深组织光片荧光显微成像研究进展（特邀）

随着生物医学研究对复杂组织结构和功能的深入探索,高分辨率、高信噪比的深组织成像技术变得愈加重要。传统的显微镜技术往往局限于二维、透明的生物薄样本的观测,这在很大程度上无法满足当前生物医学领域对三维深组织体成像的研究需求。光片荧光显微镜凭借其低光损伤、高采集速率、大视场、体成像等优点被生物学家广泛使用。然而,生物组织固有的高散射特性仍然为深层成像带来了巨大的挑战。本文重点介绍了光片荧光显微成像技术在深组织成像领域的最新进展,特别是应对高散射样本挑战的解决策略,旨在为相关领域的研究人员提供有价值的参考,助力其对该前沿技术的最新进展和应用前景的理解。首先,阐述了光片荧光显微镜的基本原理和高散射吸收特性的形成原因及影响;然后,进一步阐明了增加组织穿透深度、应对光散射和吸收等问题的最新进展;最后,探讨了具有大穿透深度和强抗散射能力的光片荧光显微成像技术的发展前景以及潜在应用。     

自适应光学技术在深层动态荧光显微成像中的应用和发展

荧光显微成像技术是开展微观生命科学研究的重要手段和工具,使用该技术可以观察生物体内的精细结构、动态追踪生物体内组织、细胞、细胞核、蛋白、小分子等不同尺度的生命活动过程。其中,研究深层组织高时空分辨率荧光显微成像技术,是当前成像领域一个前沿问题。应用自适应光学技术实时补偿经由不透明散射、非均匀生物组织传播而引入的复杂波前畸变已被证实是实现上述技术的一种有效途径。文中首先归纳了深层动态荧光显微成像的需求和特点,随后分别介绍了自适应光学技术近几年在共聚焦显微成像、随机光学重构显微成像、光激活定位显微成像、受激辐射光淬灭显微成像、双光子/多光子激发显微成像中的相关应用,并对今后的研究问题和发展方向提出展望。     

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。     

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。     

快速三维荧光显微成像技术的研究进展（特邀）

荧光显微成像具有高分辨率、高灵敏度、高分子特异性以及非介入性的优点,可以在微米乃至纳米尺度下表征样本的形态学与分子功能学信息,成为了生命科学研究的重要工具。随着微观生物学研究的不断深入,荧光显微成像被期待能够动态且立体地观测微观生物结构与分子事件。文中系统性地梳理了近年来快速三维荧光显微成像技术的研究进展,包括点扫描式成像、宽场成像与投影断层成像在提高成像速度、拓展成像维度以及增强成像质量等方面的主要技术手段、改进策略与代表性研究成果,并展望了快速三维荧光显微成像技术的未来挑战与发展前景。     

荧光金纳米团簇探针的生物成像应用进展（特邀）

金纳米团簇（AuNCs）因兼具优异荧光特性、超小尺寸、精确化学组成及良好生物相容性等优势，使其成为近些年备受关注的新型荧光探针。为了推动荧光AuNCs在成像领域的应用，研究者们一直致力于发展高性能荧光AuNCs的设计与制备策略。基于对AuNCs结构与发光机制的理解，诸如提高荧光量子产率和细胞摄取率等策略陆续被提出以增强AuNCs的细胞成像效果，极大提升了其作为荧光成像探针的潜力，并将AuNCs的应用推广至荧光寿命成像、多光子成像等新兴荧光成像技术。近些年发展的具有近红外二区荧光的AuNCs进一步推动了其在活体成像的应用。文中概述了AuNCs的制备方法、提高AuNCs细胞荧光成像效果的各种策略，以及AuNCs荧光成像应用的最新进展，并对该领域的挑战和未来发展进行了展望。     

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。     

微型化显微成像系统的关键技术及研究进展（特邀）

神经环路动态功能的解析是当前脑科学领域的重点和难点,微型化显微成像技术为其研究提供了重要手段。相较于双光子荧光成像和光纤光度法,微型化显微系统能够在模式动物自由活动状态下进行长时程、单细胞分辨率、实时成像。近十几年来,科学家们围绕可穿戴、高稳定性要求,先后研制了单光子、多光子成像系统,并从荧光探针、光电子元件、数据传输等方面进行不断优化,提升系统性能,扩展应用范围。将从成像原理、基本结构、系统优化、应用方案及未来发展方向等方面对微型化显微成像系统进行分析和讨论,综述各方向研究进展,旨在为该领域技术提升和神经科学应用提供参考。     

植入式荧光内窥显微技术及其在活体脑成像中的应用（特邀）

高时空分辨可视化技术是脑科学研究的重要工具。荧光显微成像技术在特异性、多样性、图像对比度和时空分辨率等方面具有显著优势,但由于光在组织中的穿透深度有限,无创的荧光成像难以在活体水平获取深层脑区神经血管单元的高分辨结构和功能信息。因此,在脑科学研究中,荧光内窥显微成像技术受到越来越多研究者的青睐。得益于相关科学技术的发展,内窥镜探头在保持高性能的同时,实现了小型化并提供了更大的灵活性,可以植入活体大脑的不同深度处,开展特定深层脑区的功能调控研究。本综述介绍了基于梯度折射率透镜和单根多模光纤这两种探头的植入式荧光内窥显微成像技术及其发展和迭代进程,概述了它们在高分辨活体脑成像研究中的应用,以及在临床神经外科手术中的初步探索性应用。最后,展望了荧光内窥脑成像技术未来的发展前景。     

结合光片照明与超分辨的三维荧光显微成像

随着科学的进步,生命科学的研究对象由单个器官向组织体、离体组织切片及发育过程中的活体胚胎转变。荧光特异性标记的出现,为追踪物质在单细胞、组织体、器官甚至整个胚胎内的转移过程提供了手段。为了实现整个追踪过程,需要对活体胚胎进行无损、非侵入式的亚细胞级别成像,这就对荧光显微技术提出了更高的要求。在传统荧光显微技术基础上发展了光片照明和超分辨荧光显微技术。前者通过选择平面照明方式,只激发探测物镜焦平面附近的样品,因其具有高穿透深度、低漂白和高成像速度而广泛应用于三维活体组织成像;后者利用特殊的光调控手段将显微镜的分辨率提升至纳米水平,成为研究亚细胞水平生命活动的有力武器。通过介绍2大技术的发展、融合以及目前所遇到的问题,探究新型的、适宜观察三维厚组织样品亚细胞结构和生命过程的成像方法。     

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.     

基于深度学习的多分辨显微关联成像系统设计

显微成像技术作为研究细胞和生物组织的主要工具,对生物医学的发展起到了极大的推动作用。生物样本的复杂化和生物医学领域对时间和空间分辨率的多样化需求决定了单一功能生物成像系统应用的局限性。为满足生物医学领域的多样化需求,解决成像质量与成像时间之间的矛盾,设计了一种基于深度学习的多分辨显微关联成像系统。该系统通过对显微镜进行硬件设计改造和软件处理,将深度学习与关联成像技术有效结合,当采样率仅为60%时,成像系统能够较好地恢复图像细节,大幅降低欠采样带来的噪声,同时显著提升系统成像的时间分辨率。另外,为了满足所设计的小型多分辨显微关联成像系统的实际需求,采用基于重参数化思想的超高效轻量超分网络,在资源受限的设备下实现实时高质量成像。所提出的成像系统可以在保证成像质量的同时显著缩短成像时间和减少内存占用。不同类型生物样本和分辨率板的测试结果进一步表明了系统的鲁棒性和抗噪性能,研究结果对生物医学领域具有重要意义。     

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。     

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。     

受激拉曼散射显微技术在生物科学中的应用

受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)显微技术,可以通过探测分子的特定振动模式,实现对活细胞的无标记和新型非荧光标记成像。由于SRS显微术具有较高的化学特异性,在生命科学成像领域具有极大的应用潜力。本文简要介绍了SRS显微技术的原理,同时总结了其在脂类、核酸和蛋白质等生物分子,以及在组织结构、小分子药物和食品分析中的应用。     

近红外二区共聚焦显微技术的进展及应用（特邀）

共聚焦显微镜具有较高的空间分辨率和信号背景比,能对生物样品进行三维层析成像,在医学与生物学领域有着广泛的应用。近红外二区（NIR-II,900~1 880 nm）波段的光在生物组织中具有适中的吸收、较低的散射,以及非常弱的生物组织自发荧光,因此,NIR-II荧光活体成像具有大深度、高对比度等优势。点激发、点探测的NIR-II共聚焦显微技术结合了上述二者的优势,在大深度生物成像中具有高空间分辨率和高信号背景比等优点,因此在生物医学领域得到了广泛应用。此综述将从NIR-II共聚焦显微技术的原理出发,阐述其发展进程、以及基于此项技术开展的生物医学成像应用,探讨NIR-II共聚焦显微技术未来的改进和发展方向。     

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...     

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。     

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。     

超分辨显微技术在活细胞中的应用与发展

细胞是生命体的基本单位和功能单位,对活细胞内部结构及其功能的研究是了解掌握生命本质的基础之一,因此活细胞的实时观测对生命科学的发展具有重要意义。传统的光学显微技术受衍射极限的限制,无法观测200 nm以下的生物结构细节。近20年来,随着超衍射极限光学理论、技术、器件和荧光探针等方面的快速发展,超分辨显微成像技术已成为应用于生命科学研究的重要手段。然而,大多数超分辨显微方法或测量耗时长,或易引起荧光蛋白漂白/细胞损伤,在活细胞研究中受到极大限制,已成为超分辨显微领域重点攻关的方向之一。为此,文中结合作者在快速超分辨显微技术研究的基础上,介绍了基于单分子成像的光激活定位显微技术和随机光学重构显微技术、基于荧光非线性可饱和光转换的受激发射显微技术以及基于结构光照明的超分辨显微技术,并探讨了在活细胞成像中的发展应用。最后,文中展望了超分辨显微成像技术在活细胞成像中的未来发展趋势。