定量化超分辨微分干涉相衬显微成像方法研究

Light microscopy is an essential tool for life science research. The imaging resolution of light microscopy is limited by the diffraction barrier. Several superresolution techniques have been proposed trying to break the barrier and improve the imaging resolution. These techniques mainly aim at or require fluorescently labelled sample. Differential interference contrast (DIC) imaging has been known for its capablity of high contrast microscopic imaging of unlabelled samples. In previous research, the applicants managed to combine structured illumination with DIC technique and demonstrate the possibility of superresolution DIC imaging. However the previous work employed a polarization optics based system structure and the imaging result can not quantitatively describe the phase information of the sample. In this project,we plan to realize a quantitative superresolution DIC method by introducting a new system structure based on spatial light modulator. We plan to carry out theoretical analysis of the proposed quantitative superresolution DIC technique to guide the design and implementation of a superresolution DIC imaging system. We will further apply this technique for live cell imaging of fine subcellular structures.The proposed research project will explore the superresolution imaging technique for unlabelled biological samples and provide new technique for live cell imaging research.

显微光学成像已成为生命科学研究领域中必不可少的研究手段，但其成像分辨率受限于光学衍射极限。为了对更精细的亚细胞结构进行成像，需要进一步提高光学成像的分辨率。近年提出的超分辨成像技术，通常针对荧光标记样品。微分干涉相衬(DIC)成像可以实现无标记样品的高对比成像，但分辨率也受光学衍射限制。申请人所在研究团队前期尝试将结构光照明超分辨方法用于DIC成像，演示了超分辨DIC成像的可能性，但还存在光路结构依赖偏振光学元件，测量结果不能定量的问题。本项目拟在前期工作基础上，研究不依赖于偏振光学元件的可提取定量相位信息的超分辨DIC成像技术。通过引入新的系统结构并进行理论建模和分析，设计和实现可定量反映样品相位信息的定量化超分辨DIC成像；并将该技术应用于活细胞成像研究中，实现细胞的精细亚细胞结构的定量化超分辨成像。本项目的研究将为无标记样品的超分辨光学成像和活细胞研究提供新的方法和实验系统。

微分干涉相衬（DIC）显微成像方法是一种经典的无标记显微成像方法，并且在细胞成像方面有较为广泛的应用。但其成像分辨率受限于光学衍射极限，同时传统DIC成像依赖于偏振光学元件。本项目使用空间光调制器代替偏振光学元件，并将该方法与结构光照明方法结合以提高其分辨率。从传统DIC的成像过程出发，分析推导了基于空间光调制器的DIC成像模型和参数计算方法。从空间频域分析的角度，导出了结构光照明提高成像分辨率的原理以及结构光照明提高DIC显微成像分辨率的图像重建方法，建立了结合结构光照明、无偏振光学元件的DIC成像系统。另一方面，这一DIC成像方法的核心是新型的光束调制器件和频域分析和信号提取方法，本项目也研究了能够进行振幅和相位调制的空间光调制器以及数字微镜器件使用宽带光源时的色散问题，以及频移光束干涉的频域复用成像。应用方面，通过DIC成像对不同厚度的神经根切片进行成像，在一定厚度下，可以通过神经纤维图像纹理的定量分析，鉴别神经的运动/感觉类型。项目执行期间发表方法类论文3篇，发表于光学和生物医学光学类一流期刊Optics Letters和Journal of Biophotonics。应用类论文1篇，发表于JIOHS，合作论文1篇，发表于综合类重要期刊PNAS。申请发明专利2项。项目培养研究生4人。项目执行期间，通过国外实验室访问和参加国际会议，交流了显微光学成像的生物应用。相关应用还在进一步开展中。