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1700 nm波段超快光纤光源开发及其在多光子成像中的应用

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激光与光电子学进展 2024年第12期61卷 1-18页

作者：仝申钟金成陈新林邱娉王科深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省光电子器件与系统重点实验室广东深圳518060 徐州医科大学医学信息与工程学院江苏徐州221004 中国科学院大学温州研究院浙江温州325001

多光子成像在生物医学特别是脑科学研究中应用广泛,为深层生物组织结构及动力学研究提供了非侵入性和非破坏性的成像手段。生物组织的吸收和强散射特性限制了成像深度。近年来,得益于原理及技术上的进步,多光子成像在活体生物中的成像... 详细信息

多光子成像在生物医学特别是脑科学研究中应用广泛,为深层生物组织结构及动力学研究提供了非侵入性和非破坏性的成像手段。生物组织的吸收和强散射特性限制了成像深度。近年来,得益于原理及技术上的进步,多光子成像在活体生物中的成像深度显著提高。其中,1700 nm波段激发的多光子成像显著降低组织吸收及散射,与其他激发波段相比获得了目前最大的成像深度。本文首先介绍多光子显微成像原理,并利用孤子自频移效应构建1700 nm波段飞秒脉冲光源。在此基础上,介绍1700 nm波段多光子成像在活体小鼠脑部、皮肤结构,以及血流动力学成像中的应用。最后总结分析1700 nm波段激发多光子成像目前遇到的挑战和未来发展方向。

关键词：多光子显微成像孤子自频移 1700 nm波段脑成像皮肤成像

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用于多通道单分子定位的高精度图像配准方法

物理学报 2024年第6期73卷 374-385页

作者：林丹樱龚振权黄黎琳聂梦娇于斌屈军乐深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室深圳518060

单分子定位技术可以绕过光学系统的衍射限制,在生物样品的单粒子追踪和超分辨显微成像中得到了广泛应用.多通道单分子定位采用多个成像通道,可以实现对不同目标的同时追踪或多色超分辨成像,也可以提升单粒子追踪的轴向深度或实现更高的... 详细信息

单分子定位技术可以绕过光学系统的衍射限制,在生物样品的单粒子追踪和超分辨显微成像中得到了广泛应用.多通道单分子定位采用多个成像通道,可以实现对不同目标的同时追踪或多色超分辨成像,也可以提升单粒子追踪的轴向深度或实现更高的定位精度和密度.但各通道图像间的差异会影响协同定位或定量分析,因此图像配准是其图像数据预处理的关键环节;且由于单分子定位精度高,其对多通道图像配准精度的要求也很高.现有技术一般采用基于控制点的配准方法,且多采用复杂而精密的方式来获取基准物网格图像用于定位得到控制点对,以实现高精度图像配准,对样品或实验设备要求高,难以直接推广.为此,本文基于局部非线性变换和误匹配点剔除,发展了一种可以直接采用随机分布荧光珠样品作为基准物的高精度图像配准方法,通过在特征匹配和变换模型参数估计的过程中对控制点进行监测和迭代筛选,以剔除因单分子定位不准确或精度差而导致未精确匹配的控制点对,从而消除以随机分布荧光珠样品作为基准物时对于控制点准确获取和精确匹配所带来的不良影响,同时采用基于局部加权平均的二阶多项式拟合进行变换模型参数估计,以更好地适用于不同通道间存在局部非线性形变的情形.结果表明,采用该方法只需要3次迭代,就可以将未准确定位和精确匹配的控制点对找到并剔除,从而实现更准确的变换模型参数估计,将配准精度提高一个数量级,在图像局部非线性形变情况严重的正交像散双通道单分子定位成像系统中实现了约6 nm的配准精度.

关键词：单分子定位多通道成像图像配准误匹配点剔除

基于数字微镜器件的快速超分辨晶格结构光照明显微研究

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物理学报 2024年第9期73卷 297-306页

作者：杨浩智聂梦娇马光鹏曹慧群林丹樱屈军乐于斌深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室深圳518060 深圳大学化学与环境工程学院深圳518060

超分辨结构光照明显微成像技术(super-resolution structured illumination microscopy,SR-SIM)具有时间分辨率高、光漂白和光毒性低和对荧光探针的要求少等优点,适用于活细胞的长时程超分辨成像.采用二维晶格结构光作为照明光,可以实... 详细信息

超分辨结构光照明显微成像技术(super-resolution structured illumination microscopy,SR-SIM)具有时间分辨率高、光漂白和光毒性低和对荧光探针的要求少等优点,适用于活细胞的长时程超分辨成像.采用二维晶格结构光作为照明光,可以实现更快的成像速度和更低的光毒性,但同时也增加了系统的复杂性.为了解决此问题,本文提出了一种基于数字微镜器件的快速超分辨晶格结构光照明显微成像方法(digital micromirror device-based lattice SIM,DMD-Lattice-SIM),通过同步分时触发DMD和sCMOS相机的方式实现二维正交晶格结构光的产生,且只需要采集5幅相移原始图像即可重构出超分辨图像,相比于传统SR-SIM需要9幅相移原始图像的方法,图像采集时间减少了约44.4%.同时,在基于空域和频域联合的SIM重构算法(joint space and frequency reconstruction method-SIM,JSFR-SIM)的基础上,本文还发展了用于Lattice-SIM的JSFR超分辨图像重构方法(Lattice-JSFR-SIM),先在频域对原始图像进行预滤波处理;然后,在空域对滤波后的图像进行超分辨重构处理.与传统频域图像重构处理对比,该方法在512×512像素数的成像视场下重构时间减少了约55.6%,对于实现活细胞实时超分辨成像具有重要意义和应用价值.

关键词：结构光照明显微术超分辨成像晶格结构光照明空域重构

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用于三维单颗粒示踪的多焦面双螺旋点扩散函数显微研究

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物理学报 2024年第10期73卷 362-371页

作者：马光鹏龚振权聂梦娇曹慧群屈军乐林丹樱于斌深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室深圳518060 深圳大学化学与环境工程学院深圳518060

双螺旋点扩散函数(double-helix point spread function,DH-PSF)显微可实现纳米尺度的三维单颗粒示踪(three-dimensional single particle tracking,3D SPT),被广泛应用于生命科学等领域,但DH-PSF显微的成像景深和定位精度有限,限制了其在活体厚样品中的应用.为了解决此问题,本文提出了一种基于轴向分光棱镜的多焦面DH-PSF显微(z-splitter prism-based multifocus DH-PSF microscopy,ZPMDM)方法和系统,通过将基于轴向分光棱镜的多焦面显微与DH-PSF相结合,在无需扫描的情况下提高DH-PSF显微的轴向定位范围和定位精度,解决完整活细胞内3D SPT的大景深探测难题.通过系统标定,ZPMDM中3个通道的平均三维定位精度分别为σ_(L(x,y,z))=(4.4 nm,4.6 nm,10.5 nm),σ_(M(x,y,z))=(4.3 nm,4.2 nm,8.2 nm),以及σ_(R(x,y,z))=(4.8 nm,4.4 nm,10.3 nm),DH-PSF的有效景深扩展至6μm,实现了大景深范围内的甘油-水混合溶液中的荧光微球示踪,并初步研究了活巨噬细胞的吞噬现象,进一步验证了该方法的有效性,对于3D SPT的发展和应用具有重要意义.

关键词：三维单颗粒示踪双螺旋点扩散函数多焦面显微

基于边缘优化设计的低损耗Si3N4光功率分束器

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深圳大学学报（理工版） 2024年第5期41卷 532-535页

作者：黄谦睿梁耿钦陈宇泰孙怡雯闫培光屈军乐深圳大学物理与光电工程学院深圳市激光工程重点实验室广东深圳518060 国防科技大学理学院材料科学实验中心湖南长沙410073 深圳大学生物医学工程学院广东深圳518073

随着信息技术的发展,市场对于更小型化、更高效光器件的需求不断增加.采用互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工艺,成功制备了Si_(3)N_(4)光功率分束器并对其进行测试.结果表明,在1550 nm波长下,边缘... 详细信息

随着信息技术的发展,市场对于更小型化、更高效光器件的需求不断增加.采用互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工艺,成功制备了Si_(3)N_(4)光功率分束器并对其进行测试.结果表明,在1550 nm波长下,边缘优化的1×8功率分束器的总损耗仅为1.30 dB,且其体积相较于传统设计可减小30%.本研究应用逆向优化算法,突破了传统设计仅能针对规则图形设计的限制,为实现小尺寸、低损耗的光功率分束器提供了一种可行途径.

关键词：光学集成光学微纳光子器件光功率分束器逆向优化边缘优化

低功率STED超分辨显微成像技术研究进展及展望

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中国激光 2024年

作者：周浩贤王璐玮张仁龙林方睿刘丽炜屈军乐深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室

受激辐射损耗（Stimulated emission depletion, STED）是一种功能强大的远场超分辨显微成像技术，已广泛用于细胞和组织切片等生物样品的超分辨成像。通过增加损耗激光的功率，可以显著提高STED超分辨成像的空间分辨率和成像深度。然... 详细信息

受激辐射损耗（Stimulated emission depletion, STED）是一种功能强大的远场超分辨显微成像技术，已广泛用于细胞和组织切片等生物样品的超分辨成像。通过增加损耗激光的功率，可以显著提高STED超分辨成像的空间分辨率和成像深度。然而，过高的激光功率会引起严重的光漂白及对生物样品的光毒性。因此，如何在保证成像质量的同时，有效降低STED超分辨成像所需的损耗激光强度，是目前STED技术在生物成像领域面临的关键挑战。本文从STED成像的基本原理出发，分别从STED探针、单分子定位、图像处理和时间分辨探测等四个方面探讨了实现低功率STED超分辨成像的策略。通过对以上四种策略及其优缺点的深入分析，为STED技术在生物学领域的应用提供有价值的参考和指导。

关键词：超分辨成像受激辐射损耗损耗光功率纳米探针荧光寿命

基于DMD的快速超分辨晶格结构光照明显微研究

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物理学报 2024年

作者：杨浩智聂梦娇马光鹏曹慧群林丹樱屈军乐于斌深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室深圳大学化学与环境工程学院

超分辨结构光照明显微成像技术(super-resolution structured illumination microscopy， SR-SIM)具有时间分辨率高、光漂白和光毒性低和对荧光探针的要求少等优点，适用于活细胞的长时程超分辨成像。采用二维晶格结构光作为照明光，可... 详细信息

超分辨结构光照明显微成像技术(super-resolution structured illumination microscopy， SR-SIM)具有时间分辨率高、光漂白和光毒性低和对荧光探针的要求少等优点，适用于活细胞的长时程超分辨成像。采用二维晶格结构光作为照明光，可以实现更快的成像速度和更低的光毒性，但同时也增加了系统的复杂性。为了解决此问题，本文提出了一种基于数字微镜器件的快速超分辨晶格结构光照明显微成像方法(lattice SIM based on a digital micromirror device， DMD-Lattice-SIM)，通过同步分时触发DMD和sCMOS相机的方式实现二维正交晶格结构光的产生，且只需要采集5幅相移原始图像即可重构出超分辨图像，相比于传统SR-SIM需要9幅相移原始图像的方法，图像采集时间减少了约44.4%。同时，在基于空域和频域联合的SIM重构算法(joint space and frequency reconstruction method-SIM， JSFR-SIM)的基础上，本文还发展了用于Lattice-SIM的JSFR超分辨图像重构方法(Lattice-JSFR-SIM)，先在频域对原始图像进行预滤波处理；然后，在空域对滤波后的图像进行超分辨重构处理。与传统频域图像重构处理对比，该方法，在512×512的成像视场下重构时间减少了约55.6%，对于实现活细胞实时超分辨成像具有重要意义和应用价值。

关键词：结构光照明显微术超分辨成像晶格结构光照明空域重构

叶酸修饰的AgInS2量子点在体外癌细胞成像上的应用(英文)

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发光学报 2015年第9期36卷 989-995页

作者：卜承飞刘丽炜王倩张卜天胡思怡任玉朱泠西长春理工大学理学院国际纳米光子学与生物光子学联合研究中心吉林长春130022 南洋理工大学电气与电子工程学院

成功制备出高品质的三元Ag In S2量子点。通过配体交换法将油溶性Ag In S2量子点转为水溶性量子点,通过d BSA修饰水溶性量子点形成配位体壳,使量子点具有更好的稳定性(4周)。从透射电子显微镜(TEM)观察到d BSA修饰后的量子点的粒径增加... 详细信息

成功制备出高品质的三元Ag In S2量子点。通过配体交换法将油溶性Ag In S2量子点转为水溶性量子点,通过d BSA修饰水溶性量子点形成配位体壳,使量子点具有更好的稳定性(4周)。从透射电子显微镜(TEM)观察到d BSA修饰后的量子点的粒径增加,分散性较好,并且在可见光区域有明显的光致发光。用叶酸对d BSA-MPA量子点进行修饰,并通过傅立叶变换红外光谱进行了验证。将得到的FA-d BSA-MPA纳米复合材料应用于能与叶酸受体特异性结合的乳腺癌细胞中,并在荧光倒置显微镜中检测到量子点成功对乳腺癌细胞进行了标记。与d BSA-MPA量子点相比,表面被叶酸修饰后的量子点与癌细胞的结合效率显著提高。

关键词： AgInS2 量子点荧光体外细胞成像

金属纳米颗粒等离激元共振增强非线性介质谐波的发展现状

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中国光学 2016年第2期9卷 213-225页

作者：秦沛任玉刘丽炜胡思怡冯悦姝刘颖异岳婕长春理工大学理学院长春吉林130022

随着纳米加工和制备技术的不断发展,金属纳米粒子的等离激元光学特性已得到了广泛的研究与应用。本文基于金属纳米颗粒等离激元共振特性,分析了金属纳米颗粒等离激元共振对介质谐波的增强机制,综述了该增强机制在近几年所取得的最新研... 详细信息

随着纳米加工和制备技术的不断发展,金属纳米粒子的等离激元光学特性已得到了广泛的研究与应用。本文基于金属纳米颗粒等离激元共振特性,分析了金属纳米颗粒等离激元共振对介质谐波的增强机制,综述了该增强机制在近几年所取得的最新研究成果及其在生物成像领域的应用。金属纳米颗粒等离激元共振在增强介质非线性特性领域的发展趋势是从简单的金属纳米颗粒向复杂形状纳米颗粒和金属纳米颗粒组装体的发展,这些新型金属纳米颗粒在非线性光学、生物医学上的疾病诊断和治疗有良好的实际应用前景。

关键词：等离激元等离激元共振二次谐波产生三次谐波产生谐波成像