受激发射损耗显微术及扩展技术

受激发射损耗(STED)显微术利用荧光饱和与激发态荧光受激损耗的非线性关系,并通过限制受激辐射衰减的区域,减少荧光光斑大小,获得小于衍射极限的发光点来提高系统分辨率,从而突破远场光学显微术的衍射极限分辨力限制来实现无接触三维成像。基于受激辐射损耗抑制的物理过程,论述了发生损耗抑制的工作机理和工作条件,介绍了STED系统的分辨率及系统组成,并详尽综述了双光束、双光子、双色、4Pi及松散三重态等STED最新拓展应用技术。最后说明了最新激光技术的进展为开发实用STED技术提供保证,展望了该技术未来发展的重点及应用前景。     

受激辐射损耗超分辨成像技术研究

受激辐射损耗显微成像(STED)是一种超分辨荧光显微成像技术,它能够突破传统光学衍射极限的限制,把远场光学分辨率提高到百纳米以内,被广泛应用于生物医学等领域,是目前光学显微成像领域研究的热点之一。采用了一种基于超连续谱皮秒脉冲白激光光源的STED显微系统,实现超分辨成像。并从精密合束、脉冲延迟和损耗光残留光强几个方面探讨系统优化,从而获得最佳的成像效果。对直径约25 nm荧光微球成像实验的数据表明:该系统成像分辨率可达约60 nm,分辨能力远远高于衍射极限。另外,系统成功实现了对核孔复合物、微管和微丝等一系列生物样品的超分辨成像,共聚焦成像中某些模糊不清的结构在STED成像中清晰可辨。     

超分辨远场生物荧光成像——突破光学衍射极限

长期以来,远场光学荧光显微镜凭借其非接触、无损伤,可探测样品内部等优点,一直是生命科学中最常用的观测上具.但由于衍射极限的存在,使传统的宽场光学显微镜横向和纵向的分辨率分别仅约为230 nm和1000 nm.为了揭示细胞内分子尺度的动态和结构特征,提高光学显微镜分辨率成为生命科学发展的迫切要求,在远场荧光显微镜的基础上,科学家们已经发展出许多实用的提高分辨率甚至超越分辨率极限的成像技术.例如,采用横向结构光照明提高横向分辨率到约100 nm,利用纵向驻波干涉效应将纵向分辨率提高5～10倍.然而,直到在光学荧光显微镜中引入非线性效应后,衍射极限才被真正突破,如受激荧光损耗显微镜利用非线性效应实现了30～50 nm的三维分辨率.另外应用荧光分子之间能量转移共振原理以及单荧光分子定位技术也可以突破衍射极限,甚至可以将分子定位精度提高到几个纳米的量级.     

利用具有奇异非线性光学特性的纳米粒子突破光学衍射极限

20世纪末、21世纪初,生命科学发展势头迅猛.三维光学显微成像技术由于能够对活体细胞内的一系列生命活动过程实施三维动态成像而倍受关注.然而,传统的基于线性荧光激发方案的共焦成像技术由于受到光学衍射极限的限制,其横向与纵向分辨率都是在数百纳米左右的量级,仍未能满足生命科学家的普遍需求.利用各种非线性光学荧光激发方案,打破光学衍射极限已经被实现,然而目前这些非线性光学成像方法在光源选择、成像光路等方面均较为复杂与昂贵.通过构筑一种具有奇异非线性光学特性的纳米粒子,在一台普通的光学显微镜上仅仅对荧光分子进行线性光激发即可实现三维远场光学超分辨成像--生命科学家长期来的梦想正有望被实现.     

基于微球透镜远场超分辨率成像方法研究

在可见光波段,传统光学显微镜的成像分辨率被限制到200nm。为了突破衍射极限,采用了将微球与传统光学显微镜相结合的方法来获得远场超分辨率成像。首先通过理论分析平行光通过微纳结构物体后物光波在空气中的传输,进而分析微球将倏逝波转换成传输波实现远场超分辨的成像机理;其次通过仿真研究了微球的光纳米喷射特性,可知微球光纳米喷射的半径尺寸小于入射光波长的一半;最后搭建了基于微球与传统光学显微镜相结合的超分辨率成像实验系统。结果表明,将蓝光光盘作为被测物体,通过该成像系统可获得100nm的远场超分辨率成像; 该成像系统可以对微纳元件结构进行检测。这一结果对光刻技术、生物医学等领域是有帮助的。     

可逆饱和光转移过程的荧光超分辨显微术

基于可逆饱和光转移过程的荧光超分辨显微技术,从原理上打破了原有的光学远场衍射极限对光学系统极限分辨率的限制,在生物、化学、医学等多个学科拥有广泛的应用前景。回顾了近年来超分辨显微研究的历史,综述了目前常见的几种基于可逆饱和光转移过程的荧光超分辨显微方法,详细描述了各自的技术特点并对比了其优缺点,阐述了相关领域内最新的研究工作进展。     

光纤探针镀膜的扫描电镜检测

扫描近场光学显微镜（ＳＮＯＭ）是一种新型高分辨率光学显微镜。它突破了传统的光学显微镜所受到的衍射极限，可在超高光学分辨率下进行纳米尺度的光学成像。已报道的近场光学显微镜的分辨率已达１０ｎｍ。因此，近场光学显微镜将在物理、化学、生物学及材料科学等领域有...     

三维超分辨显微成像技术的研究进展及展望

超分辨显微成像技术是细胞生物学中研究细胞器结构、相互作用和蛋白质功能的强大工具,其具有突破光学衍射极限的分辨能力,从纳米尺度上为细胞生物学提供了新的分析手段,对生命科学相关领域具有重大意义.然而,受衍射极限的影响,超分辨显微镜的轴向分辨率相比于横向分辨率要更难以提高,这导致实现细胞结构亚百纳米分辨率的三维成像更为困难.从受激辐射损耗显微术和单分子定位显微术这两种主流技术出发,对目前存在的多种三维成像技术进行了原理介绍和特点分析,最后对其未来发展方向进行了展望.     

SNOM的光纤探针制备及扫描电镜观察

扫描近场光学显微镜（ＳＮＯＭ）是一种新型超高分辨率光学显微镜。它既具有光学显微镜可在自然状态下观察样品，获得物体的光学信息，且对样品无任何损伤的优点，又由于采用了近场光学探测原理及技术，使得分辨率不受衍射极限的限制，从而实现光学显微镜的超高分辨率。目...     

扫描探针显微学研究细胞的超微结构

利用近场光学显微镜(SNOM)和原子力显微镜(AFM)研究细胞的超微结构。SNOM对传统的光学分辨极限产生了革命性的突破,能够在纳米距离内探测光与样品物质之间的相互作用,在超高光学分辨率下对细胞成像,这种技术无侵入性和破坏性,能在细胞的自然状态下进行观测     

超分辨成像方法研究现状与进展

光电成像系统受到衍射极限和像元分辨率的制约,但研究者们从未停止过脚步来突破这一限制。本文介绍了近年来开展的各种超分辨成像方法和技术,包括应用于荧光显微成像的受激发射损耗技术、结构光照明技术、光激活定位技术与随机光学重构超分辨成像技术;可应用于显微系统、光存储与眼底成像的光瞳滤波技术与径向偏振光超分辨聚焦技术;应用于空间探测的合成孔径技术、光子筛成像技术、超振荡透镜技术、亚像元技术与焦平面编码技术。主要讨论了以上超分辨方法的原理、实现手段与目前发展水平。     

Imaging with solid immersion lenses, spatial resolution, and applications

Solid immersion microscopy, similar to liquid immersion microscopy, extends the diffraction limit by filling the object space with a high refractive index material, such as glass (index of refraction n=1.5-2), sapphire (n/spl sim/1.8), and semiconductor materials (n/spl sim/3), which shrink the wavelength of light. But solid immersion technique can achieve significantly higher spatial resolution since the refractive indices of available solids can be much higher than those of liquids (n=1.3-1.5). Besides high spatial resolution, solid immersion microscopy also possesses all the good properties of far-field imaging, such as high transmission efficiency and parallel imaging capability, which make it outstanding among beyond-the-diffraction-limit optical imaging techniques. In this paper, we discuss, from an experimental point of view, the resolution limit of solid immersion microscopy and the implementation of such technique in various applications.     

微球透镜近场聚焦及远场成像仿真研究进展

微球超分辨显微成像技术能够突破衍射极限并成倍提高传统光学显微镜的成像分辨率。因其具有成像系统简单，可实时成像，无需荧光染料标记，能在白光照明条件下工作，且可与市场上成熟的显微镜产品相兼容等优点，具有重要研究价值与广阔应用前景，发展潜力巨大。该技术发展至今已取得了众多令人瞩目的研究成果，但现阶段的研究主要集中在微球超分辨成像规律、成像质量的提高、微球的操控方法上。而针对微球透镜的超分辨成像机理与模型，目前尚未形成完善统一的认知与可靠一致的解释。在此背景下，文中梳理归纳了微球透镜近场聚焦及远场成像机理、数学模型、仿真技术等方面的研究工作，分析现有工作的意义与所存在的不足，指出该领域需要着重解决的问题，并对微球成像技术未来的发展方向给予展望。     

SNOM压电扫描器非线性特征的测量与校正

扫描近场光学显微镜(SNOM)是基于非辐射场的产生和探测,能够实现超衍射极限分辨率的光学成像。但纳米精度的压电陶瓷扫描器的非线性始终是影响成像质量的关键问题。该文提出了改善SNOM系统中压电陶瓷扫描器的非线性特性的方法。在测得的压电陶瓷位移一电压关系的基础上,运用校正压电陶瓷非线性的方法,使压电陶瓷扫描器位移输出的线性度大幅度提高,相关系数从O．99提高到O．9999。实验结果表明,经过非线性校正,SNOM光学图像质量得到明显改善。     

幂函数分布的振幅型光瞳滤波器

为了提高衍射远场显微成像的分辨率,采用一种振幅透过率随半径呈幂函数分布的光瞳滤波器进行了理论分析和数值模拟。通过在光路中加入幂函数分布的振幅型光瞳滤波器,利用标量衍射理论推导出夫琅禾费衍射分布的计算公式;通过MATLAB软件给出衍射图样,对比衍射分布的主瓣宽度。结果表明,当幂次数为3时,模拟仿真的衍射分布斯特雷尔比为0.16,最大旁瓣强度比为0.1,分辨参量为0.76,分辨率提高倍数为1.3;随着振幅透过率幂次数的增加,主瓣宽度依次减小;同时也伴随着主瓣强度降低和旁瓣强度增大的缺点。这一研究对于远场光学显微镜实现超分辨成像是有帮助的。     

压缩感知实现快速超分辨荧光显微成像

为了发展能够同时兼顾超分辨、快速成像和视场的荧光显微镜, 以促进其在活细胞或微观动态过程成像的应用, 将压缩感知应用到超分辨荧光显微镜中, 利用投影梯度稀疏重构算法对单帧荧光宽场图像重构, 并进行了理论分析、仿真和实验验证。结果表明, 该方法能够突破光学衍射极限, 成像分辨率达到180nm, 相比衍射极限提高1.8倍。此结果说明压缩感知能够实现单帧宽场超分辨荧光显微成像, 相比现有的方法在成像速度上有巨大的提升。