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近代显微成像技术的研究进展与应用狄伶【摘要】The development of microscope imaging technology was introduced, and the imaging principle and application of fluorescence microscopy, confocal microscopy and super-resolution microscopy were outlined. The technology of stimulated emission depletion (STED) was clarified in the super-resolution microscopy. With the rapid development of computer technology and photo-electricity technology, a new generation of microscopy of living cells is developed, and cells tracking, real-time observation, 3D reconstruction, fluorescence quantification and four-dimensional dynamic analysis can be carried out at molecular and ion levels.%本文简述显微成像技术的发展历史,介绍荧光成像、共聚焦显微成像和超分辨显微成像技术的工作原理及应用.超分辨显微成像技术中主要介绍受激发射损耗技术.随着计算机技术和光电技术的飞速发展,新一代显微成像技术对活细胞微观生命活动实现了分子和离子水平的形态定位、实时动态观察、三维结构重组、荧光定量分析和四维动态分析.【期刊名称】《中国医疗设备》【年(卷),期】2018(033)002【总页数】4页(P107-110)【关键词】显微成像技术;共聚焦显微镜;受激发射损耗;超分辨显微成像技术【作者】狄伶【作者单位】上海交通大学分析测试中心,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TH74引言显微成像技术是一种借助物理方法观察微小物体的技术手段，它的发展与物理学领域对光的认识密不可分。
12018年《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人'榜单1月210,由《麻省理工科技评论》组织评选的第二届中国区“35岁以下科技创新35人”在北京揭晓。
此次榜单的获奖者涵盖人工智能研究与应用、自然语言处理、脑科学、新材料、新能源、生命科学、生物科技、自动驾驶等多个不同领域。
王梦迪29岁大数据运筹和强化学习亓磊35岁基因编辑和基因工程职位：普林斯顿大学运筹和金融工程系、计算机系助理教授获奖类别：先锋者在大数据运筹和统计优化方法上取得一系列首创成果，推动了在机器学习和增强学习领域的成功应用和算法突破。
职位：斯坦福大学生物工程学副教授获奖类别：先锋者作为CRISPR基因编辑技术中国和欧盟专利的共同发明人，多年来致力于基因编辑技术与基因治疗领域的开发。
职位：中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所博士后获奖类别：发明家参与创建了世界首例单染色体的真核细胞，实现"人造生命”里程碑式的重大突破。
陆盈盈30岁新型电池技术王思远34岁三维基因组学）狄大卫34岁有机/钙钛矿LED职位：浙江大学化学工程与生物工程学院独立研究员获奖类别：发明家从事能量密度数倍于常规锂离子电池的金属锂电池的科研、教学等工作，在金属锂负极保护机制及电池安全问题等方面做出了杰出的贡献。
职位：耶鲁大学医学院遗传学系及细胞生物学系助理教授获奖类别：先锋者致力于生物组学成像技术的研发，开发了多项成像、染色技术，其中一项基于复合荧光原位杂交的ONA成像技术。
职位：浙江大学光电科学与工程学院研究员；剑桥大学卡文迪许实验室访问研究员获奖类别：先锋者从事高效率、低能耗的下一代显示、照明技术——有机发光二极管和钙钛矿发光二极管领域的研究工作，创造了低成本溶液法OLED和钙钛矿LED发光效率的纪录。
孔令杰32岁新型光学技术窦乐添31岁光电子柔性材料罗景山31岁光电化学转化职位：清华大学精密仪器系副教授获奖类别：发明家专注于神经成像领域的方法创新、系统设计和集成等多个方面的创新研究并取得了重大成果。
光学中的超分辨成像技术超分辨成像技术是目前光学领域的一个热门话题。
光学成像是一种通过光学系统来获取目标物体信息的技术，而超分辨成像技术则是要在前者的基础上，提高成像质量，实现更加细节化的成像结果。
本文将结合理论和实践，对光学中的超分辨成像技术进行深入探讨。
一、超分辨成像技术的理论基础超分辨成像技术的核心在于一种叫做衍射极限的理论。
这个理论认为，在成像中，一个物体在图像中的最小分辨率受到了光波传播的限制，这个极限被称为衍射极限。
达到这个极限，我们才会得到正真意义上的清晰可见的图像。
而在衍射极限外的物体，则会被模糊掉，无法分辨。
为了突破这个限制，科学家们想到了各种办法。
其中主要的两种方法分别是超分辨率显微镜和衍射限制解析成像技术。
二、超分辨率显微镜超分辨率显微镜的发展是在1950年代初期，由Ernst Abbe首先提出的折射率为1.5-1.6的物质是作为透镜的极限。
这一发现将光学成像的空间分辨率极限确定为半波长大小（0.2μm的蛋白质、20-30nm的细胞分子等）。
在此之前的研究中，传统光学显微镜是无法观察到这样小的物体的。
所以人们想到了一些更微小的物体来作为显微镜，例如透射电镜，扫描电子显微镜等。
但是这些显微镜对进行成像的样品要求比较高，而透射电镜还会对样品造成伤害。
因此，人们开始研究超分辨率显微镜。
其中最早的一种是激光荧光显微镜（STED）。
激光荧光显微镜通过对样品进行扫描，然后让样品中的某一部分发光，并快速扫描激光束，从而得到图像。
但是传统荧光信号上的光子数量受到依赖荧光剂分子数目、照射光强度、模糊滤波器和探测器响应等多种因素的影响而受到限制。
为此，科学家通过选择特定波长的激光光束，并在中心光束周围加上一个形状特定的控制激励光束，进一步减小了荧光信号的尺寸。
STED显微镜与传统荧光显微镜相比，具有更高的空间分辨率和更高的信噪比，这意味着它可以获得更清晰的图像，并且可以获得对光学分辨率的一种比较好的突破。
高分辨和超分辨光学成像技术在空间和生物中的应用姚保利;雷铭;薛彬;郜鹏;严绍辉;赵惠;赵卫;杨建峰;樊学武;邱跃洪;高伟;赵葆常;李英才【期刊名称】《光子学报》【年(卷),期】2011(40)11【摘要】大到天文光学望远镜观察浩瀚的宇宙,小到光学显微镜探察细微的纳米世界,光学成像技术在人类探索和发现未知世界奥秘的活动中扮演着至关重要的角色.看得更远、看得更细、看得更清楚是人们不断追求的目标.传统光学理论已证明所有经典光学系统都是一个衍射受限系统,即光学系统空间分辨率的物理极限是由光的波长和系统的相对孔径(或数值孔径)决定的.能否突破这个极限?能否不断提高光学系统的成像分辨率?围绕着这个问题,本文综述了近年来开展的各种光学高分辨和超分辨成像技术,及其在空间探测和生物领域中的应用.【总页数】12页(P1607-1618)【关键词】高分辨;超分辨;光学成像;空间光学遥感;显微成像【作者】姚保利;雷铭;薛彬;郜鹏;严绍辉;赵惠;赵卫;杨建峰;樊学武;邱跃洪;高伟;赵葆常;李英才【作者单位】中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室高分辨光学成像技术联合研究室;中国科学院西安光学精密机械研究所空间光学技术研究室【正文语种】中文【中图分类】O439【相关文献】1.超分辨近场光学成像技术及其产业开发 [J], 吴世法2.超分辨成像及超分辨关联显微技术研究进展 [J], 林丹樱;屈军乐3.结构光照明超分辨光学显微成像技术与展望 [J], 陈廷爱;陈龙超;李慧;余佳;高玉峰;郑炜4.共聚焦超分辨率成像与SIM超分辨率成像在蒿草生物组织样本荧光成像中的使用价值分析 [J], 吴伟全;王思捷;杨腾;吴平;李元歌5.一种基于压缩传感的超分辨光学三维成像技术 [J], 王锋;罗建军;唐兴佳;李立波;胡炳樑因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
超分辨显微镜的工作原理与成像技术超分辨显微镜是一种先进的光学显微镜，具有很高的分辨率和成像能力，可以观察到微观领域中细小的结构和现象。
本文将介绍超分辨显微镜的工作原理和成像技术，以及其在生物医学、材料科学和纳米技术等领域的应用。
一、工作原理超分辨显微镜的工作原理基于曲折规律和波的衍射。
传统光学显微镜由于照明光束的衍射限制，无法分辨出比光的波长还要小的物体细节。
而超分辨显微镜通过使用特殊的技术，克服了这一限制。
1.1 衍射极限传统光学显微镜的分辨率受到衍射极限的限制。
衍射极限（称为耐克斯特准则）是由德国物理学家安德烈亚斯·耐克斯特提出的，规定了光学系统能够分辨物体的最小尺寸，即0.61倍的照明光波长。
超过这个极限，显微镜就无法分辨出物体的细节。
1.2 超分辨技术超分辨显微镜采用了多种技术来突破衍射极限，实现更高的分辨率。
其中最常见的技术包括：1.2.1 利用荧光标记超分辨显微镜可以通过利用荧光标记结合合适的成像技术，将被观察物体的特定部分标记出来，并对其进行成像。
这些标记物在光的刺激下会发出荧光信号，通过检测和分析这种信号，可以实现纳米级的分辨率。
1.2.2 利用近场效应近场光学显微镜利用装载在探针尖端的金属纳米结构，利用探针与样品之间的极短距离来增强照明光的局部电场，从而实现超分辨成像。
这种技术在表面等离子激元共振和原子力显微镜中得到广泛应用。
1.2.3 利用建构性干涉通过将两束光进行干涉，可以在显微镜中形成特定的干涉模式。
这种模式包含了被观察物体的高频细节信息。
运用适当的算法和数学处理，可以从干涉模式中提取出高分辨率的图像。
二、成像技术超分辨显微镜采用多种成像技术来获取高分辨率图像。
以下是几种常用的成像技术：2.1 结构光成像结构光成像利用相干光束通过物体表面，通过记录物体与光束的相互作用，实现高分辨率的三维成像。
利用这种技术，可以获得具有亚微米分辨率的物体表面拓扑图像。
2.2 荧光成像荧光成像是利用带有荧光标记的样品在激发光线照射下发出的荧光信号进行成像。
超分辨显微成像技术的新发展马利红引言人类获得信息的主要器官是眼睛，然而靠人眼观察客观事物的空间分辨率的极限约为4´米，客观世界中人眼不能分辨的所有细微结构称为微观世界。
显微成像技术将310-微观过程或结构成放大图像，以便于人眼能够直接观察。
研究微观世界所涉及的学科领域十分广泛，有生物、医学、材料科学、精密机械、微电子学、分子及原子物理、核物理等等，微观世界中细分的微量尺度原则上是无穷的，因而显微学是跨多学科的，其发展也是无止境的。
1665年，Robert Hooke用原始显微镜发现了池塘水中单细胞有机体，它的出现为人类打开了微观世界的大门。
光学显微镜由此成为历代生物学家的主要研究工具之一。
生物学家把显微镜作为一种主要工具来研究生物器官、组织和细胞，由此奠定了细胞学和组织学的基础，并对生物学、遗传学、微生物学、病理学和医学的发展起到了极大的推动作用。
但传统光学显微镜有以下两个主要缺点：(1)受衍射极限的限制，其分辨率与照明波长是同一个数量级，具有一个数值孔径(NA=nsin(q))的传统光学显微镜，分辨极限l，称之为瑞利判据；(2)由于使用的是场光源，观测到的是一个宽视野图像，为0.61/NA从而降低了信噪比，影响了图像的清晰度和分辨率。
随着生物医学、材料科学等的发展对显微提出了更高的要求，不仅希望其具有更高的分辨率，而且能对样品进行无损成像，甚至希望可观察其三维图像。
因此，传统的显微镜已不能满足要求。
电子显微镜的分辨率虽然远高于光学显微镜，但它需要在真空条件下工作，因此很难观察活的生物样品，另外电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。
电子显微镜、的局限以及高分辨显微的需求，迫使人们转向超经典衍射极限的光学超分辨理论和技术研究，利用新原理、新技术、新方法来实现光学高分辨力成像和检测。
第一节基于传统的Rayleigh分辨率意义下的超分辨理论光学系统的空间分辨率是一个非常有用的概念，但是关于它的具体定义和描述却有许多不同的见解。
超分辨成像方法研究现状与进展王超;张雅琳;姜会林;李英超;江伦;付强;韩龙【摘要】光电成像系统受到衍射极限和像元分辨率的制约,但研究者们从未停止过脚步来突破这一限制.本文介绍了近年来开展的各种超分辨成像方法和技术,包括应用于荧光显微成像的受激发射损耗技术、结构光照明技术、光激活定位技术与随机光学重构超分辨成像技术;可应用于显微系统、光存储与眼底成像的光瞳滤波技术与径向偏振光超分辨聚焦技术;应用于空间探测的合成孔径技术、光子筛成像技术、超振荡透镜技术、亚像元技术与焦平面编码技术.主要讨论了以上超分辨方法的原理、实现手段与目前发展水平.%Optical imaging system is limited by pixel resolution and diffraction limit,but the researchers try to solve this problem.Various super-resolution imaging methods and techniques in recent years are introduced,including STED technology,SIM technology,PALM technology and STORM technology for the fluorescence microscopy imaging;pupil filtering technology and radially polarizedsuper-resolution focusing technology for microscope,optical storage and retina imaging;synthetic aperture technology,photon sieve imaging technology,super oscillation lens technology,sub-pixel technology and focal plane coding technology for space detection area.The principle,the implementation means and the current development level of these super-resolution imaging methods were discussed.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2017(047)007【总页数】8页(P791-798)【关键词】超分辨率;衍射极限;空间光学系统【作者】王超;张雅琳;姜会林;李英超;江伦;付强;韩龙【作者单位】长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春 130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春 130022;长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春130022;长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春 130022;长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春 130022;长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春 130022【正文语种】中文【中图分类】TN305.7自从光学显微镜和天文望远镜诞生以来,人们在不断寻求着提高光学分辨率的方法,从而观测到更多物体细节。
超分辨显微成像技术的发展历史最开始的时候啊，传统的光学显微镜就像是个有点近视的小伙伴，它只能看到一定大小的东西。
那时候人们对微观世界的探索就像在雾里看花，很多微小的结构都模模糊糊的。
后来呢，科学家们就想啊，这可不行，微观世界肯定还有很多超级精彩的秘密等着我们去发现。
于是，就有了一些早期的探索想法，就像在黑暗中摸索着找开关一样。
再往后啊，超分辨显微成像技术就开始慢慢崭露头角啦。
就像是一个小明星，开始有了自己的粉丝（科学家们）。
其中，有一些技术像是踩着小碎步慢慢前进。
比如说，通过一些特殊的光学设计或者对样品的特殊处理，让成像的分辨率稍微提高了那么一点点。
这就像是给显微镜戴上了一副度数不太高的眼镜，虽然看得比以前清楚了点，但还不是特别厉害。
不过呢，真正的大突破就像超级英雄登场一样震撼。
像STED（受激辐射损耗显微术）这种技术出现了，哇塞，这就像是给显微镜换上了超级高清摄像头。
它通过一种很巧妙的方法，能够让成像的分辨率大大提高，让我们能看到以前根本看不到的超微小结构。
就好比之前我们只能看到大怪兽的轮廓，现在连它身上的小汗毛都能看得一清二楚。
还有像SIM（结构光照明显微术）也是个厉害角色。
它就像是给微观世界打了一束超级特别的光，然后通过这束光和样品的相互作用，让我们能看到更细致的东西。
这就像是在黑夜里用一种神奇的灯光照亮了隐藏的宝藏。
而单分子定位超分辨显微成像技术呢，它就像是一个超级侦探。
它能够追踪单个分子的位置，然后把这些信息整合起来，构建出一幅超级精细的微观图像。
这就好比是把每个小碎片都找齐了，然后拼成一幅超级完整、超级清晰的拼图。
随着时间的推移，这些超分辨显微成像技术不断发展壮大，它们的应用也越来越广泛。
从生物医学领域研究细胞内部的超级小结构，到材料科学领域查看材料的微观缺陷啥的。
现在啊，超分辨显微成像技术就像是一把万能钥匙，不断地为各个科学领域打开一扇又一扇通往微观世界奥秘的大门呢！。
INNOVATING TALENT |创新达人北京大学分子医学研究所博雅特聘教授陈良怡:厚德艺高创新路淡泊名利健康梦■文/李丹风科技的飞速发展总是让生活在21世纪的我们感到应接 不暇，但又必须深刻地认识到“科学源于生活，并在以惊 人的速度改变着生活，创造着崭新的历史，带领着我们向 着更加美好的方向前行”。
生命科学作为与我们息息相关 的科学更是如此，甚至有人称“21世纪是生命科学的世纪”。
然而，当无数有志青年准备加入到生命科学的大军大展拳 脚时，有一个人己经在这一领域深耕20余年，取得了卓尔 不凡的成绩。
他就是北京大学分子医学研宄所博雅特聘教 授陈良怡。
一颗匠心，笃行着细创新路1995年，陈良怡在西安交通大学生物工程与医学仪器 系毕业，获学士学位；又到华中理工大学自控系攻读生物 电子学硕士，师从康华光教授和瞿安连教授：2001年获华 中科技大学生物医学工程专业博士，同年4月远赴美国华 盛顿大学生理和生物物理系从事博士后研究，师从美国科 学院院士 BertilHille。
陈良怡在学习期间，接受了长期且完 整的生物医学工程教育和训练，为此后的科研生涯奠定了 坚实的基础。
2004年，陈良怡回国并任职于中国科学院生物物理研2021年第20期♦:中同高新科技5创新达人 |INNOVATING TALENT究所，2010年开始担任北京大学分子医学研究所研究员，并牵头在北京大学建立了 “细胞分泌可视化研究室”，围绕 着糖尿病发病过程中胰岛素分泌异常机制这个关键科学问 题，研究活体组织层次上的血糖调控紊乱、细胞层次上的细 胞功能异常和分子层次上代谢如何调控囊泡分泌这3个具体 问题，发展了一系列的高时空分辨率生物医学成像的可视化 手段。
2012年和2019年，分别获得国家自然科学基金委优 秀青年基金和杰出青年基金资助。
据陈良怡介绍，开展高时空分辨率生物医学成像手段的 研宄还要从2011年说起。
当时他和团队计划申请一个国家 自然科学基金委关于重大仪器专项的项目，但第一次的申请 没有获批，于是，他们与陈和平老师组成了一个大的团队，经过仔细商讨如何更好地申请项目，以及开展更加深入的调 研工作，终于在第二年申请获批，从此正式开始了高时空分 辨率生物医学成像手段的研宄，至今己经做了 9年。
超分辨成像技术的分类哎呀，说起超分辨成像技术，这可真是个让人头大的话题。
不过别担心，我会尽量用大白话给你讲讲这玩意儿到底是怎么一回事儿。
首先，咱们得知道，超分辨成像技术，说白了就是让咱们能看得更清楚的技术。
就像你拿个放大镜看蚂蚁，能看到它腿上的毛，这就是超分辨成像技术干的事儿。
这技术分好几种，咱们一个一个来。
光学超分辨成像先说说光学超分辨成像，这个最直观。
就是用光来“看”东西，但是比普通的光学显微镜看得更清楚。
这就好比你拿个普通放大镜看东西，然后突然换成了超级放大镜，能看得更细致。
这种技术里头，有个叫STED（刺激发射耗尽）的技术挺出名的，它能让光斑变得更小，看得更清楚。
结构光照明超分辨成像接下来是结构光照明超分辨成像，这个听起来有点拗口，其实原理挺简单的。
就是先给样品打上一种特殊的光，这种光能形成特定的图案，然后通过分析这些图案，就能得到比普通显微镜更清晰的图像。
这有点像你拿手电筒照墙，墙上的影子能告诉你墙后面有啥。
随机光学重构超分辨成像然后是随机光学重构超分辨成像，这个技术听着就有点玄乎。
它用的方法是，先让样品发出的光随机散射，然后通过计算机算法，把这些散射的光重新组合起来，得到清晰的图像。
这就好比你把一堆乱糟糟的拼图块扔地上，然后通过某种神奇的方法，把它们拼成一幅完整的画。
电子显微镜超分辨成像最后说说电子显微镜超分辨成像，这个就更高级了。
它用的是电子，不是光。
因为电子的波长比光短，所以能看得更清楚。
这就好比你拿个超级显微镜，能看到原子级别的细节。
好了，说了这么多，你是不是对超分辨成像技术有点感觉了？其实这些技术都是为了让我们能更清楚地看到微观世界，就像我们用肉眼看世界一样。
虽然听起来挺复杂的，但它们都是为了一个目的：让我们看得更清楚，更细致。
总之，超分辨成像技术就像是给我们的眼睛装了个超级放大镜，让我们能看到以前看不到的东西。
这技术挺酷的，不是吗？。
首创了掠入射结构光照明超分辨成像技术
10月25日，中国科学院生物物理研究所李栋课题组与美国霍华德休斯医学研究所博士Eric Betzig、Jennifer Lippincott-Schwartz合作在《细胞》（Cell）杂志发表研究论文“Visualizing intracellular organelle and cytoskeletal interactions at nanoscale resolution on millisecond timescales”。
该文首创了掠入射结构光照明超分辨成像技术（GI-SIM），可对细胞内的生理过程进行高速、长时程、超分辨率成像，利用该技术发现了多种细胞器间相互作用新行为。
GI-SIM可对活细胞以97纳米分辨率、266幅每秒的成像速度连续成像近万幅超分辨图像。
与李栋先前开发的全内反射结构光照明超分辨成像技术（TIRF-SIM; Li et al., Science, 2015）相比，GI-SIM的成像深度以及所产生的信号量都提高了10倍；与传统共聚焦或转盘共聚焦显微镜相比，GI-SIM可
提供2倍更高的空间分辨率以及10倍更快的成像速度；与其它超分辨成像技术相比，在细胞尺寸的视场范围下，GI-SIM可提供~10倍更快的成像速度，以及10-100倍更长的成像时程。
GI-SIM实现了对细胞内多种细胞器动态的
最优化二维超分辨成像，这使得研究人员发现了多种细胞器互作新行为。
例如：
（1）管状内质网的三种新型延伸方式。
