超分辨成像
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
超分辨成像的實例教程
【背景介紹】
熒光顯微成像技術因其高分辨力和低侵入性，已成為生物醫學研究和診療中重要的觀測手段。但是，由于光學衍射極限的存在，傳統的光學顯微術的分辨能力在200 nm左右，無法滿足亞細胞尺度的觀測需求，而超分辨顯微技術則打破了技術瓶頸，實現了超越光學衍射極限的分辨能力。STED超分辨顯微術的發明者Stefan Hell因這項技術與PALM超分辨顯微術的發明者共同獲得了2014年諾貝爾化學獎，STED顯微術也因其極高的分辨能力而受到廣泛關注。
STED超分辨技術的基本原理如下：一束符合光學衍射極限的激光作為激發光，把熒光探針的電子激發到激發態；另一束激光作為擦除光，其光斑經過調制，中心能量很低，形成類似“甜甜圈”的光斑，被激發光激發后的熒光探針在被擦除光照射后，將發生與擦除光波長相同的受激輻射，只有處于擦除光中心沒有能量的部分會發射熒光。如此一來，發射熒光的半徑是由“甜甜圈”的中心半徑決定的，而不是激發光的半徑決定的，即小于衍射極限半徑。
但是，STED顯微成像對熒光探針的要求極為苛刻，首先，熒光材料需要具備很高的受激輻射效率，這樣一來才能獲得較好的“擦除”效果；其次，熒光材料需要極高的光穩定性，因為一般來說擦除光都是功率很高的激光，如果熒光探針容易被光漂白就無法實現STED成像；除此之外，熒光材料還需要具備較大的斯托克斯頻移，否則如果擦除光能被熒光材料吸收并發射熒光，會極大地影響成像效果。目前上轉換材料、量子點和一些有機染料都被用于STED，但是上轉換材料的熒光壽命太長，使得成像速度很慢，難以實現對生命過程的實時觀察；量子點普遍斯托克斯頻移很小，使得成像效果不盡如人意；傳統的有機染料雖然生物兼容性最好，且靶向性強，但是普遍斯托克斯頻移不大，并且光穩定性不好，難以實現長時間的觀測。
展開 近日，南方科技大學生物醫學工程系吳長鋒教授課題組成功開發了一系列高亮度聚合物點熒光探針，通過熒光探針功能化和擴展成像技術，在普通熒光顯微鏡上可以觀察到精細的亞細胞結構，分辨率高達30 nm。相關成果發表在材料領域知名期刊Advanced Materials。
超分辨光學成像因其能夠提供低于衍射極限的分辨率而獲得了2014年諾貝爾化學獎，當前超分辨技術主要分為兩類：基于激發光調制的超分辨成像和基于單分子定位的超分辨成像。擴展顯微成像采用了截然不同的思路：通過將樣本膨脹擴大，使得原本在衍射極限范圍內的相鄰分子由于距離變大而變得清晰可辨。該方法不依賴于復雜的成像系統，用普通共聚焦顯微鏡可以獲得納米級分辨率，但樣本擴展過程中由化學猝滅及密度稀釋導致的熒光亮度衰減是該方法進一步發展的難題。
針對這一問題，研究團隊開發了適用多色擴展顯微成像的聚合物點熒光探針。相比于商用的熒光染料，聚合物點的熒光標記亮度可以提高6倍。由于聚合物點的高亮度標記，細胞骨架微管蛋白的三維空間構象、網格蛋白有被小泡以及神經元突觸結構等，都能夠在普通熒光顯微鏡上解析出來（圖1a-c）。課題組進一步將聚合物點探針、擴展成像技術、和光學漲落超分辨技術結合起來，在普通寬場顯微鏡上實現了約30 nm的超高分辨率成像，更加真實地還原出微管蛋白尺寸以及線粒體中空膜結構等細節信息（圖1d-j）。這些發現展示了高亮度聚合物點在生物光學成像的應用潛力。
圖1 三維超分辨擴展-光學漲落聯合成像解析亞細胞精細結構
擴展顯微成像的樣本標記過程步驟繁瑣、重復耗時。
展開 看見一個新世界探尋生命的原理
課題組提出了一種基于非共軸干涉系統的新型光學成像技術（系統圖如圖1所示）。該方法結合了結構光照明顯微技術和多角度全內反射照明顯微技術，適用于任何熒光染料標記下的超分辨成像。
圖1 MAIM系統示意圖，該系統主要由兩套掃描振鏡構成，用于控制照明光束的入射角和方位角，實現變角度倏失場照明下的結構光成像。
常規光學顯微鏡的分辨率具有極限，在可見光照明區域，橫向極限分辨率是成像光波長的一半(250-300納米) , 軸向上500-600納米。而結構光照明顯微技術只將橫向和軸向分辨率上提升了一倍。課題組巧妙地把多角度全內反射照明引入到結構光照明顯微技術中，實現了橫向分辨率~100納米，軸向分辨率~40納米的三維超分辨成像。
在成像速度提升方面，課題組通過利用變角度倏失場照明下的結構光成像，并結合計算成像模型，使得三維成像速度大大提升。同時由于所需光劑量低，成像速度快，減少了熒光漂白，有利于長時程觀測。對活細胞內線粒體和微管的成像結果如圖2所示，揭示了它們的三維動態變化。
圖2 活細胞內線粒體（a，b）和微管（c，d）實驗結果。（a，c）橫向超分辨和衍射受限的低分辨成像結果；（b，d）三維超分辨動態成像結果（顏色代表軸向信息）。
負責人劉旭教授介紹，對細胞膜附近的細胞器進行三維快速超分辨成像，可以為亞細胞研究提供可能，揭示生命內在規律。
展開 據新華社報道，由中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所承擔的國家重大科研裝備研制項目“超分辨顯微光學核心部件及系統研制”26日在蘇州高新區通過驗收，標志著我國已經成功研制出高端超分辨光學顯微鏡。
驗收專家組組長、中科院高能物理所柴之芳院士認為，該項目的成功實施，改善了我國高端光學顯微鏡基本依賴進口的狀況，對滿足我國前沿基礎研究的定制化需求、提升創新能力，以及推動我國光學顯微鏡行業轉型升級具有重要意義。
在科學研究中,高/超分辨光學顯微鏡發揮著至關重要的作用,10納米至100納米尺度的超分辨顯微光學成像更是取得原創性研究成果的重要手段。超分辨光學成像(Super-resolution Optical Microscopy)是本世紀光學顯微成像領域最重大的突破，打破了光學顯微鏡的分辨率極限（換言之，超越了光學顯微鏡的分辨率極限，故被稱為超分辨光學成像）
歷時5年攻關,中科院蘇州醫工所科研人員突破大數值孔徑物鏡、特種光源、新型納米熒光增強試劑、系統集成與檢測等關鍵技術；研制出激光掃描共聚焦顯微鏡、雙光子顯微鏡、受激發射損耗(STED)超分辨顯微鏡、雙光子-STED顯微鏡等高端光學顯微鏡整機；建成了高端顯微光學加工、裝調、檢測以及顯微鏡整機技術集成工程化平臺。
據了解，項目組發表相關論文61篇，授權發明專利35項，已授權實用新型專利56項，培養了一支集光學、機械、電子、計算機、軟件、材料等領域的超分辨顯微光學技術研發與工程化開發團隊，為我國高端光學顯微鏡的發展提供了系統解決方案。中科院蘇州醫工所所長唐玉國介紹,該所研制的超分辨顯微鏡或核心部件已在美國、德國、以色列及國內多家研究機構投入使用并取得部分成果。
展開 【科研摘要】
高分辨率光學成像
方面的創新使納米級生物結構和連接的可視化成為可能。然而，超分辨率熒光技術，包括面向光學和基于樣品擴展的技術，在定量和通量方面受到限制，尤其是在組織中熒光團的光漂白或淬滅，以及低效率或不均勻的探針傳遞。
最近，
加州理工學院
魏璐助理教授
團隊
報告了一種通用的樣本擴展振動成像策略，稱為
VISTA，用于對富含蛋白質的生物結構進行可擴展的無標記高分辨率詢問，分辨率低至 78 nm。VISTA 通過最佳保留內源性蛋白質、各向同性樣品膨脹和去除散射脂質來獲得不錯的 3D 圖像質量。沒有探針標記相關的問題，VISTA 提供無偏見
和高通量的組織研究。
通過相關的
VISTA 和免疫熒光，
團隊
進一步驗證了 VISTA 的成像特異性，并訓練了一個圖像分割模型，用于對復雜小鼠腦組織中的細胞核、血管、神經元細胞和樹突進行無標記的多分量和體積預測。
因此，VISTA 可以為多功能生物醫學研究開辟新的途徑。
相關論文以題為
Super-resolution label-free volumetric vibrational imaging
發表在《
N
ature Communciations
》上。
【主圖導讀】
圖
1：擴展和蛋白質保留樣品的高分辨率無標記振動成像。
圖
2：細胞和組織的超分辨率三維 VISTA 成像。
圖
3：在小鼠腦組織上使用熒光標記驗證 VISTA 成像特征。
展開 
超分辨成像的最新內容
輕量化浪潮下的技術風口
在 AR/VR、車載成像、消費電子等領域對 “輕、薄、高清” 的極致需求驅動下，超表面成像技術正從實驗室走向產業化，成為顛覆傳統光學的核心路徑。但超表面設計 “跨尺度難、算力成本高、設計閉環斷裂” 等痛點，嚴重制約技術落地。
超表面是由亞波長（小于工作波長）微納結構單元周期性 / 非周期性排布的二維人工光學器件，厚度僅為傳統透鏡的
清華大學戴瓊海院士團隊在壓縮感知超分辨成像方向擁有核心專利群，中國科學院西安光機所在壓縮感知光譜成像方向有多項基礎專利。該路線通過編碼孔徑對光譜信息進行隨機投影，可大幅減少數據采集量，適合快照式光譜成像。
3.4 時間傳感：從高速成像到光子計時
時間維度感知涵蓋從毫秒級運動捕捉到皮秒級光子計時的廣闊技術譜系。根據時間分辨率的量級差異，時間傳感可分為三個技術層級。
背景介紹
在現代光學與光子學領域，渦旋光束因其獨特的螺旋相位波前和軌道角動量（OAM）特性，成為精密操控、量子通信、超分辨成像等前沿方向的核心工具。這類光束的相位分布呈螺旋狀，光強表現為中心暗斑，其攜帶的 OAM 理論上可無限取值，為信息編碼與傳輸提供了全新維度。
然而，傳統的渦旋光束生成方法往往存在結構復雜、成本高昂或難以集成的局限。
超表面高階微分器助力光學計算突破4個月前
本期文章將介紹一項發表于《Nature》的研究，利用超表面（Metasurface）這一革命性材料，不僅實現了五階光學微分，更將分辨率推至0.015倍瑞利極限，為納米級光學對準和超分辨成像提供了全新工具。
引言
在人工智能、自動駕駛、機器視覺等信息技術飛速發展的今天，圖像處理技術已成為核心驅動力。
引言
成像光譜儀作為集“光譜分析”與“空間成像”于一體的先進光學設備，在環境監測、生物醫學、材料科學、空間遙感等領域具有重要應用。其通過對目標物質光譜與空間信息的聯合分析，能夠實現物質的“定性”“定量”和“定位”探測，為科學研究和實際應用提供高效、精確的信息。
傳統Czerny-Turner（C-T）型光譜儀因色散均勻、工藝成熟，長期占據主流市場，但球面反射鏡的固有缺陷使其難以校正全波段像差
本研究通過聯合數值仿真與理論分析，為高容量光通信、量子信息處理及超分辨成像中的軌道角動量（OAM）器件微型化提供了可行方案，未來可通過異構集成與多物理場優化進一步拓展其應用場景。
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概要
成像系統（例如顯微鏡）的衍射極限分辨率可以通過不同方式表征。在本文中，我建議使用在 OpticStudio 中計算的點擴散函數 (PSF) 來客觀衡量這些成像系統的分辨率。文中介紹了重疊圖像（探測器）平面上兩個點的 PSF 的兩種方法。第一種方法使用多重結構編輯器，第二種方法使用圖像模擬工具。文中比較了這兩種方法，并討論了它們的優缺點。
在材料科學和精密工程領域，對微觀結構的精確測量和分析至關重要。共聚焦顯微鏡作為一種高精度的成像技術，為這些領域提供了強大的工具。
共聚焦顯微鏡成像原理
共聚焦顯微鏡的成像原理基于激光掃描和光學切片技術。通過使用光源，顯微鏡能夠對樣品進行逐點掃描，并通過共軛孔徑系統排除非焦平面的光，從而實現高分辨率的二維圖像。此外，通過逐層掃描，共聚焦顯微鏡還能夠構建樣品的三維形貌
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成像系統（例如顯微鏡）的衍射極限分辨率可以通過不同方式表征。在本文中，我建議使用在 OpticStudio 中計算的點擴散函數 (PSF) 來客觀衡量這些成像系統的分辨率。文中介紹了重疊圖像（探測器）平面上兩個點的 PSF 的兩種方法。第一種方法使用多重結構編輯器，第二種方法使用圖像模擬工具。文中比較了這兩種方法，并討論了它們的優缺點。
簡介
成像系統的性能與其分辨率有關
用于材料科學領域的共聚焦顯微鏡，基于光學共軛共焦原理，其超高的空間分辨率和三維成像能力，提供了全新的視角和解決方案。
工作原理
共聚焦顯微鏡通過在樣品的焦點處聚焦激光束，在樣品表面進行快速點掃描并逐層獲取不同高度處清晰焦點并重建出3D真彩圖像，從而進行分析。
儀器結構
共聚焦顯微鏡主要有四部分組成：1、顯微鏡光學系統。2、掃描裝置
