样品检测技术,具有非常高的灵敏度.近年来,随着科学技术的进步和医疗卫生技术水平的改善提高,微流控技术作为一种先进的技术,促使着数字PCR平台的产生.但是现有的数字PCR平台类型主要是芯片型和液滴型,不仅操作费用昂贵,且需要进行外接的相关配套控制系统以及管路众多,这便在很大程度上严重制约了我国生命科学领域中对于数字PCR技术的广泛应用.     

近红外二区荧光成像技术的临床研究进展

近红外荧光成像是外科手术中实现术中导航的关键技术之一。近些年随着近红外二区（NIR-II, 900~1 700 nm）光学生物成像理论的日趋成熟,NIR-II荧光成像技术成为临床手术导航领域的一大研究热点。本文基于NIR-II光学生物成像理论,简要介绍了NIR-II荧光探针及成像系统的发展现状,就NIR-II荧光成像技术在活体小动物手术与人体临床手术中的研究展开综述,讨论了该技术在未来临床手术中的发展潜力以及临床转化中需要面临的难点。     

单物镜光片三维荧光成像技术研究进展（特邀）

光片显微镜由于具有强大的光学层切能力、较快的成像速度和较低的光损伤,成为三维成像的重要工具。光片显微镜通常利用两个垂直放置的物镜分别进行照明和成像,这带来了对样品的空间限制并禁用了高数值孔径的成像物镜。以倾斜平面照明和微镜微器件反射技术为代表的单物镜光片显微技术突破上述限制,展示出在高分辨率和体积高速成像方面的优势,并且可与超分辨显微术等多种技术结合,在近年来取得了巨大发展。介绍单物镜光片显微成像技术的原理、关键性能的提升和其在生物医学的应用。     

荧光共振能量转移技术在生命科学中的应用及研究进展

荧光共振能量转移(FRET)是指两个荧光基团间能量通过偶极-偶极耦合作用以非辐射方式从供体传递给受体的现象,可被用于测定分子间的距离.FRET荧光探针主要有荧光蛋白、有机荧光染料、镧系染料和量子点,近年来有许多新的应用;测试方法上与时间分辨、单分子检测、荧光寿命和荧光相关光谱等技术联用取得了更好的成效.     

超声无损检测成像技术

超声无损检测成像技术在现代工业的很多领域中都有很重要的用途,具有非常广阔的发展前景。对扫描超声成像、超声波显像、超声全息、ALOK法成像、相控阵法、超声显微镜、SAFT成像、TOFD成像、超声CT成像的发展、原理、特点和应用做了分析,可以更好地指导实际应用,并指出了超声无损检测成像技术的发展方向。     

一种车载疲劳驾驶检测方法

文章针对车辆驾驶员的疲劳检测,提供了一种使用图像处理的方法来对驾驶员的眼部信息进行提取,建立眼部状态判定模型,根据图像信息提取判断出闭眼的时长以及闭眼的频率分析判断疲劳行为,并对驾驶员进行提醒和辅助驾驶,以减少交通事故的发生。同时,该方法给出了驾驶员处于疲劳状态并预警,提出了疲劳等级划分,不仅检测驾驶员是否疲劳,还检测驾驶员的疲劳等级,并给出相应的提醒操作。     

耦合式背光介观荧光分子成像系统设计北大核心CSCD

在生物组织工程的应用中需要有对生物结构标记的三维、纵向评估。一般来说,这些生物组织的结构通常是几毫米厚和浑浊的,因此对图像成像有很大挑战性,且经典荧光显微技术不能满足于其需要。介观荧光分子成像系统是一种新兴的成像系统,该系统基于介观荧光分子层析方法,它填补了显微荧光分子成像技术和宏观荧光分子成像技术之间的空白。为提升介观荧光分子重建的性能,本文主要基于光学原理对光学系统的配置参数进行了优化和改进,包括探测器布局、非耦合或耦合的扫描模式,并对介观荧光分子成像系统的三维成像性能进行了评价和对比。结果表明,本文设计的耦合式背光介观荧光分子层析成像(mesoscopic fluorescence molecular tomography imaging,MFMT)系统能够很好地提升重建性能,获得高质量的重建结果。     

疲劳裂纹的振动红外热成像检测

本文以飞机疲劳裂纹自然损伤件为对象,利用简易装置基于振动红外热成像检测法对微裂纹的检测进行了初步实验,结果证明了该技术用于金属构件裂纹检测的可行性.最后结合航空维修应用需求,提出了应注意的问题.