液态中微粒三维纳米级位置的复合型数字全息显微测量方法

The measuring techniques for three-dimensional position of micro-particles in liquid have been applied in various fields of science and engineering. In the study of single biomolecule dynamics, the three-dimensional position of a micro-particle should be measured with nanometer resolution, and even down to sub-nanometer resolution. Recently, measuring the position of multiple micro-particles in parallel is required for discovering the kinetic differences at the single molecule level. Thus, it is a new challenge for developing the measuring techniques. In this project, a new measurement method is proposed by combining the advantages of in-line digital holographic microscopy and off-axis digital holographic microscopy in transmission mode. The relative positions between multiple micro-particles in the range of several tens micrometers can be measured via analyzing the intensity of the reconstructed image in in-line digital holographic microscopy, and the position variation of each micro-particle in the about 100nm range can be detected at higher resolution via analyzing the phase of the reconstructed image in off-axis digital holographic microscopy. The major research contents are as follows: the precise reconstruction of three-dimensional intensity distribution for improving the resolution, the redundant phase processing of multiple subapertures for ensuring the accuracy, the multiscale fusion of measurement data, and so on. Measuring three-dimensional position and its variation of micro-particles in the size range 1-10 μm with nanometer resolution in liquid will be achieved, and it is very helpful to carry out new research in the field of single-molecule dynamics.

液态环境下微粒三维位置的测量在科学研究和工程领域具有广泛的应用，特别在生物单分子动力学研究领域，不仅要求实现单个微粒三维位置纳米级甚至亚纳米级分辨力的测量，而且近年来也提出了多个微粒位置同时测量的需求，以便能可靠地在单分子层次研究相关特性的差异性，这为相关测试方法带来了新的研究挑战。 本项目提出一种复合型透射式数字全息显微测量方法，充分融合了同轴数字全息显微依据重构强度信息在大范围（纵向为数十微米）微粒空间位置测量和离轴数字全息显微依据相位变化在高分辨力微粒位置变化（相邻采样纵向变化小于100nm）测量的优势，拟在基于三维强度分布精确重构的测量分辨力提升、基于子孔径相位信息冗余处理的测量准确度保证和多尺度测量数据融合等方面开展相应的研究工作，实现液态环境下特征尺寸约为1-10μm微粒三维位置及其变化的精密测量，为开展生物单分子动力学研究领域的应用研究提供一种新的技术手段。

在生物单分子力谱研究领域，微球是一种操纵单个生物分子的重要载体，在液体环境下精密测量其三维位置变化是获得生物单分子动力学特性的基础条件。本项目针对这一前沿研究领域的应用需求，开展了基于数字全息显微技术的液体环境中微球三维纳米级位置及其变化的测试方法研究，以获得高测量分辨力为研究重点，在同轴数字全息显微测量技术和离轴数字全息显微测量技术等方面取得了一系列的突破，构建了相应的实验测试系统，平面和纵向位置变化测量分辨力均达到1nm，并在生物单分子动力学特性测试中进行了探索性研究。主要研究成果包括：1）深入研究了数字全息显微术依据强度和相位信息获得微球纵向位置变化的实现方法，形成了提升测量信噪比的系列化解决方案；2）创新性发展了数字全息光程长差分算法、重构聚焦法、全息二维经验模态分解法、统计路径解包裹法等算法，结合多核心并行运算技术，显著提高了微球定位和跟踪的效率；3）研制了复合型数字全息显微测量系统，实现了高精度测量，为高端科研仪器的自主研制进行了关键技术积累；4）将微球三维位置测量方法应用于双链DNA分子的拉伸特性测量，验证了该方法在生物单分子动力学特性中应用的可行性。本项目发表论文12篇，其中SCI 检索5篇，EI检索10篇（另有两篇待检索），授权发明专利3项，已毕业研究生4名，其中博士研究生2名。