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。     

亚20nm荧光超分辨显微技术研究进展（特邀）

荧光超分辨显微技术自20世纪90年代诞生以来,经历了多代创新与发展,其空间分辨率已经远超衍射极限,横向分辨率能够达20 nm以下,可以实现分子尺度的生物成像与动态追踪。新一代超高分辨率显微技术的产生得益于传统超分辨技术的深度发展和结合创新。详细介绍横向分辨率在亚20 nm尺度的新一代荧光超分辨显微技术,并阐述其与传统超分辨原理的联系与区别。此外,针对分辨率的限制因素,就光学系统、扫描策略和样品制备等方面进行探讨,并展望高分辨率荧光显微技术在生物医学领域中的应用前景和发展方向。     

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.     

超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用（特邀）

观察细胞器间动态相互作用,深入分析作用规律,对于揭示生理病理过程现象背后的机制具有十分重要的意义。传统光学显微镜受到由光波波长和孔径造成的衍射极限的限制,无法观测细胞器纳米级精细结构及细胞器间相互作用的动态变化规律。超分辨显微成像技术的出现为细胞器相互作用研究提供了重要手段,在深入揭示细胞器相互作用规律,阐明生理病理现象深层的机制研究中发挥了重要的作用。文中介绍了受激发射损耗（Stimulated emission depletion, STED）显微成像、结构光照明显微成像（Structured illumination microscopy, SIM）、单分子定位显微成像（Single molecule localization microscopy, SMLM）技术,并总结了这三类超分辨显微成像技术在细胞器相互作用中的应用与现状,为超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用提供思路拓展。最后,对超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的优势与不足进行分析总结,展望了超分辨显微成像技术在活细胞内细胞器相互作用成像中的需求发展趋势,为光学与医学及生物学的交叉融合发展提供一定的参考。     

偏振荧光显微成像技术及研究进展（特邀）

生命体是由大量有机排列的分子组成的,其结构不仅与分子的位置分布有关,还与分子的排列方式和空间取向有关。偏振荧光显微成像技术利用荧光的偏振特性,能够对生物结构的分子取向进行观测和成像,进而从分子层面揭示生命活动的功能和代谢信息,有力推动了生物医学相关领域的研究和发展。本文从偏振荧光成像原理出发,对目前存在的多种偏振荧光显微成像技术进行原理介绍和现状分析,列举了其在生物医学领域的相关应用,讨论了其发展趋势及前景,旨在为该领域的科研人员了解偏振荧光显微成像技术提供参考。     

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。     

光片荧光显微成像技术的发展及应用（特邀）

近几十年来,光片荧光显微镜作为荧光显微技术的一种革新,显著提升了生命科学研究中对组织与细胞结构和功能的高时空分辨率成像能力。相较于传统的落射荧光显微技术,光片显微镜通过选择性逐层照明生物样本,大大提高了光子利用效率,降低了光毒性,并显著提升了成像速度。光片显微镜问世以来,其在生命科学研究中的应用范围逐渐拓宽,从胚胎学、神经科学到肿瘤研究等多个领域均有所涉及,不仅可用于观察细胞和组织的基本结构,还可用于实时监测生物过程中的动态变化。同时,其跨尺度的特点使其适用于从宏观到微观的多个尺度上的观察。本文综述了光片显微镜在高通量成像、超分辨成像以及易用性方面的应用及发展,旨在为生命科学研究人员提供全面的了解和参考,推动光片显微镜在更多领域的应用和发展。     

超分辨荧光显微镜中的解卷积技术及应用（特邀）

超分辨荧光显微镜突破了光学衍射极限造成的空间分辨率限制,使得生物学家能够在生命体和细胞具有活性的状态下,对其功能与结构进行高精度动态记录,有望揭示更多重要的生命现象细节。然而,由于超分辨荧光显微技术的成像视场、深度、分辨率、速度等不易兼得,所以解卷积作为一种最有效且直接的求解逆问题的框架,被广泛应用于增强超分辨显微镜的时空分辨率。研究人员聚焦于通过相应算法设计实现高质量显微图像的重建,在一定程度上克服了超分辨荧光显微镜的硬件限制,可以更好地恢复生物信息。本文首先介绍了解卷积方法的基本原理及其发展历程,接着列举了不同解卷积技术在不同模态下的重建原理和效果以及这些技术在生物学上的应用,最后总结了基于深度学习的解卷积方法在超分辨荧光显微镜技术上的最新进展和未来的发展潜力,并对包括傅里叶环相关的定量评估图像重建质量的方法的最新进展进行了阐述。     

CRISPR/Cas9系统活细胞成像技术进展（特邀）

CRISPR/Cas9系统因其高效、操作简便、物种适应性广等优势被广泛应用于基因编辑领域,该系统是由靶向目标DNA序列的引导RNA （sgRNA）和具有切割酶活性的Cas9蛋白组成。近年来,通过将核酸酶失活的Cas9突变体dCas9 （dead Cas9）或sgRNA与荧光蛋白（FPs）、有机染料、量子点（QDs）结合开发出一系列超分辨活细胞成像技术,该技术有助于在更高分辨率下研究不同基因、染色体以及基因与染色体之间的时空关系,对促进遗传学、细胞生物学和生物医学等领域的快速发展具有重要意义。文中主要总结基于CRISPR/Cas9系统的活细胞成像技术的最新进展,有望进一步扩大活细胞成像技术在生物医学领域的广泛应用。     

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。     

单像素成像与超表面成像（特邀）

单像素成像作为一种典型的计算成像方式,利用单像素探测器测量一系列掩模图像照射目标之后的光强值,进而通过不同重构算法恢复目标图像。相较于多像素探测器(CCD或CMOS),单像素成像克服了硬件的限制,在某些特殊波段,探测效率更高,响应更快。超表面是由亚波长的金属或介质单元构成的二维人造结构。在可见光波段,超表面可以调控入射光的多种自由度以实现多通道全息图的显示;在微波波段,超表面可以与导波模式进行耦合辐射出多种模式图案。简单介绍了单像素成像的研究背景、成像原理和重构算法、超表面成像的研究背景,并主要讨论了两种成像方式在可见光波段以及微波波段的结合以及相关研究,最后提出了未来的发展方向。     

超分辨光学显微成像的新武器——镧系离子掺杂上转换纳米荧光探针（特邀）

超分辨荧光成像技术因其能够突破光学衍射极限的限制,为生命科学研究带来全新的观察尺度而获得了诺贝尔化学奖。但是,传统的超分辨荧光显微镜需要极为复杂的光学系统来突破衍射极限,通常伴随着明显的光毒性和低时间分辨率,昂贵的造价以及日益复杂的操作限制了其在生物医学领域中的推广应用。因此,全球各大研究团队都在积极寻求具有近红外、高亮度和抗光漂白的替代荧光探针,并通过改善成像装置与算法,进一步拓展超分辨显微技术的应用范围。稀土元素纳米材料由于其独特而优异的物理化学特性,如显著的反斯托克斯光谱位移、无背景噪声、抗光漂白、光稳定性、低毒性和高成像穿透能力等,持续受到化学、物理学和材料学领域的广泛关注,是近期兴起的一种稳定性优异的无机荧光探针。本文首先简要介绍了上转换纳米颗粒的发光机制,然后讨论了纳米结构材料中实现光子上转换的主要限制。此外还介绍了镧系元素掺杂上转换纳米粒子在超分辨生物成像、分子检测等领域的应用,以及介绍了包括降低激光功率要求和耦合技术难度、提高激光直扫成像分辨率与速度、提高多路复用成像效率等应用技术优势。最后重点介绍了颗粒合成方面的主要挑战、可行的改进措施以及对未来发展的展望,为稀土纳米...     

基于深度学习的荧光显微性能提升（特邀）

荧光显微镜具有对样品损伤小、可特异性成像等优点,是生物医学研究的主流成像手段。随着人工智能技术的快速发展,深度学习在逆问题求解中取得了巨大成功,被广泛应用于诸多领域。近年来,深度学习在荧光显微成像中的应用掀起了一个研究热潮,为荧光显微技术发展提供了性能上的突破与新思路。基于此,首先介绍了深度学习的基本网络模型,然后对基于深度学习的荧光显微成像技术在荧光显微的空间分辨率、图像采集及重建速度、成像通量和成像质量提升方面的应用进行阐述。最后,对目前深度学习在荧光显微成像中的研究进行总结与展望。     

单分子三维取向的探测方法

三维取向是单分子的一个重要特性,单分子三维取向研究是近年来对单分子研究的又一热点。综述了基于远场扫描的三种探测方法,阐述了其基本原理,分析、比较了各种方法的优缺点,讨论了进行单分子三维取向检测所存在的困难和实际问题,展望了其广阔的应用领域及前景。     

核孔复合物单分子定位超分辨图像的筛选和重构

核孔复合物（NPC）是细胞核膜上由多种蛋白组装而成的复杂结构,在细胞核质交换和信息传递中起着关键作用。单分子定位超分辨成像（SMLM）以其特异性和高成像分辨率成为研究NPC超微结构的主要方法之一。然而,由于抗体标记不完全等因素导致的数据丢失,给后续分析带来了困难。笔者使用SMLM提供的定位信息,结合基于密度的空间聚类算法（DBSCAN）和层次聚类算法进行数据的提取和分类,建立了NPC筛选和定位的分析流程,并采用该处理流程得到了缺失较少且形貌比较均匀的核孔。进一步,基于最小二乘法原理对筛选得到的大量NPC进行质心对齐的重构处理,成功复现出了其经典的八重对称结构,并揭示了核孔蛋白Nup133与Nup98的精确相对位置关系。本研究通过建立核孔筛选和重构的标准流程,填补了SMLM数据的缺失。采用该流程对多种核孔蛋白进行分析,揭示它们的结构特性。所建流程为理解核孔的复杂结构提供了一种高通量的定量分析方法。     

基于多测量矢量压缩感知的超分辨荧光显微成像研究

在超分辨荧光显微成像技术中,单分子定位显微方法是被广泛应用的技术之一。根据荧光显微成像原理构造多测量矢量压缩感知模型（Multiple Measurement Vector-Compressed Sensing, MMV-CS）,并采用多重稀疏贝叶斯学习算法进行求解,来实现超分辨荧光图像重建。分析了有效像元大小、荧光分子生成的光子数和背景信号泊松化噪声对重建结果的影响,以及在图像进行分块处理时算法运行时间的分析。模拟和实验计算分析表明,当点扩展函数的标准差在160 nm时,有效像元大小在120、160、200 nm能取得较好的重构效果,而在60 nm时效果较差。探测器收集的光子数越多,重构效果越好,随着背景信号光子数增加时,离得越近的样品结构越不能分辨。在同样的分块处理情况下,MMV-CS比同伦算法(L1-Homotopy, L1-H）和凸优化算法(CVX)分别快一个数量级和三个数量级,因此,在研究三维超分辨荧光显微成像时,MMV-CS算法在运行时间上具有更大的优势。     

结合多次DBSCAN和层次聚类算法的膜蛋白单分子定位超分辨图像分割

膜蛋白在细胞膜上的时空分布形式决定了其活性状态及功能，在调控细胞生命活动过程中起着重要作用。单分子定位超分辨成像（SMLM）技术为在纳米尺度解析膜蛋白的空间分布提供了可能，但分辨率的极大提升对图像准确聚类分割提出了更高要求。基于密度的空间聚类算法（DBSCAN）是常用的聚类方法之一，但其对于膜蛋白分布不均匀的SMLM超分辨图像的分割效果往往不太理想。本文提出了一种结合多次DBSCAN和层次聚类的混合聚类算法，该算法以DBSCAN方法为分割基础，通过进一步的面积阈值分析和层次聚类，在保持超分辨点簇图像精确聚类识别的前提下，仍能保留每个点簇内的多次定位信号。将该算法应用于模拟数据集和实验数据分割得到的轮廓系数等性能普遍优于传统DBSCAN算法。这种混合聚类方法为膜蛋白SMLM超分辨图像的聚类分割提供了新思路和新方法，有助于更精准地分析膜蛋白在纳米尺度上的空间分布信息。     

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。