基于焦点调制的共聚焦显微成像技术研究

Confocal laser scanning microscopy (CLSM) is an important imaging technique in biological study, with which 3D image is obtained by scanning a sample with a focused light. In order to further improve the spatial resolution, signal-to-noise ratio (SNR) and imaging depth of CLSM, this project will investigate Focus-modulation CLSM (short for, FM-CLSM). Sinusoidal structured illumination will be generated by spatial light modulator (SLM) and used to scan a sample point by point. The images obtained by the structured illuminations with different directions and phase shifts are synthesized to form an image with two-fold resolution improvement. Furthermore, focus modulation is applied to measure the aberrations from both the CLSM system and heterogeneous biological samples. The measured aberration is then compensated adaptively by using SLM. Consequently, the spatial resolution and signal-to-noise ratio (SNR) of CLSM imaging is improved. Moreover, CLSM based on Bessel beam will also be investigated to improve imaging speed and depth of CLSM. Above all, this project, if approved, will contribute substantially to developing high-performance CLSM technique and open up wide applications of this technique in many different fields.

共聚焦激光扫描显微镜（Confocal Laser Scanning Microscopy, 简称CLSM）采用聚焦的光斑照明样品，通过三维扫描光束或三维移动样品实现三维成像，在生物医学研究中发挥着不可替代的作用。为了提高CLSM的空间分辨率、成像信噪比和成像深度，本项目将研究基于焦点调制的CLSM。首先，拟采用空间光调制器对CLSM的焦点进行调制产生条纹结构照明光。通过将不同条纹照明下的图像进行合成，将CLSM的空间分辨率提高两倍。其次，通过焦点调制测量CLSM系统畸变和被成像样品本身的畸变相位，并采用空间光调制器对该畸变相位进行补偿，来提高CLSM成像分辨率和信噪比。此外，本项目还将通过焦点调制产生具有“长焦深”和“自愈合”特点的贝塞尔（Bessel）光束作为CLSM的照明光，来提高CLSM的成像深度。本项目将为高性能实用化超分辨CLSM显微镜的开发和应用打下良好的理论和技术基础。

共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)在生物医学研究中发挥着不可替代的作用。为了提高CLSM的空间分辨率、成像信噪比和成像深度，本项目系统研究了基于焦点调制的CLSM，并将其应用于生物细胞的折射率测量、共聚焦显微镜的畸变测量与补偿、CARS显微的背景噪声抑制，以及共聚焦显微镜的荧光/相位的双模式成像。.1.提出了基于焦点调制的超分辨共焦显微技术，将横向分辨率和纵向分辨率分辨提高了1.8和1.7倍。.2.提出了基于孔径分割的共聚焦显微镜畸变测量/补偿方法。.3.提出了基于4照明的数字全息显微技术(OV-DHM), 实现了生物细胞的相位成像。该方法可以扩大成像视场，并提高了轴向分辨能力。同时将OV-DHM和共聚焦荧光显微技术相结合，实现了对活体细胞折射率进行测量。.4.研究了基于TIE的单光束相位成像，并将其应用于相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）显微成像，抑制了CARS成像中的背景噪声。 .5.提出了共聚焦显微镜中的相位成像方法，实现了共聚焦显微镜的荧光/相位的 双模式显微成像，完成了对细胞折射率的定量测量。研究了基于共聚焦的轴向扫描荧光相关光谱技术。 .在本项目执行期间，相关成果共发表论文8篇，申请专利1项。其中以第一作者发表SCI文章6篇，包括与西班牙瓦伦西亚大学Mico教授合作发表中科院JCR分区一区文章1篇（Advances in Optics and Photonics，3年平均IF=17.694），二区文章1篇，三区文章3篇。与德国KIT开展合作研究，共同署名文章5篇。文章发表后1篇被OSA选为“Spotlight on optics”,1篇入选为Optics Letters“Top-10 download”。同时，与德国KIT以及南京理工大学开展合作研究，研究成果报道在“第二届全国现代生物物理技术与方法”会议和“第三届光子学与光学工程国际会议”上。申请人本人获得中国科学院优秀博士学位论文奖和第二届全国光学工程学科优秀博士学位论文奖。