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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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红外辅助的时间多缝动态干涉

中国激光 2024年

作者：吕毅钟铭宸姜维超深圳大学物理与光电工程学院量子精密测量研究所

观察极紫外(XUV)场下动态干涉现象需要较高的XUV光强，这就导致了实验上验证动态干涉现象的难度较高。引入红外(IR)辅助脉冲对电离电子进行调制，可以使实验上观察动态干涉所需的XUV光强显著降低。通过数值求解含时薛定谔方程(TDSE)的... 详细信息

观察极紫外(XUV)场下动态干涉现象需要较高的XUV光强，这就导致了实验上验证动态干涉现象的难度较高。引入红外(IR)辅助脉冲对电离电子进行调制，可以使实验上观察动态干涉所需的XUV光强显著降低。通过数值求解含时薛定谔方程(TDSE)的方法，我们研究了基态氢原子在IR+XUV双色激光场下的动态干涉现象。数值结果表明，当极紫外脉冲的峰位与红外脉冲矢势的极值位置重合时，会在光电子能谱上产生多峰结构。我们系统分析了红外激光场的强度与紫外激光脉冲的长度对光电子能谱上的多峰结构的影响。同时进一步通过强场近似和鞍点分析，对多峰结构的物理起源进行了分析。强场近似的结果与鞍点计算的结果比较好的再现了数值TDSE计算中的多峰结构。

关键词：动态干涉红外激光辅助含时薛定谔方程鞍点近似

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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

活细胞应激反应过程中线粒体和核仁微环境动力学的荧光寿命成像研究

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物理学报 2024年第7期73卷 354-367页

作者：杨志刚刘颖超张仕青罗瑞鉴赵需谦连加荣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

核仁和线粒体在维持细胞平衡发挥重要作用,研究其生理过程有助于深入了解生物学功能.本文采用一种红色荧光的芘罗丹明荧光探针在不同条件下靶向标记细胞线粒体和核仁.通过激光共聚焦成像和荧光寿命成像技术分析HeLa细胞在光照和药物刺... 详细信息

核仁和线粒体在维持细胞平衡发挥重要作用,研究其生理过程有助于深入了解生物学功能.本文采用一种红色荧光的芘罗丹明荧光探针在不同条件下靶向标记细胞线粒体和核仁.通过激光共聚焦成像和荧光寿命成像技术分析HeLa细胞在光照和药物刺激下细胞凋亡的形态变化,并利用相图定量分析了线粒体与核仁的微环境变化,确定在稳态HeLa细胞中探针标记到的线粒体的平均荧光寿命约为3.65 ns,线粒体黏度约为66×10^(-3)Pa·s.在激光光照后,探针标记到HeLa细胞线粒体的荧光寿命降至3.61 ns,对应线粒体黏度增至约131×10^(-3)Pa·s;使用紫杉醇和秋水仙碱诱导细胞凋亡,观察到探针标记于HeLa细胞核仁的荧光寿命先增加后降低,反映了在HeLa细胞凋亡过程中核仁微环境的变化,证明HeLa细胞在非稳态情况下核仁和线粒体的功能变化,为线粒体和核仁功能障碍相关疾病研究提供了新的研究方法.

关键词：荧光寿命显微成像核仁微环境黏度

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遗传算法宽光谱光学系统设计方法研究

光学学报 2024年第2期44卷 163-169页

作者：陈阳王益清高明冯斌西安工业大学光电工程学院光电信息技术研究所陕西西安710021

针对宽光谱光学系统初始结构构建效率低、设计周期长的问题,提出基于遗传算法的宽光谱光学系统设计方法。推导等焦距、等像面成像条件,建立合理的优化目标函数,以光学结构参数作为遗传变量,利用研究的遗传算法解算出大量优异初始结构,... 详细信息

针对宽光谱光学系统初始结构构建效率低、设计周期长的问题,提出基于遗传算法的宽光谱光学系统设计方法。推导等焦距、等像面成像条件,建立合理的优化目标函数,以光学结构参数作为遗传变量,利用研究的遗传算法解算出大量优异初始结构,筛选最优结构输入到光学仿真软件中,经过简单优化即可得到满足要求的宽光谱光学系统。以此方法设计了可见光、近红外宽光谱光学系统,系统成像波段为0.4~1.2μm,焦距为40 mm,视场角均为±5°,波段范围内焦距差异小于0.03 mm,且宽光谱范围内成像质量良好。

关键词：宽谱段遗传算法等焦距光学设计方法

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多模态非线性光学显微成像技术研究综述

光学学报 2024年第4期44卷 32-55页

作者：李艳萍陈永强刘雨晴胡睿屈军乐刘丽炜深圳大学物理与光电工程学院教育部/广东省光电子器件与系统重点实验室广东深圳518060

介绍各种非线性光学显微成像的基本原理,并阐述非线性光学成像的多模态耦合所面临的技术挑战与解决方案。从成像速度、空间分辨率以及信噪比三个方面介绍了多模态非线性光学成像的研究进展,并扩展了多模态非线性光学内窥镜和图像分析方... 详细信息

介绍各种非线性光学显微成像的基本原理,并阐述非线性光学成像的多模态耦合所面临的技术挑战与解决方案。从成像速度、空间分辨率以及信噪比三个方面介绍了多模态非线性光学成像的研究进展,并扩展了多模态非线性光学内窥镜和图像分析方法。最后展望了多模态非线性光学成像的发展趋势和所面临的挑战,以期给相关领域研究人员提供参考。

关键词：成像系统显微成像非线性光学多模态光学成像光学内窥镜

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)

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中国激光 2024年第1期51卷 295-313页

作者：林方睿张晨爽连晓倩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/广东省重点实验室广东深圳518060

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... 详细信息

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。

关键词：显微荧光内窥显微成像活体脑成像梯度折射率透镜多模光纤

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大电流脉冲发生器设计及应用

电子学报 2024年第5期52卷 1469-1477页

作者：林楷宣罗秋燕陈嘉杰王佳恒黄峻堃王东刘进元牛丽红蔡厚智深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室广东深圳518060

长磁透镜是展宽型分幅相机的重要部件,使用大电流激励长磁透镜可在漂移区产生强磁场,从而提高相机空间分辨率.由于焦耳热效应的影响,长磁透镜无法长时间工作在大电流环境下.本研究基于串并联Marx结构,设计了应用于长磁透镜的电流脉冲发... 详细信息

长磁透镜是展宽型分幅相机的重要部件,使用大电流激励长磁透镜可在漂移区产生强磁场,从而提高相机空间分辨率.由于焦耳热效应的影响,长磁透镜无法长时间工作在大电流环境下.本研究基于串并联Marx结构,设计了应用于长磁透镜的电流脉冲发生器,研究了充电电压、储能电容、负载以及电路串、并联级数对输出电流脉冲的影响.当充电电压增大,储能电容值增大,负载减小,串联级数增加时,脉冲峰值电流增大;并联级数增加时,峰值电流呈先增后减的变化趋势.当储能电容值增大,负载增大,串联级数减少,并联级数增加时,脉冲半高宽增大.建立长磁透镜模型,模拟了长磁透镜轴上磁场强度分布.长磁透镜内径越大,轴上磁感应强度越弱;激励电流越大,磁感应强度越强.采用四级串联、两路并联的Marx脉冲电路产生了峰值457 A,半高宽6.76 ms的电流脉冲.该电流脉冲激励长磁透镜,获得了53.72μm的空间分辨率.

关键词：长磁透镜电流脉冲 Marx发生器空间分辨率分幅相机

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