Artificial confocal microscopy for deep label-free imaging
本文提出人工共聚焦显微术（ACM），通过定量相位成像与卷积神经网络将无标记相位图像转换为荧光图像，实现未标记样本的共聚焦级深度层切，并用于神经元、肝癌球体成像及细胞核分割与干质量测量。
2021-10-28 physics.bio-ph physics.optics
Measurement of surface concentration of fluorophores using fluorescence fluctuation spectroscopy
荧光涨落光谱学应用于研究分子，通过一个小的观察体积，通常受到扩散或对流运动在液相中。我们建议，这样的技术可以用来测量沉积在基板上或嵌入在薄膜中的荧光团的面积绝对浓度，具有几微米的分辨率。其原理是在共聚焦荧光显微镜物镜前平移固体基质，并记录随后的荧光强度波动。模型基板（荧光微球）和DNA生物芯片上的这一概念的有效性进行了研究。
2007-12-12 physics.optics
Confocal structured illumination microscopy for super-resolution imaging: theory and numerical simulations
针对超分辨结构照明显微镜参数估计易出错的问题，提出基于共聚焦原理的SR-CSIM，无需参数估计，数值模拟表明其分辨率与SR-SIM相当且伪影更少。
2025-02-26 physics.optics
Digitally synthesized beat frequency multiplexing for sub-millisecond fluorescence microscopy
荧光成像是揭示生物样品分子组成的最广泛使用的方法。然而，荧光探针的弱光发射以及成像速度和灵敏度之间的权衡对于获取快速现象的无模糊图像是有问题的，例如活细胞和组织中的亚毫秒生化动力学以及高速流动的细胞。我们报告了一种解决方案，实现实时像素读出速率比现代电子倍增器电荷耦合器件（EMCCD）-高速荧光成像技术的黄金标准快一个数量级。被认为是使用射频多路复用激发（FIRE）的荧光成像，这种方法使用数字合成光场的拍频将图像映射到射频光谱中。我们展示了在4.4 kHz的帧速率下静止细胞的衍射限制共聚焦荧光成像，以及在大约每秒50，000个细胞的吞吐量下流动的荧光显微镜。
2013-03-05 physics.optics
Modeling Fluorescence Correlation Spectroscopy through an aberrating sphere
荧光相关光谱（FCS）是一种功能强大的单分子技术，可以测量从皮摩尔到微摩尔浓度的荧光分子的运动（扩散、流动）、浓度和分子相互作用动力学。它在物理和生命科学中有着广泛的应用。许多生物/生物物理应用使用FCS来测量活细胞和组织中荧光标记的生物分子的运动和浓度。然而，FCS实验的正确定量评价依赖于所用共聚焦显微镜的荧光激发和检测特性的准确知识。使用自下而上的方法，我们从理论上研究了这些属性是如何受到光路内存在的衍射介质珠的影响，以及这如何改变FCS测量的结果。这对于在光学非理想畸变条件下的FCS的所有应用都是重要的。
2019-07-16 physics.optics
The physical origins of extreme cross-polarization extinction in confocal microscopy
共聚焦显微镜是固体物理学和纳米光子学中生物系统的重要成像工具。使用共焦显微镜允许进行共振荧光实验，其中发射的光具有与激发激光相同的波长。这些具有挑战性的实验是在线性交叉偏振条件下进行的，拒绝来自探测器的激光。在这项工作中，我们发现的物理机制，是在起源尚未解释的高偏振抑制比，使这些测量成为可能。我们在实验和理论上都表明，在起偏器和检偏器之间放置一个反射面（即分束器和反射镜），并结合共焦装置，可以解释10^8及以上的巨大交叉偏振消光比。我们映射了偏振高斯光束的模式变换。我们发现在交叉偏振条件下的反射光束的强度“孔”。我们将其解释为Imbert-Fedorov效应的表现，该效应使光束根据其偏振螺旋度而偏离。这意味着这种拓扑效应在这里被放大，从通常观察到的纳米到微米尺度，由于我们的交叉偏振暗场方法。我们针对各种市售镜子和偏振元件证实了这些实验结果，从而使其能够在许多实验中实际实施。
2020-07-08 physics.optics
Video-rate large-scale imaging with Multi-Z confocal microscopy
大尺度上的快速体积成像一直是生物显微镜的长期目标。荧光共聚焦显微镜等扫描技术可以以高分辨率和高速度采集2D图像，但将采集扩展到不同深度的多个平面需要轴向扫描机制，这会大大降低采集速度。为了解决这一挑战，我们报告了共聚焦显微镜的增强变体，其中的关键创新包括使用一系列轴向分布在检测平面中的反射针孔，每个针孔探测样品内的不同深度。由于不涉及轴向扫描机制，我们的技术提供了同时多平面成像的视野大于一毫米的视频速率。我们证明了我们的技术的一般适用性，秀丽隐杆线虫和小鼠大脑在体内的神经元成像。
2018-11-16 physics.bio-ph physics.optics
Accessible quantitative phase imaging in confocal microscopy with sinusoidal-phase synthetic optical holography
我们提出了一个技术上简单的实现定量相位成像的共焦显微镜的基础上合成光学全息与正弦相位参考波。使用Mirau干涉物镜和低振幅垂直样品振动与压电控制的阶段，我们记录合成全息图的商业共焦显微镜（尼康，型号：A1 R;蔡司：型号：LSM-880），从定量相位图像重建。我们通过宫颈癌（HeLa）和卵巢癌（ES-2）细胞和干细胞（mHAT 9a）样本的免染色成像来展示我们的技术。我们的技术有可能通过提供无标记的细胞发现，监测细胞形态，以及基于定量相差的活细胞的非扰动长时间观察来扩展共聚焦显微镜中的荧光成像应用。
2019-04-01 physics.bio-ph physics.optics
Structured illumination microscopy with extended axial resolution through mirrored illumination
宽视场荧光显微镜，虽然比共聚焦显微镜快得多，但缺乏光学切片和轴向分辨率差。3D结构照明显微镜（SIM）已被证明提供光学切片，并增加一倍的横向和轴向可实现的分辨率，但即使这样的轴向分辨率仍然是比未修改的宽场检测的横向分辨率差。使用两个高数值孔径物镜的干涉测量方案，如4Pi共焦和I5 S显微镜，已经提高了轴向分辨率，超过了横向分辨率，但代价是光学设置要复杂得多。在这里，我们研究了一种更简单的双物镜方案，我们建议可以轻松地将其添加到现有的3D-SIM显微镜中，使用传统荧光团提供超过125 nm的横向和轴向分辨率。
2018-10-10 physics.optics
Multidimensional Fluorescence Imaging and Super-resolution Exploiting Ultrafast Laser and Supercontinuum Technology
这篇论文集中在多维荧光成像工具的发展，特别强调荧光寿命成像（FLIM）显微镜应用于生物研究。本论文的重点是基于微结构光纤中超连续谱产生的可调谐超连续谱激发源的研制和应用以及能够实现衍射极限以外荧光寿命成像的受激发射耗尽（STED）显微镜的研制。FLIM的生物学研究的效用说明了在肌肉纤维中的肌节的分子结构和在免疫突触的信号的实验研究的例子。应用微结构光纤提供可调谐超连续谱激发源的FLIM显微镜的范围，包括宽场，Nipkow盘共焦和超谱线扫描FLIM显微镜。超连续谱产生的第一个超分辨FLIM显微镜的应用。这种新型显微镜利用了STED的概念，飞秒锁模钛：蓝宝石激光器通过泵浦微结构光纤产生超连续谱并直接提供（较长波长）STED光束来提供可调谐激发光束。该STED显微镜在商业扫描共聚焦显微镜中实现，以提供与标准生物成像的兼容性，并利用使用空间光调制器（SLM）的数字全息术来提供用于成形STED光束轮廓的适当相位操纵并补偿像差。根据SLM的设置，STED显微镜能够在横向和轴向平面上记录超分辨率图像。
2017-08-10 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
Spectroscopic super-resolution fluorescence cell imaging using ultra-small Ge quantum dots
在单分子定位超分辨率显微镜中，重复图像捕获的需要限制了成像速度，而荧光探针的大小限制了可能的理论定位分辨率。在这里，我们展示了一种基于光谱成像的超分辨率方法，通过在单个扫描周期内将重叠的衍射斑点分离到几个检测器中，并利用纳米颗粒中的尺寸依赖性发射波长。这种方法已经使用现成的量子点（Qdot）和内部新颖的超小（~3 nm）Ge量子点进行了测试。此外，我们开发了一种方法特定的高斯拟合和极大似然估计基于Matlab算法的快速量子点定位。我们证明，这种方法的结果在~ 40 nm的本地化分辨率使用商业量子点和~12 nm的本地化分辨率使用Ge量子点。使用标准扫描共聚焦显微镜，我们实现了1.6秒/帧的数据采集速率。然而，我们表明，这种方法有可能提供毫秒级的数据采集速率，从而在现场系统中提供超分辨率。
2015-04-09 physics.optics
Confocal super-resolution microscopy based on a spatial mode sorter
空间分辨率是成像系统最重要的性能指标之一。量子参数估计理论的最新结果表明，通过使用空间模式分类器，可以有效地确定两个非相干点源之间的任意小距离。然而，由于多参数估计问题的内在复杂性，将此过程扩展到由许多不相干点源组成的一般对象仍然具有挑战性。在这里，我们推广Richardson-Lucy（RL）反卷积算法来解决这一挑战。我们模拟其应用程序的非相干共聚焦显微镜，与Zernike空间模式分选机取代针孔在传统的共聚焦显微镜。我们测试不同的空间不相干的任意几何形状的对象，我们发现，基于分选的显微镜的分辨率增强平均超过30%，高于传统的共聚焦显微镜使用标准的RL反卷积算法。我们的方法可能被用于不同的应用，如荧光显微镜和天文成像。
2021-04-01 eess.IV physics.optics quant-ph
Deep penetration fluorescence imaging through dense yeast cells suspensions using Airy beams
提出了一种基于艾里光束扫描的荧光物体透过混浊介质成像的新方法。这是通过使用艾里光束的非衍射性质来实现的，即它们在穿透高度散射介质时保持其形状的能力。我们表明，我们的技术可以成像荧光物体浸没在混浊介质中具有更高的分辨率和信噪比比共聚焦成像。作为原理证明，我们证明了1个$μ$ m大小的荧光珠通过酵母细胞的稠密悬浮液的成像，衰减系数为51 cm $^{-1}$，深度为90 $μ$ m。最后，我们证明了我们的技术也可以提供成像对象的深度，而无需任何额外的切片。
2019-02-24 physics.bio-ph physics.optics
Depth-dependent resolution quantification in 3D fluorescence microscopy
本研究提出一种量化3D荧光显微镜中随深度变化分辨率的方法，在果蝇大脑验证，量化双光子相对共聚焦的成像提升，可客观测量激光功率调优的效果，适用于跨系统比较及指导生物实验设计。
2023-06-09 physics.optics q-bio.QM
A statistical resolution measure of fluorescence microscopy with finite photons
本文提出有限光子下荧光显微镜分辨能力的统计度量方法，结合衍射极限与光子统计特性，利用Cramer-Rao下界量化周期结构可分辨性，为现代荧光显微技术确立了含噪声的实际分辨率理论度量。
2023-02-07 physics.optics stat.AP
Fluorescence-detected two-dimensional electronic spectroscopy of a single molecule
本研究结合单分子荧光光谱与二维光谱技术，以DBT分子为例实现室温下单分子二维光谱测量，可用于研究单量子物体的超快能量转移过程。
2024-07-12 physics.chem-ph physics.optics
Broadband plasmonic nanoantennas for multi-color nanoscale dynamics in living cells
最近，等离子体纳米天线的实现为研究活细胞中单个生物分子的纳米级动力学开辟了新的可能性。然而，由于金基纳米结构的窄波长共振排除了对不同荧光标记分子的同时询问，因此研究还限于单一分子种类。在这里，我们利用宽带铝基纳米天线雕刻在近场探针的顶点，以解决完整的活细胞膜上的纳米尺度动态分子相互作用。通过荧光激发，我们同时记录了已知在活细胞中形成纳米簇的双色标记跨膜受体的荧光波动。荧光交叉相关研究揭示了在~60 nm的区域中单个受体之间的瞬时相互作用。此外，天线照明提供的高信号背景比使我们能够直接检测由天线下方的单个受体通过而产生的荧光猝发。值得注意的是，通过减少低于特征受体纳米团簇尺寸的照明体积，我们解决了纳米团簇内的分子扩散，并将其与纳米团簇扩散区分开来。分子间瞬时相互作用的时空表征对于理解它们如何相互通信以调节细胞功能至关重要。我们的工作展示了宽带光子天线以前所未有的时空分辨率研究活细胞膜中的多分子事件和相互作用的潜力。
2023-01-22 physics.bio-ph physics.optics
Super-resolution fluorescence microscopy by stepwise optical saturation
超分辨荧光显微镜是生物医学研究中的重要工具，因为它能够识别小于衍射极限的特征。然而，由于其难以实现和高成本，普遍应用的超分辨率显微镜是不可行的。在本文中，我们提出并展示了一种新的超分辨率荧光显微镜，可以很容易地实现，既不需要额外的硬件，也不需要复杂的后处理。显微镜是基于逐步光学饱和（SOS）的原则，其中原始荧光图像的$M$步骤被线性组合，以产生与传统的衍射限制图像相比，分辨率增加了$\sqrt{M}$倍的图像。例如，线性组合（缩放和相减）以常规功率获得的两个图像将分辨率扩展超过衍射极限的$1.4$的因子。SOS显微镜的分辨率提高在理论上是无限的，但实际上受到信噪比的限制。我们进行模拟和实验证明超分辨率显微镜与单光子（共焦）和多光子激发荧光。我们表明，与多光子模态，SOS显微镜可以提供超分辨率成像深散射样品。
2018-01-10 physics.bio-ph physics.optics
Planar Optical Nanoantennas Resolve Cholesterol-Dependent Nanoscale Heterogeneities in the Plasma Membrane of Living Cells
光学纳米天线可以有效地将光限制在纳米级热点，从而在生物相关条件下实现单分子检测灵敏度。这种突破衍射极限的创新方法提供了一个多功能平台，用于研究活细胞膜中单个生物分子的动力学及其分配到胆固醇依赖性脂质纳米结构域中。在这里，我们提出了光学纳米天线阵列与可访问的表面热点研究的特征扩散动力学的磷酸乙醇胺（PE）和鞘磷脂（SM）在纳米级的活细胞质膜。对不同间隙尺寸的纳米天线进行的荧光猝发分析和荧光相关光谱表明，与PE不同，SM被瞬时捕获在直径为10 nm的富含胆固醇的纳米结构域中，特征时间约为100 μs。胆固醇的去除导致SM的自由扩散，与纳米畴的分散一致。我们的研究结果是一致的存在高度瞬态和波动的纳米级组件富含胆固醇和鞘脂在活细胞膜，也被称为脂筏。鞘脂分配到脂筏的定量数据是至关重要的，以了解在纳米级的活细胞膜上的瞬时分子复合物的时空异质组织。所提出的技术是完全生物相容的，因此为生物物理学和活细胞研究提供了各种机会，以揭示仍然隐藏在共焦衍射限制测量中的细节。
2017-11-17 physics.bio-ph physics.optics
Integral refractive index imaging of flowing cell nuclei using quantitative phase microscopy combined with fluorescence microscopy
我们提出了一种新的多模态成像技术，用于定量测量悬浮液中活生物细胞核的积分（厚度平均）折射率。为此目的，我们将定量相位显微镜与同步二维荧光显微镜相结合。我们使用2-D荧光显微镜定位细胞内的定量相位图的细胞核，以及测量核半径。如通过3-D共聚焦荧光显微镜和通过2-D荧光显微镜同时在流动期间旋转细胞所离线验证的，不在分裂期间的悬浮液中的细胞核可以假定为椭圆体。悬浮液中细胞的整个形状可以假定为球形。然后，细胞和细胞核的3-D形状可以分别基于可从2-D相位和荧光测量获得的它们的平面内半径来评估。最后计算了原子核的积分折射率分布。我们在癌细胞上展示了新技术，获得了低于细胞质的细胞核折射率值，与最近的发现一致。我们相信，所提出的技术有可能被用于流式细胞术，其中全三维折射率断层扫描是太慢，在流动过程中实施。
2019-09-03 physics.bio-ph physics.optics
Photonic integrated circuits for life sciences
我们报告了氮化硅（SiN）光子集成电路（PIC）在高价值仪器中的应用，即多色激光引擎（MLE），这是应用于共聚焦显微镜、荧光显微镜（包括超分辨率受激发射耗尽（STED）显微镜）、流式细胞术、光遗传学、遗传分析和DNA测序等尖端生物光子系统的核心要素。这些都有一个共同点，即分子-荧光团，或者在光遗传学的情况下，光门控离子通道-的选择性光激发，激光辐射落在它们的吸收光谱内。分子或细胞亚群的非生物相容性鉴定通常需要联合分析来自几种荧光标记物的荧光信号，因此需要MLE为几种市售生物相容性荧光团提供激发波长。除了提供所需的波长外，MLE还需要许多功能：在Hz至kHz范围内的可变衰减和/或数字强度调制是许多应用所必需的，例如光学捕获，寿命成像或光漂白后的荧光恢复（FRAP）。此外，激光器在两个光纤输出之间的切换可以用于例如在扫描共焦显微镜和宽场照明模式之间切换，例如用于常规荧光成像。
2020-12-15 physics.ins-det physics.optics
Resonant Scanning with Large Field of View Reduces Photobleaching and Enhances Fluorescence Yield in STED Microscopy
光漂白是超分辨受激耗尽发射（STED）显微术的一个主要限制。快速扫描一直被认为是一种有效的手段，以减少在荧光显微镜的光漂白，但仔细定量研究这个问题是失踪。在本文中，我们表明，在STED显微镜的光漂白速率减慢和荧光产率提高扫描高线速度，使我们定制的共振扫描STED显微镜的大视场。扫描速度对光漂白和荧光产率的影响在较高水平的耗尽激光辐照度下更为显著，并且在传统的共聚焦显微镜中几乎消失。当耗尽辐照度>0.2 GW $\cdot$ cm $^{-2}$（时间平均值）时，我们能够将Atto 647 N染料的荧光存活时间延长约80%，视野宽8倍。我们证实，STED光漂白主要是由耗尽光作用于激发的荧光团引起的。实验数据与理论模型一致。我们的研究结果鼓励进一步提高线性扫描速度，减少在STED显微镜的光漂白。
2015-01-18 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
Correction of cell-induced optical aberrations in a fluorescence fluctuation microscope
我们描述了荧光波动显微镜（FFM）的光学像差的影响，当通过一个单一的活细胞聚焦。FFM测量在荧光水溶液中进行，并证明是一个高度敏感的工具，以评估由细胞引入的光学像差。我们展示了一个自适应光学（AO）系统，以消除像差相关的偏见在FFM测量。我们的数据表明，AO不仅在组织深处成像时有用，而且在通过单个细胞层进行FFM测量时也有用。这项工作铺平了道路，FFM复杂的三维多细胞样品的应用。
2014-03-12 physics.bio-ph physics.optics
Standing-wave-excited multiplanar fluorescence in a laser scanning microscope reveals 3D information on red blood cells
荧光的驻波激发在光学显微镜中是非常理想的，因为它提高了轴向分辨率。在这里，我们证明了多平面激发荧光的驻波可以产生在单点激光扫描显微镜放置一个平面反射镜靠近标本。我们报告说，在每个平面的激发的相对强度取决于斯托克斯位移的荧光染料。我们展示了如何利用驻波激发的细胞膜特异性染料的使用，以产生精确的轮廓图的表面膜的红细胞，轴向分辨率为~90 nm。这种方法，只需要增加一个平面镜，现有的共聚焦激光扫描显微镜，可能会证明有用的研究涉及红细胞膜，如疟疾的疾病。
2014-12-04 physics.bio-ph physics.optics
Plasmonic antennas and zero mode waveguides to enhance single molecule fluorescence detection and fluorescence correlation spectroscopy towards physiological concentrations
单分子生物学方法为阐明活细胞功能的基础机制提供了一个强大的新视野。然而，传统的光学单分子光谱学技术，如福斯特荧光共振能量转移（FRET）或荧光相关光谱（FCS）是有限的衍射纳摩尔浓度范围内，远低于生理微摩尔浓度范围，其中大多数生物反应发生。为了突破衍射极限，零模波导和等离子体天线利用表面等离子体共振来限制和增强光到纳米尺度。等离子体实现极端光浓度的能力解锁了增强荧光检测、FRET和FCS的巨大潜力。单分子光谱学技术极大地受益于零模式波导和等离子体天线，以进入达到生理条件的分子浓度的新维度。纳米光学在FRET和FCS生物学问题中的应用是一个新兴的和令人兴奋的领域，并有望揭示生物功能和动力学的新见解。
2014-03-06 physics.bio-ph physics.optics
Portable, cost_effective UV_vis_NIR microspectrophotometer for absorption and fluorescence microscopy and spectroscopy
Department of Electrical and Computer Engineering, Texas A & M University（德克萨斯农工大学电气与计算机工程系）
本文提出一种便携、低成本的双头紫外-可见-近红外显微分光光度计，通过创新照明与物镜设计将成本降低20倍以上，并验证了其在染料、蛋白质晶体和活细胞等样品上的高精度原位吸收与荧光光谱测量能力。
2025-11-06 physics.optics
Three-dimensional virtual refocusing of fluorescence microscopy images using deep learning
University of California, Los Angeles（加利福尼亚大学洛杉矶分校）；California Nano Systems Institute (CNSI)（加州纳米系统研究所）；David Geffen School of Medicine（大卫·格芬医学院）；Hebrew University of Jerusalem（耶路撒冷希伯来大学）
三维（3D）荧光显微术通常需要轴向扫描以在不同平面处捕获样品的图像。在这里，我们证明了可以训练深度卷积神经网络，以将2D荧光图像虚拟地重新聚焦到样本体积内的用户定义的3D表面上。有了这个数据驱动的计算显微镜框架，我们使用在单个焦平面获取的荧光图像的时间序列在3D中成像秀丽隐杆线虫蠕虫的神经元活动，数字化地将显微镜的景深增加了20倍，而无需任何轴向扫描，额外的硬件，或成像分辨率或速度的权衡。此外，我们证明了这种基于学习的方法可以校正样品漂移，倾斜和其他图像畸变，所有这些都是在采集单个荧光图像后进行数字化处理的。这种独特的框架还将不同的成像模式相互交叉连接，使单个宽场荧光图像的3D重新聚焦能够匹配在不同样品平面获得的共焦显微镜图像。这种基于深度学习的3D图像重聚焦方法对于3D生物样品的成像和跟踪可能是变革性的，特别是在延长的时间段内，减轻了与标准3D荧光显微镜技术相关联的光毒性、样品漂移、像差和散焦相关的挑战。
2019-11-02 cs.CV cs.LG physics.app-ph
Saturated absorption competition microscopy
我们介绍的概念，饱和吸收竞争（SAC）显微镜作为一种手段，提供亚衍射空间分辨率的荧光成像。与受激发射和自发发射之间的竞争后的过程中使用的受激发射耗尽（STED）显微镜，SAC显微镜打破了衍射极限，强调竞争前的过程中发生的荧光吸收阶段的方式，股份与基态耗尽（GSD）显微镜的相似性。此外，与STED和GSD显微镜不同，SAC显微镜仅利用单个连续波激光二极管和比STED小约20倍的照明强度，从而降低了复杂性和成本。我们的方法可以在共聚焦显微镜中物理实现，通过将输入激光源分成时间调制的主激发光束和甜甜圈形饱和光束，随后采用零差检测方案来选择调制的荧光信号。在这里，我们提供了SAC的物理化学模型，并通过概念验证实验证明了~ λ/6的横向空间分辨率。
2017-01-23 physics.bio-ph physics.optics
Thermally Adaptive Surface Microscopy for brain functional imaging
本文提出热自适应表面显微技术，利用热可调微透镜阵列结合图案化照明，在0.5 kHz帧率和大视场下同时记录斑马鱼幼体脑内不同深度的快速荧光动态，解决了三维成像中离焦背景和扫描速度限制问题。
2025-04-09 physics.optics
Laser scanning reflection-matrix microscopy for label-free in vivo imaging of a mouse brain through an intact skull
我们提出了一种激光扫描反射矩阵显微镜相结合的激光焦点的扫描和宽场映射的电场的后向散射波消除高阶像差，即使在存在强烈的多次光散射噪声。与传统的共焦激光扫描显微镜，我们记录的振幅和相位图的反射波从样品不仅在共焦针孔，但也在其他非共焦点。这些额外的测量导致我们构建一个时间分辨的反射矩阵，与样品诱导的照明和检测路径的像差分别识别和校正。我们实现了在体反射成像的有髓轴突通过一个完整的头骨的活小鼠的空间分辨率接近理想的衍射极限。此外，我们证明了近衍射限制的多光子成像通过一个完整的头骨，通过物理校正从反射矩阵确定的像差。所提出的方法有望扩大应用范围，其中生物组织内部的详细微观信息的知识是至关重要的。
2019-10-08 eess.IV physics.bio-ph physics.optics
Optical Antenna-based Fluorescence Correlation Spectroscopy to Probe the Nanoscale Dynamics of Biological Membranes
活细胞的质膜在从纳米尺度到中尺度的多个空间尺度上被划分。这种非随机组织对于大量细胞功能至关重要。在纳米尺度上，细胞膜组织成富含胆固醇、鞘脂和某些类型蛋白质的动态纳米组装体。研究这些被称为脂筏的纳米组装体在基础细胞生物学中具有至关重要的意义。然而，这一目标需要同时纳米空间精度和微秒时间分辨率，这是普通显微镜无法达到的。基于金属纳米结构的光学天线有效地增强和限制光到纳米尺寸，突破了光的衍射极限。在这个角度来看，我们讨论了最近的进展相结合的光学天线与荧光相关光谱（FCS），以监测微秒级的动态在纳米尺度的空间尺寸。这些新的发展提供了许多机会，研究脂质和蛋白质的动态模拟和天然生物膜。
2017-12-19 physics.bio-ph physics.optics
Fluorescence-Enhanced Mid-Infrared Photothermal Microscopy
中红外光热显微技术是一种利用可见光感应脉冲红外激光诱导的光热效应的新型化学成像技术。该技术提供亚微米空间分辨率的红外光谱信息，并实现活细胞和生物体的红外光谱和成像。然而，目前的中红外光热成像灵敏度受到散射对温度的弱依赖性的影响，并且图像质量容易受到散射引起的散斑的影响。在这里，我们提出了一种新版本的中红外光热显微镜，其中利用热敏荧光探针来感测中红外光热效应。荧光强度可以在每开尔文1%的水平上调制，这是散射强度调制的100倍。此外，荧光发射没有斑点，因此大大提高了图像质量。此外，荧光团可以靶向特定的细胞器或生物分子，从而增强光热成像的特异性。光谱保真度通过对单个细菌进行指纹识别来确认。最后，光漂白的问题是成功地解决了通过开发一个宽视场的荧光增强的中红外光热显微镜，它允许视频速率键选择性成像的生物标本。
2021-04-06 physics.optics q-bio.BM
Active Axial Motion Compensation in Multiphoton-Excited Fluorescence Microscopy
针对活体组织周期性运动造成的成像平面位移与像差，本文提出基于数学形状空间模型预测并由压电物镜支架实时调整焦平面的主动轴向补偿方法，并在血管体模上验证了大视场、大幅值非谐波运动补偿效果。
2024-01-19 eess.IV physics.bio-ph physics.optics
Non-linear optical spectroscopy and two-photon excited fluorescence spectroscopy reveal the excited states of fluorophores embedded in beetle's elytra
在紫外光照射下，许多动物物种通过嵌入其生物组织内的荧光团产生的荧光过程发光。然而，在活生物体中的荧光研究相对较少，并且到目前为止仅限于线性范围。多光子激发荧光分析以及非线性光学技术提供了独特的可能性，以调查当地环境对荧光团的激发态的影响。本文首次将这些技术应用于昆虫天然荧光的研究。的情况下，男性Hoplia coerulea甲虫的调查，因为覆盖甲虫的鞘翅鳞片是已知的具有嵌入式荧光团，控制甲虫的着色和荧光发射的内部光子结构。观察到强烈的双光子激发荧光信号，其强度在与水接触时发生变化。还检测到三次谐波产生信号，其强度取决于光的偏振状态。这些非线性光学和荧光响应的分析揭示了嵌入甲虫鞘翅的荧光分子的多激发态特征。光子结构的各向异性，这导致额外的剪裁甲虫的光学响应，证实了圆偏振光和非线性光学测量。
2018-01-23 physics.bio-ph physics.optics
Non-invasive lipid quantification of living microalgal cultures with digital holographic microscopy
针对微藻脂质定量的需求，研究基于数字全息显微镜开发了快速无创定量方法，通过处理全息图序列评估三角褐指藻活细胞内脂滴体积，经成像验证并推广至校准颗粒，证明了方法的灵活性。
2022-04-15 physics.bio-ph physics.optics
Super-Resolution Microscopy Based on the Inherent Fluctuations of Dye Molecules
本文提出一种基于染料分子固有微秒涨落和单光子雪崩二极管阵列的超分辨显微方法，无需工程调控闪烁统计，即可在共聚焦架构中实现三维和多色成像。
2024-08-07 physics.bio-ph physics.optics
3D tomography of cells in micro-channels
我们结合共聚焦成像，微流体和图像分析，记录流动中细胞的3D图像。这使我们能够每分钟恢复数百个活细胞的完整3D表示。而3D共焦成像到目前为止仅限于稳定的标本，我们克服了这一限制，并提出了一种方法来访问移动物体的3D形状。我们的原则的关键是微通道相对于显微镜的焦平面的倾斜布置。这迫使细胞以倾斜的方式穿过焦平面。因此，记录通过细胞的各个层，然后可以将其组装以获得体积表示。完整的3D信息允许与理论和数值预测进行详细的比较，例如，2D成像。我们的技术是通过研究在微通道中流动的红细胞来体现的，反映了微血管系统中的主要条件。我们观察到两种非常不同的形状：“羊角面包”和“拖鞋”。此外，我们对我们的实验进行了3D数值模拟，以确认观察结果。由于流动中细胞的3D共聚焦成像尚未实现，因此我们在流式细胞术领域看到了很高的潜力，其中细胞分类迄今为止主要依赖于1D散射和荧光信号。
2017-09-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
QuanTI-FRET: a framework for quantitative FRET measurements in living cells
Foerster共振能量转移（FRET）允许纳米级距离和距离变化的可视化。这种灵敏度通常在体外单分子实验中实现，但在生物材料中仍然具有挑战性。尽管有许多努力，定量FRET在活体样品中要么是限制到特定的仪器或所需的分析的复杂性的限制。随着FRET生物传感器的发展和应用的不断扩大，使生物学家能够产生可以直接比较的定量结果变得至关重要。在这里，我们提出了一种新的校准和分析方法，允许定量FRET成像在活细胞与一个简单的荧光显微镜。除了光谱串扰校正，两个额外的校正因子被定义从物理方程，描述的激发和检测效率的相对差异。校准是在一个单一的步骤，这使得定量三图像FRET（QuanTI-FRET）方法非常强大。唯一的要求是已知化学计量供体：受体的样品，这自然是分子内FRET构建体的情况。我们表明，QuanTI-FRET给出绝对FRET值，独立于仪器或表达水平。通过化学计量的计算，我们评估数据的质量，从而使QuanTI-FRET可由非专业人士放心使用。
2019-12-17 physics.bio-ph physics.optics
Low dosage 3D volume fluorescence microscopy imaging using compressive sensing
Department of Electrical Engineering, University of Notre Dame（圣母大学电气工程系）；Department of Biological Sciences, University of Notre Dame（圣母大学生物科学系）
荧光显微镜一直是观察胚胎（体内）随时间生长的长期成像的重要工具。然而，累积暴露对这种敏感的活样本具有光毒性。虽然像光片荧光显微镜（LSFM）这样的技术可以减少曝光，但它并不适合深度成像模型。其他计算技术在计算上是昂贵的，并且通常缺乏恢复质量。为了解决这一挑战，人们可以使用各种低剂量成像技术，这些技术被开发用于使用轴向方向（z轴）上的几个切片来实现3D体积重建;然而，它们通常缺乏恢复质量。此外，在轴向方向上获取密集图像（具有小步长）在计算上是昂贵的。为了解决这一挑战，我们提出了一种基于压缩感知（CS）的方法，以相同的信噪比（SNR）和不到一半的激励剂量完全重建3D体积。我们提出的理论和实验验证的方法。为了证明我们的技术，我们使用共聚焦显微镜以0.1 μ m的轴向采样捕获斑马鱼胚胎脊髓（30 μ m厚度）中RFP标记的神经元的3D体积。从结果中，我们观察到基于CS的方法从不到20%的整个堆叠光学切片实现了准确的3D体积重建。在这项工作中开发的基于CS的方法可以很容易地应用于其他深度成像模式，如双光子和光片显微镜，其中减少样品的光毒性是一个关键的挑战。
2022-01-03 cs.CV cs.LG eess.IV
Order-disorder phase transition of cell membrane induced by THz irradiation studied via fluorescence recovery after photobleaching
本研究利用THz-FRAP技术探究太赫兹辐射的非热生物效应，发现特定频率太赫兹辐照可通过影响结合水动力学诱导细胞膜脂质有序-无序相变，为太赫兹安全标准制定与细胞操控新方法研发提供依据。
2024-12-09 physics.app-ph physics.bio-ph physics.optics
Effects of excitation light polarization on fluorescence emission in two-photon light-sheet microscopy
光片显微镜（LSM）是一种强大的成像技术，它使用垂直于检测轴的平面照明。双光子（2P）LSM是LSM的变体，其利用2P吸收效应用于样品激发。光偏振态在2P吸收过程中起着重要的作用，但往往被忽视。这项工作的范围是测试是否使用不同的偏振状态的激发光可以影响检测到的信号水平，在2P LSM成像的典型生物样品与空间无序的染料人口。在理论模型的支持下，我们比较了使用不同偏振态与各种荧光团（荧光素，EGFP和GCaMP6s）和不同样品（液体溶液和固定或活斑马鱼幼虫）获得的荧光信号。在所有条件下，与我们的理论预期一致，平行于检测平面取向的线性偏振提供了最大的信号水平，而平行取向的偏振给出了生物样品的低荧光信号，但荧光素溶液的大信号。最后，圆偏振通常提供较低的信号电平。这些结果突出了在生物样品的2P LSM中控制光偏振态的重要性。此外，该特征表示在需要最大化信号电平时（例如，在高速2P LSM中）选择最佳光偏振状态的有用指导。
2020-07-24 physics.bio-ph physics.optics q-bio.QM
Continuous-Wave SOFISM with SPAD Array Detection
Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）
提出基于SPAD阵列检测器的连续波超分辨光学涨落成像方法，通过光开关荧光染料和优化相关分析实现微秒级涨落动力学检测，在HeLa细胞微管成像中验证了分辨率提升。
2026-06-16 physics.bio-ph physics.optics
Multi-photon super-linear image scanning microscopy using upconversion nanoparticles
本文提出超线性图像扫描显微术（SL-ISM），利用上转换纳米颗粒的发射非线性，以单个低功率连续波近红外激光突破传统ISM两倍分辨率限制，实现约120 nm分辨率，并提出多焦点并行检测策略提升成像速度。
2024-03-20 physics.app-ph physics.optics
Optoacoustic flow-cytometry with light scattering referencing
与荧光蛋白的发展类似，用于筛选光声细胞标记的创新工具可以为OA提供定制的蛋白质标记，从而提供可视化生物结构和功能的新方法。光声成像以其优越的性能，如可达深度和活组织的3D研究，成为生命科学和医疗实践中一种非常有前途的模式。开发具有分子特异性的新型标记物可以显著增强光声对比度、特异性和灵敏度，并允许光声询问不适合荧光方法的组织。我们报告的光声流式细胞仪（OAFC）的原型，筛选光声报告基因。细胞计数器同时记录光散射以用于参考目的。由于记录光散射完全独立于OA，我们相信它是比例如荧光或超声反向散射更可靠的参考方法。我们的OAFC原型的精确表征展示了其光声表征单细胞大小范围内的流动物体的能力。我们应用OAFC来区分个体E。大肠杆菌细胞基于其表达的色蛋白的光声特性，使用微流体装置读取流中，并实现了90%以上的精度。我们讨论了如何光散射参考OAFC方法提供了一个关键的步骤，对常规测量的单细胞的光声特性，并可能铺平道路，识别基因编码的光声记者，通过转移荧光场的工作概念。
2020-02-02 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
Quantitative assessment of changes in cellular morphology at photodynamic treatment in vitro by means of digital holographic microscopy
用数字全息显微镜监测了Radachlorin光敏剂光动力处理诱导的两种培养癌细胞系HeLa和A549细胞形态特征的变化。所观察到的剂量依赖性处理后的相移变化动力学证明了细胞死亡的几种情况。特别是，低剂量下的相移增加可能与细胞凋亡有关，而高剂量下的相移减少可能与坏死有关。两种细胞类型显示出对相同剂量的治疗有不同的反应。虽然随着辐照剂量的增加，死亡情景的顺序被证明是相同的，但每种具体情景的实现剂量却大不相同。通过全息显微镜获得的结果通过共聚焦荧光显微镜与常用的测试分析进行了确认。
2018-10-30 physics.optics q-bio.CB q-bio.QM
