多维度光场调制在STED-荧光相关光谱技术中的应用

The combination of stimulated emission depletion microscopy (STED) and fluorescence correlation spectroscopy (FCS) provides extremely high spatio-temporal resolution simultaneously. The STED-FCS super-resolution technique has been widely applied in the field of cell biology, especially for the detection of fine structures and molecular motion at the cellular plasma membranes. In view of the influence of fluorescence noise that is not completely suppressed on the analysis of FCS information, the project proposes the idea of “integrating the STED-FCS effective detection volume” and explores the spatial distribution of the point spread function of the STED system through mathematical and physical analysis, and thus the effects of non-Gaussian distribution on the autocorrelation function of FCS signals. Based on this study, the project further proposes the application of multi-dimensional modulation of point spread function in STED-FCS technique, including spatial three-dimensional scale and time domain modulation. This study will help to improve the detection range and achieve high spatio-temporal resolution of STED-FCS.

受激发射损耗显微技术（STED）与荧光相关光谱技术（FCS）的结合能够同时提供极高的时间空间分辨能力，该STED-FCS超分辨显微技术在细胞生物学领域，尤其是针对细胞膜的细微结构、分子运动探测方面应用广泛。项目针对该技术中不完全抑制的荧光噪声对FCS信息解析的影响，提出“将STED-FCS有效探测区域一体化考虑”的分析思路，通过数学物理方法探究STED系统点扩散函数的空间分布，以及非高斯分布对FCS信号自相关函数的影响。基于此，项目提出多维度调制点扩散函数在STED-FCS中的应用，包括在空间三维尺度和时间域的调制，该研究将有利于提升STED-FCS的探测范围和时间空间分辨能力。

受激发射损耗显微镜（STED）和荧光相关光谱技术（FCS）在高空间分辨率和高时间分辨率上相互补充，二者的结合，即STED-FCS技术，可以同时提供高空间和高时间分辨能力。项目以STED-FCS技术中噪声荧光对FCS自相关函数的影响着手，对受激发射损耗显微-荧光相关光谱技术中激光与物质相互作用、电磁场三维空间分布和荧光相关光谱探测所得的自相关函数等内容进行了详细分析，研究了STED系统实际点扩散函数三维空间分布，并建立了具有普适性的仿真计算与分析模型，研究了非传统高斯型点扩散函数的受激发射损耗显微成像技术和STED-FCS技术。.课题组研究了高效的横向、角向、纵向等多维度信息获取和解析方法，包括提出横向不同角向一维点扩散函数调制、特种空间分布点扩散函数调制等STED-FCS技术方法，并首次提出新的相位设计方法，可以同时在横向和纵向维度调控系统的点扩散函数。同时，由于FCS技术本身包含时间维度的信息，课题组增加了对STED损耗光时间维度的调控研究，相关方法可以增加数据分析的准确性。同时，为拓宽STED技术在频谱域维度的应用，课题组设计并分析了中远红外等长波段的超分辨显微成像技术方法，以及在实验上搭建了中远红外共聚焦显微成像系统。