鬼成像方法加快超分辨率荧光光学显微镜成像速度

　　【仪表网 仪表研发】中国科学院上海高等研究院宏观量子中心研究员王中阳课题组和中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学实验室研究员韩申生课题组合作，提出利用鬼成像方法加快超分辨率荧光光学显微镜的成像速度。
 

 

　　“鬼”成像( ghost imaging)又称双光子成像( two-photon imaging ) 或关联成像( correlated imaging) ，是一种利用双光子复合探测恢复待测物体空间信息的一种新型成像技术传统的光学观察是基于光场的强度的分布测量，关联光学则基于光场的强度的关联测量，并且现有的成像技术主要利用光场的一阶关联信息(强度与位相)，而经典“鬼”成像利用的光场的二阶关联被认为是一种强度波动的统计相关。
 

　　新方法有望捕获细胞内以亚毫秒速度发生的生物过程。相关研究成果以Single-frame wide-field nanoscopy based on ghost imaging via sparsity constraints 为题发表在美国光学学会刊物OPTICA上(DOI: 10.1364/OPTICA.6.001515)，并被美国光学学会(The Optical Society, OSA)作为高影响研究工作在发表的同时同步向媒体进行宣传推广。
 

　　超分辨光学显微技术通过克服光的衍射极限来实现纳米级的分辨率。尽管传统超分辨显微镜可以定位细胞内单个分子，并构建超分辨图像，但在活细胞中却很难使用，因为重建图像需要成百上千帧——这个过程太慢，无法捕捉快速变化的动力学过程。为了解决这个问题，该研究团队将随机相位调制器加入到荧光显微镜中实现荧光信号的编码，并结合鬼成像技术与随机测量压缩感知方法，大幅度提高图像信息获取效率，数量级地减少重构超分辨图像所需的采样帧数。研究结果表明，在高标记密度下只需要通过单帧荧光图像的采样就可实现80nm分辨率的超分辨光学成像。
 

　　光学显微镜凭借其非接触、无损伤等优点，长期以来是生物医学研究的重要工具。但是，自1873年以来，人们一直认为，光学显微镜的分辨率极限约为200 nm，无法用于清晰观察尺寸在200 nm以内的生物结构。超分辨光学成像(Super-resolution Optical Microscopy)是本世纪光学显微成像领域重大的突破，打破了光学显微镜的分辨率极限(换言之，超越了光学显微镜的分辨率极限，故被称为超分辨光学成像)，为生命科学研究提供了工具。
 

　　此外，研究的新方法还与2014年诺贝尔奖三大超分辨率技术之一的随机光学重建显微镜(STORM)相结合，将STORM的采样帧数减少了一个数量级以上。研究结果显示成像一个60nm的环，该方法只用10帧图像就可以重构图像，而传统的STORM方法需要多达4000帧图像才能达到同样的效果。该方法还实现用100帧图像分辨40nm标尺。并且研究的超分辨成像显微镜不需要高的照明强度，这有助于减少光漂白和光毒性，有利于长时间的动态生物过程和活细胞成像研究。因此这项创新技术有望在生物、医学等超分辨显微成像研究领域得到广泛的应用。
 

　　资料来源：上海高等研究院、百科