鬼成像方法加快超分辨率熒光光學顯微鏡成像速度

　　【儀表網 儀表研發】中國科學院上海高等研究院宏觀量子中心研究員王中陽課題組和中國科學院上海光學精密機械研究所量子光學實驗室研究員韓申生課題組合作，提出利用鬼成像方法加快超分辨率熒光光學顯微鏡的成像速度。
 

 

　　“鬼”成像( ghost imaging)又稱雙光子成像( two-photon imaging ) 或關聯成像( correlated imaging) ，是一種利用雙光子復合探測恢復待測物體空間信息的一種新型成像技術傳統的光學觀察是基于光場的強度的分布測量，關聯光學則基于光場的強度的關聯測量，并且現有的成像技術主要利用光場的一階關聯信息(強度與位相)，而經典“鬼”成像利用的光場的二階關聯被認為是一種強度波動的統計相關。
 

　　新方法有望捕獲細胞內以亞毫秒速度發生的生物過程。相關研究成果以Single-frame wide-field nanoscopy based on ghost imaging via sparsity constraints 為題發表在美國光學學會刊物OPTICA上(DOI: 10.1364/OPTICA.6.001515)，并被美國光學學會(The Optical Society, OSA)作為高影響研究工作在發表的同時同步向媒體進行宣傳推廣。
 

　　超分辨光學顯微技術通過克服光的衍射極限來實現納米級的分辨率。盡管傳統超分辨顯微鏡可以定位細胞內單個分子，并構建超分辨圖像，但在活細胞中卻很難使用，因為重建圖像需要成百上千幀——這個過程太慢，無法捕捉快速變化的動力學過程。為了解決這個問題，該研究團隊將隨機相位調制器加入到熒光顯微鏡中實現熒光信號的編碼，并結合鬼成像技術與隨機測量壓縮感知方法，大幅度提高圖像信息獲取效率，數量級地減少重構超分辨圖像所需的采樣幀數。研究結果表明，在高標記密度下只需要通過單幀熒光圖像的采樣就可實現80nm分辨率的超分辨光學成像。
 

　　光學顯微鏡憑借其非接觸、無損傷等優點，長期以來是生物醫學研究的重要工具。但是，自1873年以來，人們一直認為，光學顯微鏡的分辨率極限約為200 nm，無法用于清晰觀察尺寸在200 nm以內的生物結構。超分辨光學成像(Super-resolution Optical Microscopy)是本世紀光學顯微成像領域重大的突破，打破了光學顯微鏡的分辨率極限(換言之，超越了光學顯微鏡的分辨率極限，故被稱為超分辨光學成像)，為生命科學研究提供了工具。
 

　　此外，研究的新方法還與2014年諾貝爾獎三大超分辨率技術之一的隨機光學重建顯微鏡(STORM)相結合，將STORM的采樣幀數減少了一個數量級以上。研究結果顯示成像一個60nm的環，該方法只用10幀圖像就可以重構圖像，而傳統的STORM方法需要多達4000幀圖像才能達到同樣的效果。該方法還實現用100幀圖像分辨40nm標尺。并且研究的超分辨成像顯微鏡不需要高的照明強度，這有助于減少光漂白和光毒性，有利于長時間的動態生物過程和活細胞成像研究。因此這項創新技術有望在生物、醫學等超分辨顯微成像研究領域得到廣泛的應用。
 

　　資料來源：上海高等研究院、百科