OL-EUV 超荧光

OL-EUV 超荧光
OL-EUV 超荧光

Interference-induced peak splitting in

extreme ultraviolet superfluorescence

Ni Cui,1,2Christoph H.Keitel,1and Mihai Macovei1,3,*

1Max-Planck-Institut für Kernphysik,Saupfercheckweg1,Heidelberg D-69117,Germany

2Department of Physics,College of Science and Engineering,Jinan University,

Huangpu Avenue West601,Guangzhou510632,China

3Institute of Applied Physics,Academiei str.5,Chi?in?u MD-2028,Moldova

*Corresponding author:macovei@phys.asm.md

Received November2,2012;accepted December24,2012;

posted January7,2013(Doc.ID179192);published February13,2013

We investigate the laser-induced quantum interference in extreme ultraviolet superfluorescence(SF)occurring in a dense gas ofΛ-type helium atoms coupled by a coherent laser field in the visible region.Due to the constructive interatomic and intraatomic interferences,the SF can split in two pulses conveniently controlled by the gas density and intensity of the driving field,suggesting potential applications for pump-probe experiments.?2013Optical Society of America

OCIS codes:270.6630,020.1670,140.3325.

For a collection of N initially excited atoms the construc-tive interatomic interference induces the atoms to radiate cooperatively as a short intense pulse with intensity pro-portional to N2and pulse duration proportional to N?1. Meanwhile,this effect is well known as superfluores-cence(SF)[1–3].Since the pioneering work of Dicke superradiance[4],many studies have confirmed superra-diant effects in different samples.The first experimental observation of SF was realized by Skribanowitz et al.[5] in hydrogen fluoride gas.Then,SF has been reported in a Cesium beam[6],laser-cooled Rubidium atoms[7],and Rubidium atomic vapor[8].Very recently,giant super-fluorescent bursts were observed in a dense semiconduc-tor plasma[9].Several further remarkable schemes for achieving ultrashort SF pulses have been demonstrated. In particular,superradiant amplification has been de-monstrated in an underdense plasma[10].The superra-diance in a free-electron laser was observed too[11]. Furthermore,the work on SF indicates an important po-tential application for producing coherent,ultrashort, and intense laser pulses,particularly,in the high fre-quency regions[ultraviolet(UV),extreme ultraviolet (EUV),and x-ray]by a suitable choice of the system and pump wavelength.The UV SF emission was reported in nanostructures at room temperature[12],whereas SF in the visible region has been characterized by pumping in the EUV region the helium gas[13].Finally,transient superradiant gain in a three-level system,as in He atoms or He-like ions,can yield strong EUV lasing[14].

Such constructive interferences can also be observed when multilevel atoms are considered.For instance, spontaneous emission can lead to so-called decay-induced coherence[1,3]between atomic dipole transi-tions under the stringent conditions on the level scheme in single atoms.These conditions are not easily met for many schemes discussed in the literature.Particularly, the well-knownΛ-and V-type three-level schemes with near-degenerate nonorthogonal transition dipole mo-ments can not be found in a real atomic system.Never-theless,these spontaneous emission interferences do exist in some selected realistic level schemes,as for instance,four-level atoms/ions in the J 1∕2?J 1∕2configuration like Mercury ions[15]or an atomic four-level system in the N-configuration which gives rise to electromagnetically induced absorption[16].Notably, the presence of spontaneous coherence was reported in artificial quantum systems like quantum wells[17,18] and quantum dots[19].Moreover,different approaches have been performed to induce spontaneous interference externally based on incoherent driving fields,coherent driving fields or breaking of the symmetry of the mode structure of the surrounding vacuum[3].

Here,we propose to realize EUV SF in an ensemble of helium atoms coupled with a coherent laser field in the visible region.For this purpose,we employ a dense en-semble ofΛ-type helium atoms where the emitters interact with each other via the common radiation field, see Fig.1.In contrast to the work in[13],we use a co-herent laser field to drive the visible transition j1i?j2i, and investigate the cooperative spontaneous radiation on the EUV transition j2i→j3i.Due to the constructive in-teratomic and intraatomic interferences,the SF in the EUV region takes place and can be controlled by the den-sity of the gas and the Rabi frequency of the coherent driving field.In particular,due to laser induced quantum interference effects in the decay channels one can

λ

1

1s (S)

|3?γ

1

1

Fig.1.(Color online)Energy levels of a helium atom.The atomic transition j2i→j1i is coupled by a strong coherent laser field with Rabi frequencyΩ.γ1 λ1 andγ2 λ2 are the single-atom spontaneous decay rates(transition wavelength)on transitions j2i→j1i and j2i→j3i,respectively.

570OPTICS LETTERS/Vol.38,No.4/February15,2013

0146-9592/13/040570-03$15.00/0?2013Optical Society of America

obtain two short SF pulses at the same frequency sepa-rated by a time delay.This could be useful in pump-probe experiments.

Our system is characterized by N identical Λ-type three-level helium atoms,consisting of 1s 2s 1S state j 1i ,1s 3p 1P state j 2i ,and 1s 2 1S state j 3i ,as shown in Fig.1.The atomic transition between states j 1i and j 2i is resonantly coupled by a strong laser field with Rabi frequency Ω,and both transitions j 2i ?j 1i and j 2i ?j 3i are coupled via vacuum modes with orthogonal dipole moments d 21and d 23,respectively.In the usual mean-field,Born –Markov and rotating-wave approximations our model is described by the master equation:

t ?i ΩX N j 1

S j

12;ρ ?

X N j;l 1

f γ 1 jl S j 21;S l

12ρ

γ 2 jl S j 23;S l 32ρ g H :c ::

(1)

Here S j

αβ j αi jj h βj with f α;βg ∈f 1;2;3g describe the population of the state j αi in the j -th atom if α βor the transition operator from j βi to j αi if α≠β.These

operators obey the commutation relations S j αβ;S l

β0α0

δjl δββ0S j αα0?δαα0S j β0β .Further,γ i jl ≡γi ? i jl i Ω i

jl i ∈

f 1;2

g are the collective parameters [1–3],wit

h ? i

jl

and Ω i

jl describing the mutual interactions among atomic pairs given by the expressions:? i

jl sin ωi r jl ∕c ∕

ωi r jl ∕c and Ω i

jl ?cos ωi r jl ∕c ∕ ωi r jl ∕c ,where we have averaged over all dipole orientations.ω1 ω2 is the transition frequency on the j 2i →j 1i j 2i →j 3i tran-sition and r jl j r

j ?r l j the interval between the j th and the l th atom.

In the following,we investigate the collective sponta-neous emission on the EUV transition j 2i →j 3i in an ensemble of helium atoms with a high density n ≈1016cm ?3.We assume the atoms being initially pre-pared in the metastable states j 1i .The initial preparation can be achieved using the pumping scheme given in [13],where the transition j 3i ?j 2i is pumped with a free-electron laser.Alternatively,instead of a free-electron laser,one can use high harmonic generation from laser driven gas jets [20].The helium gas density is chosen as

n ~λ?3

2such that both transitions involved j 2i →j 1i and j 2i →j 3i are collective.The dynamics of the cooperative decay from j 2i to j 3i is investigated via numerical integra-tion of Eq.(1).The equations for the population on the ground state h S 33i ∕N P N j 1h S j

33i ∕N and the intensity of

SF emission h S 23S 32i ∕N 2 P N j;l 1h S j 23S l 32i ∕N 2are gov-erned by the number of collectively interacting helium

atoms N ,the geometrical factor μ1 3∕8π λ21∕S ,μ2 3∕8π λ2

2∕S (when the ensemble of helium atoms has a form of a circular cylinder with length L and cross-sectional area S [2]),decay rates γ1;2and Rabi frequency Ω.We choose the sample parameters as L 1mm,S 1mm 2,and the effective number of cooperating atoms μ2N ≈3.4×103(see also [13]).

First,we consider the case when the Rabi frequency Ωis not commensurate with the collective decay rates,i.e.,Ω?μ2N γ2or Ω?μ2N γ2.The evolution of population in the ground states j 3i as well as the intensity of the

emitted SF pulses is presented in Fig.2.There are some

distinct differences for different strengths of the coher-ent driving field.In the case of a smaller Rabi frequency (Ω?μ2N γ2),the driving field is so weak that it needs more time to transfer the atoms from the state j 1i to the state j 3i ,and thus the population in the ground state increases slowly [black solid curve in Fig.2(a)]with a weak SF burst [black solid curve in Fig.2(b)].When Ω?μ2N γ2(blue dashed curves in Fig.2)two pulses with higher intensities are emitted at different frequencies,i.e.,ω23 Ω,and their common intensity is shown in Fig.2(b)with a blue dashed curve.

Now,we turn to the more interesting case Ω~μ2N γ2.Figure 3depicts the evolution of populations in the ground states j 3i and the intensity of SF emission for the Rabi frequency Ω 0.84μ2N γ2≈8.57×1012Hz and Ω 1.09μ2N γ2≈11.12×1012Hz.In particular,the popu-lation in ground state j 3i increases to unity in a short time with some small modulations due to the SF bursts.The modified structure can be viewed as two main short pulses of same frequency with a time delay,but the SF pulses display quite different features for different Rabi frequencies.For Ω 0.84μ2N γ2,the leading pulse is much stronger than the delayed one,while the feature is opposite when Ω 1.09μ2N γ2.Thus,there is a direct link between the emitted SF pulses and the Rabi fre-quency Ωthat,in particular,can be used to control the generation of the SF pulses.The two pulses in Fig.3(b)can be used for pump-probe experiments in EUV domain.The fluorescence intensity on j 2i →j 1

i

Fig.2.(Color online)(a)Population of the ground state j 3i

and (b)SF intensity (in units of μ2γ2N 2)on the transition j 2i →j 3i as a function of the scaled time μ2N γ2t for different Rabi frequencies:Ω?μ2N γ2(black solid curves)and Ω?μ2N γ2(blue dashed curves).Here,μ1∕μ2≈87.3and γ1∕γ2≈1∕223

.

Fig.3.(a),(c)Population in the ground state j 3i and (b),(d)SF intensity (in units of μ2γ2N 2)on the transition j 2i →j 3i as a function of the scaled time μ2N γ2t .(a),(b)Ω 0.84μ2N γ2whereas (c),(d)Ω 1.09μ2N γ2.All other parameters are the same as in Fig.2.

February 15,2013/Vol.38,No.4/OPTICS LETTERS 571

transition initially oscillates and then suddenly tends to zero when the atoms are transferred to the ground state j3i.

The phenomena above can be physically understood in the dressed-state picture.Due to the strong coupling via the driving field,the upper state j2i splits into two states j i and j?i separated by2Ω.The two states will both de-

cay to the ground state j3i with the rates proportional to γ 2≈γ ? 2≡γ2,respectively.When the Rabi frequencyΩis large,the atoms in states j i and j?i would indepen-dently decay to the ground state j3i by emitting two pulses with different frequenciesω23 Ω.However, for the smaller Rabi frequencyΩ~μ2Nγ2,the two states j i and j?i are so close that the decay amplitudes to the ground state interfere with each other,similar to the case of a V-type three-level scheme with near-degenerate non-orthogonal transition dipole moments[1,3].These decay-induced coherences may give rise to destructive quantum interference between the two decaying paths leading to the splitting of the SF pulse with a time delay propor-tional toΩ?1as shown in Figs.3(b)and3(d).Note that single-atom systems can also display quantum interfer-ence effects.However,independent atoms would not exhibit intense light emission and fast dynamics.The ionization probability of the1s3p excited state via one-photon processes can be estimated using the cross-section from[21],i.e.,σi≈10?17cm2atλ1≈500nm.At laser intensities I L~109?1010W∕cm2and interaction timesτ~2π∕Ωthe ionization probability P i σi I Lτ∕ ?ω1 is of the order of10?2?10?1and thus,negligible small.

Finally,we demonstrated the generation of SF in the EUV region in an ensemble ofΛ-type three-level helium atoms.The technique could be easily extended to other atomic or atomic-like systems with aΛ-type structure,as for instance,He-like Carbon C4 ,that could be used to produce X-ray SF if high densities are available.

In summary,we have shown that the cooperative spon-taneous emission arising at high density of a helium atomic ensemble can be employed to generate SF pulses in the EUV region.In particular,the collective effects for a helium ensemble coupled simultaneously with a proper laser field are shown to induce quantum interference in EUV SF leading to a preponderate two-pulse emission with a potential application for pump-probe experiments. We benefited from useful discussions with Karen Z. Hatsagortsyan.References

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572OPTICS LETTERS/Vol.38,No.4/February15,2013

超分辨荧光显微技术原理

2014 年的诺贝尔理综奖颁发给了“超分辨荧光显微技术”。也许接下来的几天,媒体会关注 Stefan Hell、Eric Betzig 二人的传奇经历,或者另一名华人女科学家与该奖项失之交臂的遗憾。但是八卦之外,这项成果背后的科学本身也非常有意思。 这里面有三个关键词:“超分辨”、“荧光”和“显微技术”,我希望能够解释清楚以下几个问题,尤其是后两个问题: 1. 为什么需要(光学)显微技术? 2. 为什么光学显微镜的分辨率存在理论极限? 3. 用怎样的方法可以突破这个理论极限以达到“超分辨”?为什么这个理论极限可以被突破? 5. 为什么非得是荧光显微技术,而非普通的明场(透射光)显微技术? 1. 采样定理与显微镜 我们用肉眼观察或者用相机拍摄一个物体时,物体上的每一个细微的点都会在眼睛的视网膜或是相机的感光芯片上成像。那么我们为什么不能看到细菌等微小的东西,为什么不能把照片无限放大以看清远处树木上面的每一片叶子呢? 这个问题的答案比较简单:因为组成视网膜的每一个感光细胞(视杆细胞和视锥细胞)、相机芯片上的每一个感光元件(CCD、CMOS等)都是有大小的。比如视网膜中央凹区域的视锥细胞直径平均约为 5 微米。而由于奈奎斯特-香农采样定理的限制,视网膜上能分清的两个相邻像点的距离是视锥细胞直径的两倍,即 10 微米。再结合眼球的构造,大致可以推断出,在距离眼睛 25 厘米的位置,我们能分辨物体上相距为 80 微米的两个点,换算成点阵密度就是大约 320 ppi,这也是苹果所谓“视网膜屏”分辨率的来历。 如果要观察小于 80 微米的物体,比如细菌,就需要先将物体放大,再用眼睛或者相机观察。现代光学显微镜的构造其实非常简单,样品放置在物镜的焦点处,从样品上发射或散射的光经过物镜变成平行(准直)光,再经过一个结像透镜,然后会聚到相机的感光芯片上成像。 按照前面的方法来推算,要区分物体上相距为 200 纳米的两个点,如果使用科研级相机,比如最近火起来的 sCMOS 相机(每个感光像素尺寸为 6.5 微米),只需要使用放大倍率为 65 倍的物镜就足够了。 那么是否可以通过提高物镜的放大倍率来观察低于 200 纳米的物体,比如细胞里面微管呢? 答案是不可以。 2. 光学衍射极限 由于光是一种电磁波,具有衍射和干涉的特性。

光学显微镜的发展历史

光学显微镜的发展历史、现状与趋势 杨拓拓 (苏州大学现代光学技术研究所,江苏苏州215000) 1基本原理 显微镜成像原理及视角放大率 显微镜由物镜和目镜组成。物体AB 在物镜前焦面稍前处,经物镜成放大、倒立的实像A'B',它位于目镜前焦面或稍后处,经目镜成放大的虚像,该像位于无穷远或明视距离处。 图1-1显微镜系统光路图 牛顿放大率公式: f f x x ''= 'x 是像点到像方焦点的距离,x 是物点到物方焦点的距离。 根据牛顿放大率公式可得物镜的垂轴放大率为 '1'1'11--f f x ?== β 目镜的视觉放大率为: '22250 f =Γ 组合系统的放大率为 '1f

'2'121250f f ? -=Γ=Γβ 显微镜系统的像方焦距 ?-=/'2'1'f f f '250 f = Γ 显微镜系统成倒像轴向放大率 '2'1'2'1/f f x x =β 若物点A 沿光轴移动很小的距离,则通过显微镜系统的像点'2A 将移动很大的距离,且移动 方向相同。 显微系统的角放大率 '2'1'2'1/x x f f =γ 即入射于物镜为大孔径光束,而由目镜射出为小孔径光束。 显微镜的孔径光阑 单组低倍显微物镜,镜框是孔径光阑。 复杂物镜一般以最后一组透镜的镜框作为孔径光阑。 对于测量显微镜,孔阑在物镜的象方焦面上,构成物方远心光路。 显微镜的视场光阑和视场 在显微物镜的象平面上设置了视场光阑来限制视场。由于显微物镜的视场很小,而且要求象面上有均匀的照度,故不设渐晕光阑。 显微镜是小视场大孔径成像,为获得大孔径并保证轴上点成像质量,显微镜线视场不超过物镜的1/20,线视场要求: 1'120202β?=≤f y

超分辨成像技术的新发展

超分辨显微成像技术的新发展 马利红 引言 人类获得信息的主要器官是眼睛,然而靠人眼观察客观事物的空间分辨率的极限约为4 ′米,客观世界中人眼不能分辨的所有细微结构称为微观世界。显微成像技术将310- 微观过程或结构成放大图像,以便于人眼能够直接观察。研究微观世界所涉及的学科领域十分广泛,有生物、医学、材料科学、精密机械、微电子学、分子及原子物理、核物理等等,微观世界中细分的微量尺度原则上是无穷的,因而显微学是跨多学科的,其发展也是无止境的。 1665年,Robert Hooke用原始显微镜发现了池塘水中单细胞有机体,它的出现为人类打开了微观世界的大门。光学显微镜由此成为历代生物学家的主要研究工具之一。生物学家把显微镜作为一种主要工具来研究生物器官、组织和细胞,由此奠定了细胞学和组织学的基础,并对生物学、遗传学、微生物学、病理学和医学的发展起到了极大的推动作用。但传统光学显微镜有以下两个主要缺点:(1)受衍射极限的限制,其分辨率与照明波长是同一个数量级,具有一个数值孔径(NA=nsin(q))的传统光学显微镜,分辨极限l,称之为瑞利判据;(2)由于使用的是场光源,观测到的是一个宽视野图像,为0.61/NA 从而降低了信噪比,影响了图像的清晰度和分辨率。随着生物医学、材料科学等的发展对显微提出了更高的要求,不仅希望其具有更高的分辨率,而且能对样品进行无损成像,甚至希望可观察其三维图像。因此,传统的显微镜已不能满足要求。 电子显微镜的分辨率虽然远高于光学显微镜,但它需要在真空条件下工作,因此很难观察活的生物样品,另外电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。电子显微镜、的局限以及高分辨显微的需求,迫使人们转向超经典衍射极限的光学超分辨理论和技术研究,利用新原理、新技术、新方法来实现光学高分辨力成像和检测。

超分辨处理理论基础

2超分辨处理理论基础 2.1超分辨率基础知识 2.1.什么是分辨率 分辨率是屏幕图像的精密度,是指显示器所能显示的像素的多少。由于屏幕上的点、线和面都是由像素组成的,显示器可显示的像素越多,画面就越精细,同样的屏幕区域内能显示的信息也越多,所以分辨率是个非常重要的性能指标之一。可以把整个图像想象成是一个大型的棋盘,而分辨率的表示方式就是所有经线和纬线交叉点的数目。 分辨率决定了位图图像细节的精细程度。通常情况下,图像的分辨率越高,所包含的像素就越多,图像就越清晰,印刷的质量也就越好。同时,它也会增加文件占用的存储空间。 用于量度位图图像内数据量多少的一个参数。通常表示成ppi(每英寸像素)。包含的数据越多,图形文件的长度就越大,也能表现更丰富的细节。但更大的文件也需要耗用更多的计算机资源,更多的ram,更大的硬盘空间等等。在另一方面,假如图像包含的数据不够充分(图形分辨率较低),就会显得相当粗糙,特别是把图像放大为一个较大尺寸观看的时候。所以在图片创建期间,我们必须根据图像最终的用途决定正确的分辨率。这里的技巧是要首先保证图像包含足够多的数据,能满足最终输出的需要。同时也要适量,尽量少占用一些计算机的资源。 通常,“分辨率”被表示成每一个方向上的像素数量,比如640x480等。而在某些情况下,它也可以同时表示成“每英寸像素”(ppi)以及图形的长度和宽度。比如72ppi,和8x6英寸。 2.1.1什么是超分辨 图像的超分辨率(super resolution , SR)是指由一幅低分辨率图像(low resolution , LR)或图像序列恢复出高分辨率图像(high resolution , HR )。低分辨率 的图像包含的细节信息较少,但我们可以得到一系列低分辨率的图像,这些图像包含的部分细节信息各有不同,能够相互补充。通过这一系列低分辨的图像,经过一定的处理,可以得到一幅分辨率较高、包含信息较多的图像。这个处理过程就是超分辨率重建。 在图像采集系统中,光学传感器的分辨率不能满足一些特殊应用的需求,而且成像过程受加性噪声及透镜点扩散函数(PSF, Point Spread Function)的影响, 因此,图像成像过程只能获得降质的低分辨率图像}s-ion。尽管随着技术的进步,传感器的分辨率有了明显的提高,但受成本的影响,也限制了其使用范围,而且受工艺等因素的影响,依靠提高传感器的分辨率来提高图像质量的能力是有限的。按照傅立叶光学的观点,在成像系统中的光学透镜是一个低通滤波器,由于受到光学衍射的影响,其传递函数在由衍射极限分辨率所决定的某个截止频率以上的值均为零,图像超分辨率处理试图重构截止频率以外的信息。 另一方面,对于通常的图像显示设备具有固定的分辨率,而对低分辨率的图

超分辨荧光显微技术原理

2014年的诺贝尔理综奖颁发给了“超分辨荧光显微技术”。也许接下来的几天,媒体会关注StefanHell、EricBetzig二人的传奇经历,或者另一名华人女科学家与该奖项失之交臂的遗憾。但是八卦之外,这项成果背后的科学本身也非常有意思。 这里面有三个关键词:“超分辨”、“荧光”和“显微技术”,我希望能够解释清楚以下几个问题,尤其是后两个问题: 1.为什么需要(光学)显微技术? 2.为什么光学显微镜的分辨率存在理论极限? 3.用怎样的方法可以突破这个理论极限以达到“超分辨”?为什么这个理论极限可以被突破? 5.为什么非得是荧光显微技术,而非普通的明场(透射光)显微技术? 1.采样定理与显微镜 我们用肉眼观察或者用相机拍摄一个物体时,物体上的每一个细微的点都会在眼睛的视网膜或是相机的感光芯片上成像。那么我们为什么不能看到细菌等微小的东西,为什么不能把照片无限放大以看清远处树木上面的每一片叶子呢? 这个问题的答案比较简单:因为组成视网膜的每一个感光细胞(视杆细胞和视锥细胞)、相机芯片上的每一个感光元件(CCD、CMOS等)都是有大小的。比如视网膜中央凹区域的视锥细胞直径平均约为5微米。而由于奈奎斯特-香农采样定理的限制,视网膜上能分清的两个相邻像点的距离是视锥细胞直径的两倍,即10微米。再结合眼球的构造,大致可以推断出,在距离眼睛25厘米的位置,我们能分辨物体上相距为80微米的两个点,换算成点阵密度就是大约320ppi,这也是苹果所谓“视网膜屏”分辨率的来历。

如果要观察小于80微米的物体,比如细菌,就需要先将物体放大,再用眼睛或者相机观察。现代光学显微镜的构造其实非常简单,样品放置在物镜的焦点处,从样品上发射或散射的光经过物镜变成平行(准直)光,再经过一个结像透镜,然后会聚到相机的感光芯片上成像。 按照前面的方法来推算,要区分物体上相距为200纳米的两个点,如果使用科研级相机,比如最近火起来的sCMOS相机(每个感光像素尺寸为6.5微米),只需要使用放大倍率为65倍的物镜就足够了。 那么是否可以通过提高物镜的放大倍率来观察低于200纳米的物体,比如细胞里面微管呢? 答案是不可以。 2.光学衍射极限 由于光是一种电磁波,具有衍射和干涉的特性。 图1.光学显微镜简化示意图 如上面的简图所示,紫色箭头表示的物体PQ经过物镜等之后在相机上成像为 P'Q'。由于光的衍射,物体上的点如P、Q,在相机上并不是单独的点,而是一个个有一定大小的斑,被称为夫琅禾费衍射斑(或称艾里斑),如右侧的同心圆所示。那么,当P'、Q'相距太近的时候,两个斑会叠加导致难以分辨。这就要求物体上的P、Q要相距一定的距离。 1873年,德国物理学家、卡尔蔡司公司的恩斯特·阿贝(ErnstAbbe)首次推算出衍射导致的分辨率极限。根据瑞利判据——“当一个像斑的中心落到另一个像斑的边缘时,就算这两个像刚好能被分辨”,显微镜能分辨的物体上两点P、Q 的最小距离h为:

突破衍射极限的超高分辨率成像技术发展(修改)

突破衍射极限的超高分辨率成像技术发展(修改) -标准化文件发布号:(9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

结课论文 题目突破衍射极限的超高分辨率成像的技术进展 学生姓名 学号 学院 专业 班级 二〇一五年十二月

一引言 1.1选题意义 光学显微成像具有极为悠久的历史,但一直以来,光学成像一直受到衍射极限的限制而分辨率无法突破200 nm。后来虽然有了电子显微镜、核磁共振显像、x光衍射仪等微观观测或者显像设备,但是使用光学显微镜可以在活体状态下观察生命体使得其在生物、医学观察方面仍有巨大优势。值得庆贺的是近年来,超高分辨率显微技术的发展使得光学显微成像分辨率达到了20 nm以下。其中德国科学家Stefan Hell、美国科学家Eric Betzig和William Moerner因其在超高分辨率显微技术方面的突出贡献获得了2014年的诺贝尔化学奖。在这篇文章中,我们就简要介绍一下超高分辨率显微技术的发展和应用,并对诸位大师致以敬意。 1.2技术 指标 显微技术成像优劣一般通过X-Y平面分辨率与Z 轴分辨率大小来判定,分辨率越高数值越 小。下表是各种显微成像技术的分辨率指标。

STED显微技术50-70 STED+4技术50 50 PALM技术20 30 3D STORM技术20-30 50-60 dSTORM技术30 50 2D SSIM技术50 3D SSIM技术100 200 电子显微镜 X光衍射仪

二衍射极限 衍射极限 我们能看到什么看到多小的范围看得有多清楚几百年来,依靠不断进步的科学手段,微观世界正一层层揭开面纱,让人们可以看得越来越“小”,进而可以进行研究。 人的肉眼能分辨毫米尺度的物体,再小,就要借助工具。1665年,英国科学家罗伯特·虎克制造了第一台用于科学研究的光学显微镜,用它观察薄薄的软木塞切片。虎克看到了残存的植物细胞壁,它们一个个像小房间一样紧挨在一起,这就是“细胞”一词的由来。 此后,显微镜制造和显微观察技术的迅速发展,帮助科学家第一次发现了细菌和微生物。那么,光学显微镜是否可以无止境地“放大”下去,让我们想看到多小就能看到多小科学家为此做了很多尝试,最终发现,存在一道法逾越的“墙”—衍射极限。 1873年,德国科学家阿贝提出了衍射极限理论:光是一种电磁波,由于存在衍射,一个被观测的点经过光学系统成像后,不可能得到理想的点,而是一个衍射像,每个物点就像一个弥散的斑,如果这两个点靠得很近,弥散斑就叠加在一起,我们看到的就是一团模糊的图像。 阿贝提出,分辨率的极限近似于入射光波长的二分之一(d=λ/2)。可见光的波长通常在380~780纳米之间,根据衍射极限公式,光学显微镜的分辨率极限就在200纳米(微米)左右。如果物体小于微米,你仍旧看到的是一个模糊的光斑。这就是很长一段时间内,光学显微镜的分辨极限——衍射极限。

突破衍射极限地超高分辨率成像技术发展 (修改)

结课论文 题目突破衍射极限的超高分辨率成像的技术进展 学生 学号 学院 专业 班级 二〇一五年十二月

一引言 1.1选题意义 光学显微成像具有极为悠久的历史,但一直以来,光学成像一直受到衍射极限的限制而分辨率无法突破200 nm。后来虽然有了电子显微镜、核磁共振显像、x光衍射仪等微观观测或者显像设备,但是使用光学显微镜可以在活体状态下观察生命体使得其在生物、医学观察方面仍有巨大优势。值得庆贺的是近年来,超高分辨率显微技术的发展使得光学显微成像分辨率达到了20 nm以下。其中德国科学家Stefan Hell、美国科学家Eric Betzig和William Moerner因其在超高分辨率显微技术方面的突出贡献获得了2014年的诺贝尔化学奖。在这篇文章中,我们就简要介绍一下超高分辨率显微技术的发展和应用,并对诸位大师致以敬意。 1.2技术指标 显微 技术成像优劣一般通过X-Y平面分辨率与Z轴分辨率大小来判定,分辨率越高数值越小。下表是各种显微成像技术的分辨 率指标。

普通光学显微镜200-300 500-700 4Pi显微镜100-150 STED显微技术50-70 STED+4技术50 50 PALM技术20 30 3D STORM技术20-30 50-60 dSTORM技术30 50 2D SSIM技术50 3D SSIM技术100 200 电子显微镜0.05 X光衍射仪0.03-10

二衍射极限 2.1 衍射极限 我们能看到什么?看到多小的围?看得有多清楚?几百年来,依靠不断进步的科学手段,微观世界正一层层揭开面纱,让人们可以看得越来越“小”,进而可以进行研究。 人的肉眼能分辨0.1毫米尺度的物体,再小,就要借助工具。1665年,英国科学家罗伯特·虎克制造了第一台用于科学研究的光学显微镜,用它观察薄薄的软木塞切片。虎克看到了残存的植物细胞壁,它们一个个像小房间一样紧挨在一起,这就是“细胞”一词的由来。 此后,显微镜制造和显微观察技术的迅速发展,帮助科学家第一次发现了细菌和微生物。那么,光学显微镜是否可以无止境地“放大”下去,让我们想看到多小就能看到多小?科学家为此做了很多尝试,最终发现,存在一道法逾越的“墙”—衍射极限。 1873年,德国科学家阿贝提出了衍射极限理论:光是一种电磁波,由于存在衍射,一个被观测的点经过光学系统成像后,不可能得到理想的点,而是一个衍射像,每个物点就像一个弥散的斑,如果这两个点靠得很近,弥散斑就叠加在一起,我们看到的就是一团模糊的图像。 阿贝提出,分辨率的极限近似于入射光波长的二分之一(d=λ/2)。可见光的波长通常在380~780纳米之间,根据衍射极限公式,光学显微镜的分辨率极限就在200纳米(0.2微米)左右。如果物体小于0.2微米,你仍旧看到的是一个模糊的光斑。这就是很长一段时间,光学显微镜的分辨极限——衍射极限。

设备名称、技术参数及功能要求

设备名称、技术参数及功能要求 一、荧光3D澄清显微镜(全电动)技术参数及功能要求: (一)设备用途 主要用于获取清晰的高质量的以及超高分辨率的共聚焦荧光图像,可用于观测固定细胞,活细胞,动植物组织的深层结构,得到清晰锐利的多层Z平面结构(光学切片)。其配置需要满足以下技术规格。 (二).技术规格 1.激光器部分 1.1激光器:采用单模保偏光纤,典型动态范围≥10000:1;直接调制≥500:1 -固态激光器405nm:额定功率≥15mW; -固态激光器488nm:额定功率≥25mW; -固态激光器561nm:额定功率≥25mW; -固态激光器640nm:额定功率≥15mW; 1.2软件可以直接调节所有激光器开关以及强度,并具有15分钟未使用自动进入关机状态(Switch off)功能。 2.扫描检测模块 2.1共聚焦扫描检测单元与显微镜一体化设计,荧光检测器与扫描头直接耦合,无光纤连接,保证系统的稳定性与荧光信号的光学效率,达到最佳的成像信噪比; 2.2共聚焦针孔采用复消色差校正,调节范围≥0-10AU(Airy Unit),保证荧光共定位实验的准确性; 2.3检测器数量:荧光检测器个数:≥3个;透射光检测器≥1个。 2.4荧光检测器类型:3个光谱型检测器,检测范围调节精度≤1nm;其中,PMT检测器≥2个,32个磷酸砷化镓(GaAsP-PMT)组成的高灵敏度阵列超高分辨率探测器≥1个; 2.5主分光方式:≤10度小角度入射二向色镜分光或AOBS分光,提供更好的激光压制效率,满足OD值≥6-7; *2.6光谱分光:利用可变次级二色分光镜分光或光栅分光技术,光谱扫描分辨精度(最小光谱检测范围)≤1nm。 2.7采用X、Y轴独立的双镜扫描,采用超快线扫及帧飞回技术。具有高光谱效率与扫描速度,扫描方式为绝对线性扫描运动,在样品扫描成像时每个点之间的扫描时间相等,最大程度的保持样品状态,可以最大程度的还原真实的实验结果;回转时间短,>85%的帧时间(frame time)有效地用于图像采样,在线扫描占时比≥80%。 2.8扫描方式:xy,xyz,xyt,xyzt,xz,xt,xzt,xλ,xyλ,xyzλ,xytλ,xyztλ,xzλ,xtλ,xztλ,直线扫描,剪切扫描; *2.9在所有扫描方式下,均可以进行≥360°任意旋转扫描线的方向,同时可以变倍以及移动扫描区域的中心。旋转、变倍、移动中心均可以实时(扫描过程中)进行; 2.10扫描光学变倍:在任何扫描速度下都可以同时满足变倍范围0.6x-1x和1x–40x,连续调节;

SAR图像超分辨技术

2.1 正则化数学思想见解 正则化在线性代数理论中,不适定问题通常是由一组线性代数方程定义的,而且这组方程组通常来源于有着很大的条件数的不适定反问题。反问题有两种形式。最普遍的形式是已知系统和输出求输入,另一种系统未知的情况通常也被视为反问题。许多反问题很难被解决,但是其他反问题却很容易得到答案。显然,易于解决的问题不会比很难解决的问题更能引起人们的兴趣,我们直接解决它们就可以了。那些很难被解决的问题则被称为不适定的。 一个不适定问题通常是病态的,并且不论是简单地还是复杂地改变问题本身的形式都不会显著地改善病态问题。另一方面,病态问题不一定是不适定的,因为通过改变问题的形式往往可以改善病态问题。在严格的数学意义上,我们通常不可能对不适定问题进行求解并得到准确解答。 其基本理论为: 只考虑一帧图像得: y Hx n =+ (1) 上式就是病态方程, 即方程的解不能同时满足以下三个条件:解的存在;解的唯一性;解连续依赖于观测数据。正则化方法的基本思想是利用关于解的先验知识,构造附加约束以确保问题解的存在、唯一和连续,从而把不适定问题转化为适定问题。采用正则化方法来确定问题的近似解。通常需要求解如下表达形式的目标泛函的极小值: ()()2 J x y Hx p x αα=-+, (2) 2d x y Hx -()=表示数据拟合项,衡量数据拟合程度。 ()p x 为正则项,衡量信号的某种奇异性。正则项函数()p x 对未知图像X 造成了一个约束,使其得到一个稳定解,它的系数表示约束的强度。通常2P(x)Rx = ,R 是约束算子,它根据图像的先验信息对解进行约束,通常是基于一阶微分或二阶微分的高通滤波器算子。 α为正则化变量或动态正则化参数,起平衡正则项和数据项的作用,当它变大时,重建解趋于光滑,反之则数据拟合误差变小。超分辨率重建问题的本质就是在充分拟合观测数据的前提下,使某种奇异性度量最小,从而寻找理想的解X 。 正则项和正则化参数的确定直接影响到复原图像的效果,这也是研究正则化方法的第一步。在正则化方法的实现过程中还会遇到离散算子,迭代算法等问题。为了更好的在去除噪声的同时保留图像边缘以及纹理细节信息,还要结合其他方法对标准正则化方法进行改进。这些内容都将在研究过程中深入讨论。 正则化算法主要涉及到以下几个要点: ·正则化参数 正则化参数α用来调整正则项和数据项的平衡,它的取值将直接影响到复原图像的效果。如果α取值偏小,不能有效地消除高频噪声,会引入寄生波纹和假象;如果α取值偏大,图像会因为丢失很多边缘信息而仍然模糊。 通常情况下,在已知噪声的方差的情况下,参数计算过程如下所示:

光学显微重建技术与超分辨率显微镜

光学显微重建技术与超分辨率显微镜 一.光学显微重建技术 光学显微镜技术受限于光的波长,而电子显微镜虽然可以达到纳米级的分辨率,但通电的结果容易造成样品的破坏,因此能观测的样本也相当有限。这几年超高分辨率荧光显微镜跨越了一大步,使得研究者可以从纳米级观测细胞突起的伸展,从而宣告200―750纳米大小范围的模糊团块的时代结束了。 这些超高分辨率荧光显微镜技术有些基于图像照明,比如受激发射减损(stimulated emission depletion ,STED)以及相关的RESOLFT显微技术,还有饱和结构光照明显微(Saturated Structured Illumination Microscopy),有些基于单分子开关和定位,比如随机光学重建显微镜(stochastic optical reconstruction microscopy, STORM),以及(荧光)光敏定位显微技术(PALM, photoactivated localization microscopy),利用这些方法可以达到生物样品成像10-100nm的分辨率,从而令研究人员观察到亚细胞结构的具体细节。 但是由于大部分蛋白分子只有几纳米,如果要直接解析细胞中这些分子的相互作用,还需要更高的分辨率。在这篇文章中,研究人员就介绍了一种实验方法,可以将荧光基团化学转换成对荧光状态光敏感的稳定暗态(dark state),从而再次提高超高分辨率荧光显微镜技 术的分辨率。 STORM和(F)PALM方法都能通过顺序开关和单个荧光基团定位构建探针高分辨率图谱, 这需要这些探针在暗态中准备好,并带有一部分能随时开启的开关。此前曾利用过多种光控开关和光敏荧光探针,比如一些有机染料,荧光蛋白和量子点,但是部分由于这些荧光基团无法在暗态中准备,因此限制了高分辨率成像的发展。 研究人员提供的这种实验程序方法详细介绍了荧光染料和还原剂(NaBH4)的准备方法,解决了将荧光基团化学转换成对荧光状态光敏感的稳定暗态的问题。这种方法能在原位进行,由于还原染料的吸收光谱具有强烈的蓝色转移,因此染料能有效的转换进暗态。这种方法能用于多种可见光谱荧光基团,因此将能在超高分辨率显微技术中发挥重要的作用。 二.超分辨率显微镜NIKON N-STORM简介 随机光学重建显微(STORM)技术通过探测显微标本内的各荧光团的精确定位信息重建超分辨率荧光影像。N-STORM利用NIKON的强大Ti-E倒置式显微镜应用3维高精度多通道分子定位和重建,从而实现了比传统显微镜高10倍(横向约20nm)的超高分辨率。此强大技术能够观察到纳米级分子相互作用,开启研究的全新境界。 ?比传统光学显微镜高10倍的超高分辨率(横向约20nm) N-STORM利用显微镜样本内部数以千计的离散荧光体分子,实现2D或3D高精度定位信息,展现无比壮观 的超高分辨率图像,与传统光学显微镜相比,空间分辨率可提高10倍。

最新超分辨率荧光显微技术的原理和进展电子教案

超分辨率荧光显微技术的原理和进展 姓名:曹宁 学号:104753141002 专业:药理学 2015年2月

超分辨率荧光显微技术的原理和进展 摘要:在生命科学领域,人们常常需要在细胞内精确定位特定的蛋白质以研究其位置与功能的关系。多年来,宽场/ 共聚焦荧光显微镜的分辨率受限于光的阿贝/ 瑞利极限,不能分辨出200 nm 以下的结构。近年来,随着新的荧光探针和成像理论的出现,研究者开发了多种实现超出普通共聚焦显微镜分辨率的三维超分辨率成像方法.主要介绍这些方法的原理、近期进展和发展趋势。史蒂芬·赫尔(Stefan w.Hell)、埃里克·本茨格(Eric Betzig)和威廉·默尔纳(William E.Moerner)因在超分辨率荧光显微技术方面的贡献共享了2014年的诺贝尔化学奖。他们使用荧光分子和特殊的光物理原理,巧妙地突破了普通光学显微镜无法突破的“阿贝极限”,其开创性的成就使光学显微技术发展为“显纳”技术,能够窥探纳米世界。 关键词:超分辨率荧光显微技术,光激活定位显微技术,随机光学重构显微技术,点扩散函数 现代生物医学研究中为了更好地理解人体生命的作用过程和疾病的产生机理,需要观察细胞内细胞器、病毒、寄生虫等在三维细胞空间的精确定位和分布.另一方面,后基因组时代蛋白质科学的研究也要求阐明:蛋白质结构、定位与功能的关系以及蛋白质- 蛋白质之间发生相互作用的时空顺序;生物大分子,主要是结构蛋白与RNA及其复合物,如何组成细胞的基本结构体系;重要的活性因子如何调节细胞的主要生命活动,如细胞增殖、细胞分化、细胞凋亡与细胞信号传递等.反映这些体系性质的特征尺度都在纳米量级,远远超出了常规的光学显微镜(激光扫描共聚焦显微镜等)的分辨极限(xy 向分辨率:200 nm,z 向分辨率:500 nm)[1].应用传统的电子显微镜(EM)可以达到纳米量级的分辨率,能够观察到细胞内部囊泡、线粒体等细胞器的定位,但是由于缺乏特异性的探针标记,不适合定位单个蛋白质分子,也不适合观察活细胞和细胞膜的动态变化过程.因此,生物学家迫切希望有一种实验显微方法,它既具有亚微米甚至纳米尺度的光学分辨本领,又可以连续监测生物大分子和细胞器微小结构的演化,而并不影响生物体系的生物活性. 近年来,随着新型荧光分子探针的出现和成像方法的改进,光学成像的分辨率得到极大的改进,达到可以与电子显微镜相媲美的精度,并可以在活细胞上看

光学超分辨技术综述——微光学小论文

光学超分辨技术综述 学号:SA14009025 姓名:邱金峰 摘要:由于无论是源于人类本身对未知世界探索的渴望,还是现代工程技术的各种需要,对微观领域的高分辨率成像都是一个十分重要的研究方向,故本文对国内外光学超分辨技术研究的历史和现状做出综述是十分必要的。 一、背景及意义 人类对未知领域的探索永远是促进科学进步的最强大动力。在众多未知领域中我们身边的微观世界无疑是最令人着迷的。在这一领域中既涉及到生物细胞、遗传基因这些关乎我们自身的重要元素,又涉及到分子结构、基本粒子这些构成我们关于物质知识的核心命题。也只有对微观世界的深入研究才能让我们回答诸如什么是人类能够观测的最小尺度,宇宙是否存在物质的最小极限这样的物理学中的基本问题。而研究往往始于观察,成像又是观察的最基本手段。所以寻找对微观物质高分辨率成像的方法,制造对微观物质高分辨率成像的仪器,就成为了研究微观领域必不可少的首要一环。正是推动科学本身进步这一要求,使科研人员不断地采用各种各样的技术革新来尽可能地提高观测系统的分辨率和有效信息获取量,并尽可能地重建和恢复原始自然图像,以满足人类对未知的微观世界知识获取的渴望。 另一方面,在技术层面上,随着许多新兴的超精密工程学的发展,人们提出了纳米级与亚纳米级分辨率成像的要求。如在巨大规模集成电路(Giga ScaleIntegration circuits)制造中,已经开始使用32nm工艺,并且正在开发22nm工艺;在纳米技术的研究中,从上世纪七十年代,首先提出使用单分子作为电子器件开始,到现在研制中的各种微纳机电系统,各个研究对象的线度也都在数微米到几纳米之间;而在现代生物科技和现代医学技术的发展中,人们不但提出了对大生物分子在纳米级和亚纳米及三维成像的要求,甚至还希望能对活性样品进行动态检测和显微操作。这就要求图像和数据同步、动态地显示在我们面前。 为达到以上要求,人们应用了光学、微电子、计算机、机械制造、信号处理等各个学科的最新成果,来制造先进的现代成像系统。在这些现代成像系统中,又以现代光学成像系统,应用最为广泛。现代光学成像系统除了具备简单高效、使用方便、造价相对较低等传统光学成像系统的特性外,还具有更高的时间和空间成像分辨率,突破了传统意义上的衍射成像分辨率极限。而研究使光学成像系统突破衍射成像分辨率极限,获得高分辨率成像的相关方法也逐渐成为了一个独立的课题——光学超分辨技术。 光学超分辨技术又可以根据成像系统对物体反射或透射光场不同部分的成像作用分为近场光学超分辨技术和远场光学超分辨技术。近场光学超分辨技术的主要思想是采用光纤探头等探测装置对物体表面进行扫描,探测物体表面的倏逝波并对其成像,已达到提高成像分辨率的目的。远场光学超分辨技术则是在传统的光学显微成像系统的基础上应用光瞳滤波、共焦扫描、荧光显微技术以及其他各种频带展宽技术,实现成像分辨极限的突破。 二、历史与现状 在研究光学超分辨成像技术时,就必须首先提到显微术。超分辨技术在某种程度上可以认为是显微术发展的延伸。在19世纪,人们主要利用透镜成像原理

几种超分辨率显微术原理及对比

各厂家超分辨技术 1、莱卡公司采用的超分辨技术STED 2000年,德国科学家StefanHell开发了另一种超高分辨率显微技术,其基本原理是通过物理过程来减少激发光的光斑大小,从而直接减少点扩散函数的半高宽来提高分辨率.当特定的荧光分子被比激发波长长的激光照射时,可以被强行猝灭回到基准态.利用这个特性,Hell 等开发出了受激发射损耗显微技术(stimulatedemissiondepletion,STED).其基本的实现过程如图2所示,就是用一束激发光使荧光物质(既可以是化学合成的染料也可以是荧光蛋白)发光的同时,用另外的高能量脉冲激光器发射一束紧挨着的、环型的、波长较长的激光将第一束光斑中大部分的荧光物质通过受激发射损耗过程猝灭,从而减少荧光光点的衍射面积,显著地提高了显微镜的分辨率,原理见下图。 STED成像技术的最大优点是可以快速地观察活细胞内实时变化的过程,因此在生命科学中应用更加广泛.

2、蔡司公司采用的超分辨技术PLAM 2002年,Patterson和Lippincott‐Schwartz首次利用一种绿色荧光蛋白(GFP)的变种(PA‐GFP)来观察特定蛋白质在细胞内的运动轨迹.这种荧光蛋白PA‐GFP在未激活之前不发光,用405nm的激光激活一段时间后才可以观察到488nm激光激发出来的绿色荧光.德国科学家EricBetzig敏锐地认识到,应用单分子荧光成像的定位精度,结合这种荧光蛋白的发光特性,可以来突破光学分辨率的极限.2006年9月,Betzig和Lippincott‐Schwartz等首次在Science上提出了光激活定位显微技术(photoactivatedlocalizationmicroscopy,PALM)的概念.其基本原理是用PA‐GFP来标记蛋白质,通过调节405nm激光器的能量,低能量照射细胞表面,一次仅激活出视野下稀疏分布的几个荧光分子,然后用488nm激光照射,通过高斯拟合来精确定位这些荧光单分子.在确定这些分子的位置后,再长时间使用488nm激光照射来漂

超分辨荧光显微技术原理

超分辨荧光显微技术原 理 Document number:NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT

2014年的诺贝尔理综奖颁发给了“超分辨荧光显微技术”。也许接下来的几天,媒体会关注StefanHell、EricBetzig二人的传奇经历,或者另一名华人女科学家与该奖项失之交臂的遗憾。但是八卦之外,这项成果背后的科学本身也非常有意思。 这里面有三个关键词:“超分辨”、“荧光”和“显微技术”,我希望能够解释清楚以下几个问题,尤其是后两个问题: 1.为什么需要(光学)显微技术? 2.为什么光学显微镜的分辨率存在理论极限? 3.用怎样的方法可以突破这个理论极限以达到“超分辨”为什么这个理论极限可以被突破? 5.为什么非得是荧光显微技术,而非普通的明场(透射光)显微技术? 1.采样定理与显微镜 我们用肉眼观察或者用相机拍摄一个物体时,物体上的每一个细微的点都会在眼睛的视网膜或是相机的感光芯片上成像。那么我们为什么不能看到细菌等微小的东西,为什么不能把照片无限放大以看清远处树木上面的每一片叶子呢? 这个问题的答案比较简单:因为组成视网膜的每一个感光细胞(视杆细胞和视锥细胞)、相机芯片上的每一个感光元件(CCD、CMOS等)都是有大小的。比如视网膜中央凹区域的视锥细胞直径平均约为5微米。而由于奈奎斯特-香农采样定理的限制,视网膜上能分清的两个相邻像点的距离是视锥细胞直径的两倍,即10微米。再结合眼球的构造,大致可以推断出,在距离眼睛25厘米的位置,我们能分辨物体上相距为80微米的两个点,换算成点阵密度就是大约320ppi,这也是苹果所谓“视网膜屏”分辨率的来历。

光学成像技术在医学中的应用

本科毕业论文 题目:光学成像技术在医学中的应用院(部):理学院 专业:应用物理学 班级:光电111 姓名: 学号:22345678 指导教师: 完成日期: 2012年6月2日

*******大学论文 目录 摘要 (Ⅳ) ABSTRACT (Ⅴ) 1 前言 1.1医学成像技术简述 (1) 1.2光学成像对医学发展的意义 (2) 2OCT成像技术在医学中的应用 2.1光学相干层析成像技术(OCT)简介 (4) 2.2 OCT成像技术原理 (4) 2.2.1 OCT成像技术基本原理 (4) 2.2.2后向反射光相干层析成像 (5) 2.2.3透射光相干层析成像 (7) 2.3 OCT成像技术在眼科中的应用 (8) 2.4 OCT成像技术在皮肤病中的应用 (9) 2.5 OCT成像技术在心血管类疾病中的应用 (9) 2.6 OCT成像技术在消化系统疾病中的应用 (10) 2.7 OCT成像技术中医学中的应用 (11) 2.8 OCT成像技术应用前景 (11) 3荧光成像在医学中的应用 3.1荧光成像在生物学领域应用中的独特优势 (13) 3.2荧光成像的原理与方法 (13) 3.3荧光成像技术在药物新剂型的应用 (18) 3.4荧光成像在癌症检测中的应用 (19) 3.4.1膀胱癌 (19) 3.4.2脑部肿瘤 (20) 3.4.3 卵巢癌 (21) 3.4.4 皮肤癌 (21) 3.4.5 口腔癌 (22)

********大学毕业论文 3.5基于在体荧光成像技术的中药抗肿瘤研究 (22) 3.5.1在体荧光成像是肿瘤可视化实验的重要基础 (24) 3.5.2肿瘤在体荧光成像的应用及特点 (24) 3.5.3肿瘤的在体荧光成像在中医药研究中的应用 (24) 3.6 荧光成像技术的发展前景 (26) 4 新显微成像技术 4.1新显微成像技术简介 (27) 4.2新显微技术的优点 (27) 4.3 新兴的显微成像技术 (28) 4.3.1超分辨显微技术 (28) 4.3.2 活体显微术和深层组织成像 (30) 4.3.3 纤维光学成像IVM (31) 4.3.4 高通量显微方法和图像处理 (33) 4.4 新显微成像技术发展前景 (34) 5 结论 谢辞 (37) 参考文献 (38)

超分辨显微镜

光学显微镜有个分辨率的极限问题,大概是半个光学波长,比这个波长更小的物体,就分辨不出来了,比如使用400纳米的光,分辨率就是200纳米左右。这个极 限大概19世纪就知道了,最近二十年才被打破,所以意义重大,所用的手段是纯粹的物理学,所以说今年的化学诺奖是物理学的胜利。 以前有双光子显微镜,可以稍微低于这个分辨率极限,但是实际上就在极限上工作。所谓的超分辨率荧光显微镜,就是打破了这个分辨率的极限,比如还用400纳米的光,可以容易分辨200纳米以下的物体,甚至可以达到20纳米。 以前的显微镜总是用一束光,这束光是一根细丝,聚焦到一个很小的小点上,这个小点就是分辨率极限。由于光的衍射效应,这个小点的大小受到光的波长的限制。这也是自从人类发明光学显微镜以来,困扰了200多年的难题。 阎王爷先生的超 分辨荧光显微镜叫做STED, 基本原理是用两束光,实际上是两束激光,一束是正常的光聚焦到一个小点上,下图左边,这个就是衍射极限的最大分辨率;另一束激光变成中空的筒子一样,下图 中间;两束光聚焦到同一点上,由于第二束光把第一束光给灭了,只有中间那点没有灭掉,所以才能看到,这个更小的小点就是新的分辨率,打破了衍射极限,下图 右边。这就是这个项目的重大意义所在。 这样,使用这样的光学显微镜就可以清楚看到更小的物体,比如纳米材料的形貌,更广泛的应用是在生物学领域,比如下图,等待生物学专业人士来科普。

顺便说一句,中国目前是否有这样的超分辨光学显微镜我还不清楚,北大的席锋那里可能有,质量和运性情况不知道,其他单位没有听说过。 比这个显微镜更低档一点是,双光子显微镜,所用的激光就是飞秒激光,国内估计总共有50台左右,价格每台300万到600万元,全部西方制造,只有五家公司:尼康,奥林巴斯,莱卡和蔡斯等。 更低一点档次的显微镜是激光显微镜,每台大概200万元,国内估计200台到300台之间,只有西方制造。 还有电子显微镜,分辨率可以达到0.1纳米或许更小,远远比这个超分辨的光学显微镜高,但是各有优缺点。以后抽空再来评述。 庄小威的超级显微镜 vs 赵忠贤的高温超导 消息传来,超级显微镜 (这里是俗名,学名是超分辨荧光显微镜)获得2014年诺贝尔化学奖,恭喜! 其实很多人都看准了这个项目,连我在2012年都留下了笔迹: *********************************************************** 2012-10-4, 我看到的一些诺贝尔奖级别的成果和工作

细胞生物学研究方法作业

1.列举三种常见的显微镜技术,说明相关原理、技术特点和其潜在的应用范围。 (1)普通光学显微镜: 原理:经物镜形成倒立实像,经目镜进一步放大成像。 应用范围:以可见光为光源,分辨率不高,只能进行生物组织和细胞一般结构的观察。 (2)荧光显微镜: 原理:激发光激发标本内多种荧光物质生成不同的特定发射光进入目镜。 应用范围:观察能激发出荧光的结构,用于免疫荧光观察、基因定位、疾病诊断等。 (3)相差显微镜: 原理:利用光的衍射和干涉特性,将穿过生物标本的可见光的相位差转变为振幅差,同时吸收部分直射光线以增加反差。 应用范围:可以提高样品中各种结构的明暗对比度,对样品密度的差异可以起到放大反应,主要用于观察活细胞或不染色的组织切片,有时也可用于观察缺少反差的染色样品。 2.简介1-2种最新的显微镜技术进展。 2017 年初,Stefan W. Hell 团队在《科学》上报道了MINFLUX超分辨率荧光显微镜,这个技术结合STED 光照形式和单分子定位荧光特点,实现对生物标本的观察达到三维上小于2 nm 的目前最高空间分辨率,已经将光学显微镜的分辨率水平提升到一般透射电镜的水平,是共聚焦显微镜的100 倍,成为真正名副其实的“显纳镜”。 3.请阐述流式细胞技术的原理并说明其应用特点。 流式细胞术(flow cytometry,FCM)是利用流式细胞仪对于处在快速直线流动状态中的细胞或生物颗粒同时进行多参数、快速定量分析和分选的高新技术。 流式细胞技术基本原理: 流式细胞仪主要由4 部分组成:液流系统、光学系统、电子系统、分析系统。它只能检测悬浮的单细胞或微粒的信号。一般是将待测细胞或微粒进行荧光染色后制成悬液标本,在一定气体压力下将待测样品压入流动室,用不含细胞或微粒的缓冲液(又称鞘液) 在高压下从鞘液管喷出,鞘液管入口方向与待测细胞或微粒流成一定角度,使鞘液包绕着细胞或微粒高速流动,形成一个圆形的流束(即鞘流) ,待测细胞在鞘液的包裹下单行排列,依次通过流式细胞仪的检测区域,经激发光激发后产生荧光信号。流式细胞仪通常以激光作为激发光源,经过聚焦整形后的光束垂直照射在样品流上,被荧光染色的细胞在激光束的照射下产生散射光和激发荧光。这两种信号同时被前向光电二极管和90°方向的光电倍增管( PMT) 接收。光散射信号在前向小角度进行检测,称为前向散射(forward~atter ,FSC) ,这种信号基本上反映细胞体积的大小;90°散射光又称侧向散射(side scatter ,SSC) ,是指与激光束2液流平面垂直的散射光,其信号强度可反映细胞部分结构的信息。荧光信号的接收方向与激光束垂直,经过一系列双色性反射镜和带通滤光片的分离,形成多个不同波长的荧光信号。这些荧光信号的强度代表所测细胞膜表面抗原的强度或其细胞内、核内物质的浓度,经光电倍增管接收后可转换为电信号,再通过模/ 数转换器,将连续的电信号转换为可被计算机识别的数字信号。计算机采集所测量到的各种信号进行计算处理,将分析结果显示在计算机屏幕上,也可以打印出来,还可以数据文件的形式存储在硬盘上,以备日后的查询或进一步分析。

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