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基于单分子定位成像技术的研究及展望 被引量：7
1
作者 李雨竹 李传康 +2 位作者 郝翔 刘旭 匡翠方 《激光与光电子学进展》 CSCD 北大核心 2020年第24期19-34,共16页
超分辨显微技术突破衍射极限的分辨能力为研究纳米尺度的超精细结构和生理学过程提供了有力的观察手段,对研究细胞的功能以及疾病的发病机制有十分重要的影响,具有十分重要的生物医学意义。单分子定位成像技术作为超分辨成像技术的一个... 超分辨显微技术突破衍射极限的分辨能力为研究纳米尺度的超精细结构和生理学过程提供了有力的观察手段,对研究细胞的功能以及疾病的发病机制有十分重要的影响,具有十分重要的生物医学意义。单分子定位成像技术作为超分辨成像技术的一个分支,具有重大的科研价值。从单分子定位成像技术的研究背景和意义出发,详细介绍了该技术的发展历程,对现有的主要单分子定位技术进行了较为详细的原理介绍和各自优缺点的分析,最后对单分子定位技术的实际应用进行了展望。 展开更多
关键词 医用光学 荧光成像 超分辨显微 单分子定位成像 光漂白 定位精度
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单分子定位超分辨显微成像有机荧光探针的研究进展 被引量：7
2
作者 潘文慧 李文 +3 位作者 屈璟涵 叶懿霈 屈军乐 杨志刚 《应用化学》 CAS CSCD 北大核心 2019年第3期269-281,共13页
在生物医学领域,对纳米尺寸级别的微小生物目标进行精确定位研究具有非常重要的意义,而光学显微成像技术为此提供了强有力的工具。光学显微成像技术受到光学衍射极限的限制,难以分辨尺寸在衍射极限(<200 nm)以下的生物结构,无法直接... 在生物医学领域,对纳米尺寸级别的微小生物目标进行精确定位研究具有非常重要的意义,而光学显微成像技术为此提供了强有力的工具。光学显微成像技术受到光学衍射极限的限制,难以分辨尺寸在衍射极限(<200 nm)以下的生物结构,无法直接获取微小生物结构信息,阻碍了生物医学的进一步发展。近年来,随着纳米分辨显微成像技术的出现,新型荧光探针的开发、成像系统与设备的不断发展及成像算法不断完善地深入结合,促进了光学衍射极限以下尺寸微观目标的研究。基于单分子定位的超分辨荧光显微成像(SMLM)包括光激活定位成像(PALM)与随机光学重构超分辨成像(STORM),将有机荧光探针与超分辨光学显微成像技术紧密结合在一起,荧光探针的光物理性质直接决定着超分辨成像结果的好坏。因此,设计不同性能的荧光探针可以实现超精细结构的不同超分辨成像,为研究其生物学功能提供了有力的工具。本文着重围绕基于SMLM的原理、有机荧光探针的设计要求、用于SMLM的荧光探针种类及其生物应用等方面进行总结综述,指出了单分子定位成像上存在的不足,并对其发展方向进行了展望,希望为对超分辨成像研究感兴趣或初涉该领域的研究者提供成像理论与探针设计方面的帮助。 展开更多
关键词 超分辨成像 单分子定位成像 荧光探针 随机光学重构超分辨成像 光激活定位成像
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纳米级光学超分辨成像技术研究及展望
3
作者 潘天颖 谷陆生 纪伟 《生物化学与生物物理进展》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2024年第10期2519-2531,共13页
荧光显微成像技术能够将细胞生理活动可视化,是现代生命科学研究的重要手段。超分辨成像技术的出现将研究推进到亚细胞结构层次,而具有纳米级分辨率的单分子定位成像技术成为了研究细胞器、大分子复合物空间分布及相互作用的有力工具。... 荧光显微成像技术能够将细胞生理活动可视化,是现代生命科学研究的重要手段。超分辨成像技术的出现将研究推进到亚细胞结构层次,而具有纳米级分辨率的单分子定位成像技术成为了研究细胞器、大分子复合物空间分布及相互作用的有力工具。继2014年超分辨成像技术获得诺贝尔化学奖后,《自然》(Nature)发布的2024年值得关注的七大技术中再次将纳米级分辨率光学成像技术作为热点进行介绍,超高分辨率成像技术是重要的前沿研究领域。本文首先简要介绍了荧光显微成像技术的发展历史、荧光显微镜的基础概念、超分辨成像技术的基本概况,之后着重介绍了单分子超分辨成像技术的研究进展,并在最后对该技术的发展及应用做了展望。 展开更多
关键词 超分辨成像技术 单分子定位成像技术 多色成像 三维成像 纳米级成像技术
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多色单分子定位超分辨显微成像术 被引量：10
4
作者 潘雷霆 胡芬 +1 位作者 张心正 许京军 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第3期88-95,共8页
多色成像作为超分辨成像技术的重要延伸,极大地增强了人们研究亚细胞结构定位与交互关系的能力,从而有助于研究者深入理解细胞内复杂的生命现象与过程。基于单分子定位超分辨显微成像术(SMLM)工作原理的特殊性,已实现了激发依赖、激活... 多色成像作为超分辨成像技术的重要延伸,极大地增强了人们研究亚细胞结构定位与交互关系的能力,从而有助于研究者深入理解细胞内复杂的生命现象与过程。基于单分子定位超分辨显微成像术(SMLM)工作原理的特殊性,已实现了激发依赖、激活依赖、分光依赖等数种有特点的多色成像方法。介绍6种主要的多色单分子定位超分辨显微成像技术,从分色能力、光谱窜扰、数据采集效率等角度分析了各方法的优缺点,并讨论了与多色成像相关的细胞固定方法,帮助研究人员根据自身实验需求选择合适可靠的多色成像手段研究相应的科学问题。 展开更多
关键词 显微 荧光成像 单分子定位显微成像 多色成像 随机光学重建显微术 光敏定位显微术
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超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用(特邀)
5
作者 戴太强 高晔 +7 位作者 马英 蔡卜磊 刘富伟 何博聆 禹洁 侯燕 郜鹏 孔亮 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2022年第11期48-59,共12页
观察细胞器间动态相互作用,深入分析作用规律,对于揭示生理病理过程现象背后的机制具有十分重要的意义。传统光学显微镜受到由光波波长和孔径造成的衍射极限的限制,无法观测细胞器纳米级精细结构及细胞器间相互作用的动态变化规律。超... 观察细胞器间动态相互作用,深入分析作用规律,对于揭示生理病理过程现象背后的机制具有十分重要的意义。传统光学显微镜受到由光波波长和孔径造成的衍射极限的限制,无法观测细胞器纳米级精细结构及细胞器间相互作用的动态变化规律。超分辨显微成像技术的出现为细胞器相互作用研究提供了重要手段,在深入揭示细胞器相互作用规律,阐明生理病理现象深层的机制研究中发挥了重要的作用。文中介绍了受激发射损耗(Stimulated emission depletion,STED)显微成像、结构光照明显微成像(Structured illumination microscopy,SIM)、单分子定位显微成像(Single molecule localization microscopy,SMLM)技术,并总结了这三类超分辨显微成像技术在细胞器相互作用中的应用与现状,为超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用提供思路拓展。最后,对超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的优势与不足进行分析总结,展望了超分辨显微成像技术在活细胞内细胞器相互作用成像中的需求发展趋势,为光学与医学及生物学的交叉融合发展提供一定的参考。 展开更多
关键词 超分辨显微成像 细胞器间相互作用 受激发射损耗显微成像 结构光照明显微成像 单分子定位显微成像
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结合多次DBSCAN和层次聚类算法的膜蛋白单分子定位超分辨图像分割 被引量：5
6
作者 杨建宇 胡芬 +5 位作者 邢福临 董浩 侯梦迪 李任植 潘雷霆 许京军 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期78-85,共8页
膜蛋白在细胞膜上的时空分布形式决定了其活性状态及功能,在调控细胞生命活动过程中起着重要作用。单分子定位超分辨成像(SMLM)技术为在纳米尺度解析膜蛋白的空间分布提供了可能,但分辨率的极大提升对图像准确聚类分割提出了更高要求。... 膜蛋白在细胞膜上的时空分布形式决定了其活性状态及功能,在调控细胞生命活动过程中起着重要作用。单分子定位超分辨成像(SMLM)技术为在纳米尺度解析膜蛋白的空间分布提供了可能,但分辨率的极大提升对图像准确聚类分割提出了更高要求。基于密度的空间聚类算法(DBSCAN)是常用的聚类方法之一,但其对于膜蛋白分布不均匀的SMLM超分辨图像的分割效果往往不太理想。本文提出了一种结合多次DBSCAN和层次聚类的混合聚类算法,该算法以DBSCAN方法为分割基础,通过进一步的面积阈值分析和层次聚类,在保持超分辨点簇图像精确聚类识别的前提下,仍能保留每个点簇内的多次定位信号。将该算法应用于模拟数据集和实验数据分割得到的轮廓系数等性能普遍优于传统DBSCAN算法。这种混合聚类方法为膜蛋白SMLM超分辨图像的聚类分割提供了新思路和新方法,有助于更精准地分析膜蛋白在纳米尺度上的空间分布信息。 展开更多
关键词 生物光学 单分子定位超分辨成像 超分辨图像分割 膜蛋白 基于密度的空间聚类算法 层次聚类算法
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基于时域迭代小波变换的单分子定位图像背景去噪 被引量：14
7
作者 吴天琦 肖文 +3 位作者 李仁剑 徐以智 胡学娟 陈玲玲 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第13期166-176,共11页
单分子定位显微成像技术采集的图像中包含大量噪声及样本复杂的背景信息,而现有定位重组计算中常用的去噪算法难以去除结构性噪声,从而影响了超分辨图像的重建效果。本文构建了基于时域迭代小波变换(TDIWT)的背景噪声去除算法,该算法可... 单分子定位显微成像技术采集的图像中包含大量噪声及样本复杂的背景信息,而现有定位重组计算中常用的去噪算法难以去除结构性噪声,从而影响了超分辨图像的重建效果。本文构建了基于时域迭代小波变换(TDIWT)的背景噪声去除算法,该算法可针对不同信噪比的单分子数据集自适应选取合适的分解层数和迭代次数进行批量去噪处理。在模拟数据验证中,所提算法相比空域小波和时间极值发射极恢复算法在结构相似性指数、峰值信噪比上分别高出226%、50.8%和58.5%、16.6%。此外,利用自行搭建的easySTORM系统采集的实验数据和单分子显微成像测试网站提供的实验数据进行了不同算法的背景去噪比较,结果发现,TDIWT处理后重建的超分辨图像可使受噪声影响断裂的微管蛋白呈现为连续状态,验证了其优秀的结构性荧光噪声去除效果。TDIWT算法为单分子显微成像重建过程中结构性背景噪声的去除提供了新的自适应批量处理方案。 展开更多
关键词 图像处理 单分子定位显微成像 超分辨成像 时域迭代小波变换 背景去噪
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可用于活细胞线粒体随机光学重构超分辨成像的分子内可逆环化五甲川菁染料探针 被引量：7
8
作者 杨志刚 熊佳 +6 位作者 张炜 李文 潘文慧 张建国 顾振宇 黄美娜 屈军乐 《化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2020年第2期130-139,共10页
基于单分子定位的随机光学重构超分辨成像作为一种先进的光学成像方法,可用于尺寸小于光学衍射极限的生物结构的超清晰成像,为在单分子层面研究疾病的发病机制及寻找精准的治疗策略提供有力研究工具,在生物医学领域有着广泛的应用前景.... 基于单分子定位的随机光学重构超分辨成像作为一种先进的光学成像方法,可用于尺寸小于光学衍射极限的生物结构的超清晰成像,为在单分子层面研究疾病的发病机制及寻找精准的治疗策略提供有力研究工具,在生物医学领域有着广泛的应用前景.随机光学重构超分辨成像技术依赖于标记探针的光物理性质,探针需要在大量缓冲试剂及含巯基试剂存在下才能产生稳定光致闪烁进行超分辨成像,获得理想的超分辨成像结果,但是大量缓冲试剂与巯基试剂对活细胞伤害较大,使得其在活细胞的超分辨成像应用上存在困难,而限制了其在生物医学成像领域的进一步应用,因此,需要开发可用于活细胞的单分子定位超分辨成像的新型光学探针.本工作提出了一种新的可用于单分子定位超分辨成像的五甲川菁染料探针,不需要外加成像缓冲液及巯基试剂就可以产生光致闪烁变化.基于此,开发了一种分子内自发开、关环反应的新型五甲川菁染料探针,具有活细胞膜通透性.探针不需要使用缓冲液体系及对细胞有害的含巯基试剂,在低功率单束激光直接照射下产生光致闪烁,探针对活细胞没有产生明显毒性,适合活细胞的超分辨成像.进入活细胞后探针选择性定位于细胞线粒体上,在激光照射下产生光致闪烁,电子倍增电荷耦合器相机(EMCCD)在采样频率60Hz下收集不同条件下的光致闪烁图像,设置不同参数进行结果分析,使用ImageJ进行图像预处理后再使用Falcon算法重构获得活细胞线粒体的超分辨成像图像,相比宽场成像,成像分辨率明显提高,为生物医学光学成像提供新的研究手段. 展开更多
关键词 单分子定位成像 超分辨成像 五甲川菁染料 光致闪烁 线粒体探针
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