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哈工大在新型生物光学显微成像技术方向取得重要进展

日前,哈尔滨工业大学物理学院王健副教授在最新一期国际光学权威期刊《光学》(Optica)上以“艾里光束层析成像显微镜”(Airy-beam Tomographic Microscopy)为题发表最新研究成果,提出一种基于艾里光场的新型无扫描、高分辨、三维显微成像技术ATM,并成功应用于生物细胞成像。

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《光学》(Optica)是美国光学学(OSA)的旗舰期刊,王健副教授是论文第一作者和共同通讯作者。

高斯分布光场经过频域调制后可以产生具有无衍射、自修复、自加速特性的艾里光束。光束的无衍射特性有助于提升光学成像的分辨率;自修复特性可降低光束透过介质的散射影响,提高成像信噪比;自加速特性可实现光束在自由空间的横向自弯曲传播。将上述特性综合应用,该团队提出一种独特的基于二维投影图像重建的三维显微成像方法ATM(见图1),仅通过改变调制器上的图案,即可以重建高分辨三维目标图像,无需机械扫描。

图1 ATM成像原理

ATM成像过程包括艾里光束的传播调控、PSF调控以及投影重建算法等多项创新技术,通过频域的Chirp处理增大焦面单侧方向的传播距离,抑制光束旁瓣对成像分辨率的影响。粒子成像实验表明,在40倍物镜下该技术的横向分辨率为400-700nm,深度分辨率1-2微米。文章中利用该技术对小鼠肾细胞中的肾管和肾小球进行了观测(见图2),相比于传统z扫描成像技术,ATM技术具有信噪比高、无需机械扫描即可实现深视场(10微米以上)成像等优势。结合艾里光束三维重建成像算法,ATM横向分辨率接近光学衍射极限,深度方向实现超分辨。该技术有望在其它三维成像技术中获得应用。

图2 (a)肾管的传统z扫描成像;(b)肾管的ATM成像;(c)、(d)肾管ATM成像三维结构图和切面图;(e)肾小球的双色z扫描成像(上568nm;下488nm);(f)肾小球的双色ATM成像(上568nm;下488nm);(g)双色合成图像;(h)图(g)中管状结构放大图;(i)、(j)、(k)管状结构三个维度的半高宽图。

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