超分辨大视场成像技术的研究

  • 本科生组 票数:900
  • 姓       名:黄玉佳
  • 导       师:匡翠方
  • 成果类别:论文著作类
  • 院系(学园):光电科学与工程学院
团队介绍

        团队成员均来自浙江大学光电科学与工程学院超分辨光学显微实验室,指导老师为匡翠方教授。研究组长期专注于荧光超分辨显微、高数值孔径下矢量光场调控、三维超分辨相位显微等技术的研究,发表多篇SCI论文并在国际会议上进行口头报告。诺贝尔奖得主Moerner教授曾来实验室参观并对研究组成果给予肯定。

团队照片

科研心得

        我大三的时候加入了匡翠方教授指导的超分辨显微实验室,开始了科研旅途,现在我非常庆幸当时的这一决定,在老师的悉心指导和师兄师姐的帮助下,我对这一领域有了自己的理解,并且做出了一定的成果,也申请到了加州理工学院继续我的博士科研旅程。

进入实验室后,我了解到为了保证STED显微镜的分辨率,需要对激发光束和STED光束进行严格的准直,于是想要搭建一个实时多光束稳定系统。经过系统设计、仿真、实际搭建、调试、测量、结果分析讨论这些过程,我第一次完整地完成一个科研项目,并以第一作者撰写了SCI论文。搭建光路过程中,我逐渐总结光路调整的规律,即要在大脑中要有光线的传播轨迹,这样就避免了盲目调整,加快了效率。实际测试过程中,为了验证系统鲁棒性我测量了不同扰动情况、不同光束半径下的光束稳定情况,通常每次测量要持续30分钟,为了完成这一系列实验,必须要耐心细心,注意保持实验条件的单变量改变并做好数据的记录,这些看似微小的细节正是一个优秀科研工作者的基本素养。文章投稿后,审稿人对文章的每个部分都给了专业详尽的意见,比如如何确定自学习矩阵的初始值,almost real time的almost到底是什么程度等,在回答审稿人问题的过程中,我深切意识到了科研的严谨。

        第一个项目完成后,我开始进行Airyscan的仿真和实验数据处理工作,参与了基于阵列探测器FED(荧光差分)、MLE(极大似然估计)图像重构等项目。项目结果好,有文章发表固然令人欣喜,但我认为科研过程中一些暂时没有结果的尝试同样妙趣横生,对培养创新的想法甚至更加重要。比如基于荧光分子闪烁效应的SOFI显微术需要拍摄大量的图片来形成足够长的时间序列用于统计分析,于是我开始思考能否只拍少量的图片,使用预测的方法来延长时间序列。我学习并尝试了很多种预测模型,从最基本的回归预测模型到基于神经网络的预测模型,但很遗憾,没有一种我所尝试的方法能够有效预测出荧光分子的闪烁信息。虽然这次的创新尝试没有给出令人满意的结果,但是我还是去总结了原因:荧光分子闪烁随时间变化的数据不符合大多数模型所要求的时间平稳特性,而如果通过学习等方法来学习闪烁特性则需要大量样本,违背了减少图片拍摄张数的初衷。虽然这种方法行不通,但我的脑子里仍然在思考着SOFI这种方法可以提升的地方,直到有一天我看到师兄搭建的Ring-TIRF系统,想到如果使用360°不同方向的偏振光去激发荧光分子,由于样品中的荧光分子的极性不同,及时使用普通荧光染料就可以得到随时间变化信号,那么与SOFI使用特殊荧光分子得到的信号有异曲同工之妙,也可以达到超分辨的效果。后来我发现了一篇nature method的方法,对于空心颗粒进行了类似研究,但是采用了不同于SOFI的复原算法,取得了较好的效果。这一想法后来跟我的毕业设计相结合,我们还在进行着相关的实验。

        除了在实验室,我在光电综合实验课程上为了解决重聚焦成像项目,进行了结构光照明方面的相关探索。这使我对三大显微方法都有了一定了解,也因此得以作为本科生参与撰写了Elsevier约稿书籍中的超分辨显微章节。写书与写论文不同,需要更加广泛的对这一领域的了解,和更加深刻的对未来发展方向的理解。

        浙大的研究经历使我对生物医学成像方面产生了兴趣,大三暑假我赴UCLA继续进行相关方向的研究。回国后我的独立发现问题解决问题的能力有了进一步提升,使我得以顺利完成基于相位调制的饱和结构光照明显微项目和我的毕业设计。我要感谢在浙大的这段经历, 让我有机会提出自己的想法并付诸实践,让我体会成功的欣喜,在失败中思考,不断进步。未来我也会继续保持着求是创新的精神,继续挑战生物医学成像领域的难题。

成果简介

        真能够在不伤害细胞的同时,看清它么?


        传统共聚焦显微镜的分辨率和信噪比是一对矛盾,采用阵列探测器可以解决这一矛盾,既获得高分辨率,也获得高信噪比。我们采用极大似然估计的方法来重构阵列探测器的图像,考虑了CCD收集荧光分子时的泊松分布特性,得到了信噪比和分辨率都获得提升的图像。文章发表在美国光学学会旗下光学权威期刊Applied Optics上,并成为当月的最高下载量文章。

        光束稳定在保证多光束显微镜的分辨率中有重要作用,很多方法已经被应用于不同系统中的光束稳定。单模光纤就可以有效减少平动和转动的光束漂移,这种方法把两束光耦合到同一根光纤内实现或者对不同光束采用共同的光源。但是这种方法对于采用非线性的多光束显微镜并不适用,因为非线性效应会使在光纤中传播的飞秒脉冲产生展宽。在STED和RESOLFT显微术中,通过基于空间光调制器的光斑整形技术实现了4.3 nm ± 2.3 nm的精度,但是这种稳定方法的响应速度比较慢,无法实现对于光束的实时稳定。因此我们想要提出一种在多光束显微镜中进行实时稳定的反馈系统,并且使其可以适用于非线性显微镜。采用4D前向反馈方法,通过位置灵敏探测器获取光束的二维位置和角度坐标,然后通过压电陶瓷控制振镜角度,实现光束偏离的补偿。采用自学习的方法,通过测量光学系统响应矩阵,得到补偿矩阵,从而大大加快了补偿速度。经过实验,在180cm的光路长度,100x物镜,2mm焦距的情况下,在样品面上光束位置的标准均方根在3nm以内,稳定性提高了一个数量级以上。相关成果发表在SCI期刊Measurement science and technology上。

学术成果图