单细胞纳米分辨光学成像方法研究

Cell is a fundamental active unit of living beings and life activities. Keeping studying of cell is critical for disclosing life mystery, transreforming living beings and conquering illness. Viewing subcell ultra-structures and their molecular atlas in nanometer spatial resolution, or even detecting their dynamic process when the cell is still kept as a whole, are always important directions in cell studying. In this project , we will focus on developing methods of acquiring molecule atlas at nanometer spatial resolution and of realization of dynamic functional nano-imaging for multiple moving molecules in living cells. We propose a method named as additional probe-beam induced phonon depletion to break the diffraction limit of coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy to obtain molecule atlas of the cell at nanometer spatial resolution. We also suggest a method which combined advantages of fast focus-tunable lens and the double helix point spread function methods, to observe the changes of subcell ultra-structures and trace the moving molecules anywhere inside the cell with nanometer precision. Our original achievements in this project are critical in mapping all molecules in cells and studying those cross-linked and complex biological events in live cells, with nano-resolution, and obviously, this will greatly promote the developments of life science and medical science in the future.

细胞是生物体及生命活动的基本单元，对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、改造生命和征服疾病的关键。在完整细胞下进行分子成像,进而获取亚细胞精细结构甚至分子图谱，并能在活体细胞下获取这些结构变化及分子动态过程的信息一直是细胞学研究的重要方向。为此，本申请将重点研究以纳米分辨获取完整细胞分子图谱以及实现活细胞多分子动态功能成像的细胞分子成像方法:提出附加探测光声子耗尽方法，用于实现对完整细胞的超衍射极限分辨相干反斯托克斯拉曼散射成像，以获得完整细胞纳米分辨分子图谱；提出快速变焦思想与双螺旋点扩展函数三维纳米定位方法相结合,用于获取细胞内精细结构变化及多运动分子三维动态运动过程的信息。借助这些首创性分子成像方法，将有望实现细胞分子图谱的绘制，并有望以纳米的分辨研究活细胞内发生的各种动态过程，而这无疑将是继基因组学、蛋白质组学之后研究细胞组学所需手段的一个重大突破，将对生命科学和医学的发展产生深远影响。

细胞是生物体及生命活动的基本单元，对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、改造生命和征服疾病的关键。在完整细胞下进行分子成像,进而获取亚细胞精细结构，并能在活体细胞下获取这些结构变化及分子动态过程的信息一直是细胞学研究的重要方向。为此，本项目重点研究以纳米分辨获取完整细胞图像的细胞分子成像方法。本课题完成了研究计划，实现了预期目标。在荧光纳米成像方面，搭建了两台纳米分辨荧光动态成像系统，其中一台,用于获得完整细胞纳米分辨结构图像，采用基于四象限探测器的高精度实时反馈防漂移装置，结合软件校正使系统整体防漂移特性获得大幅改善，可长时稳定地工作，基于此，实现了细胞核内非重复序列DNA三维纳米成像；另一台，用于获得完整细胞内纳米分辨动态功能成像，设计并研制了具有双螺旋点扩展函数和变形光栅功能的复合相位片这一核心器件，成像景深更大，可以实现完整细胞内多分子的同时追踪。在该平台上，成功细胞内z向12μm内的三维运动目标的同时追踪。在CARS纳米成像方面，提出附加探测光声子耗尽与特殊超连续谱（SC）光源相结合，实现一次获得细胞分子完整CARS谱的纳米成像方法。设计并搭建了基于正色散PCF的SC光源，脉宽达150fs，光谱展宽大于400nm，极大改善了SC的时谱结构，提高了泵浦光的利用率。在此SC光源上，实现了分子完整振动谱的探测，同时，实现了同时振动退相时间的测量。除此之外，在本项目的研究过程中，我们针对纳米分辨非标记显微成像，我们不仅尝试使用CARS这种成像手段，同时也积极开展了其它纳米分辨非标记显微成像的研究。在本项目中，我们提出两种具有超衍射分辨率的基于分子振动谱的成像新方法并通过数值模拟验证了其可行性：宽场振动和频产生显微方法、基于环形抽运光的红外超分辨显微成像方法。借助这些首创性分子成像方法，以纳米的分辨研究活细胞内发生的各种过程，而这无疑将对生命科学和医学的发展产生深远影响。