本文選題：超分辨顯微 + 單分子定位��； 參考：《深圳大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：近年來,多種超分辨熒光顯微技術(shù)提高光學(xué)衍射極限分辨率10~20倍,達(dá)到幾十納米量級,科學(xué)家們可以對細(xì)胞內(nèi)特定細(xì)胞器、病毒以及蛋白質(zhì)等在三維空間的精確定位和分布進(jìn)行研究,對于理解生命過程和疾病發(fā)生機(jī)理具有重要意義。然而,在活細(xì)胞成像過程中,由于時空分辨率之間相互制約的關(guān)系,現(xiàn)有的超分辨顯微技術(shù),大多存在時間分辨率較差、激發(fā)光強(qiáng)度大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題,不利于對活細(xì)胞進(jìn)行動態(tài)檢測,而比較適合于固定細(xì)胞成像。其中,超分辨定位顯微(super resolution localization microscopy,SLM)和超分辨光學(xué)漲落成像(super-resolution optical fluctuation imaging,SOFI)技術(shù),就是利用熒光分子的閃爍特性,通過分時成像,重構(gòu)一組圖像序列的定位(SLM)或相關(guān)信息(SOFI)得到一幅超分辨圖像,導(dǎo)致時間分辨率較差,難以對某些活細(xì)胞內(nèi)納米尺度動態(tài)過程進(jìn)行成像。本論文針對SLM和SOFI兩種成像方法,重點研究如何提高超分辨成像速度,為研究活細(xì)胞內(nèi)動態(tài)過程提供新的技術(shù)方法。本論文的主要工作如下:1.提出一種結(jié)合受激輻射與單分子定位技術(shù)的快速超分辨顯微方法在SLM中,為了不降低單分子定位精度,同時縮短每幀圖像的曝光時間,需提高熒光分子的發(fā)光速率(單位時間內(nèi)單分子輻射的光子數(shù))。提出在熒光分子電子能級結(jié)構(gòu)中引入受激輻射過程,使之產(chǎn)生受激輻射信號;并將受激輻射與單分子定位技術(shù)結(jié)合,提出一種超分辨定位受激輻射顯微方法。理論計算結(jié)果表明受激輻射可提高熒光分子的發(fā)光速率幾十倍,在模擬結(jié)果基礎(chǔ)上,利用超分辨定位受激輻射顯微獲得了橫向30 nm和0.05 s的超高時空分辨率。2.利用統(tǒng)計理論分析,研究了SOFI圖像的信噪比與熒光閃爍參數(shù)之間的量化關(guān)系SOFI通過統(tǒng)計一組隨機(jī)閃爍圖像序列的累積量來突破光學(xué)衍射極限,其圖像值不是熒光分子所發(fā)射光子的強(qiáng)度,而是一個隨時間振動信號的統(tǒng)計量。傳統(tǒng)的圖像信噪比分析理論并不適用于SOFI技術(shù),對某些實驗現(xiàn)象無法給出物理解釋。利用統(tǒng)計理論分析SOFI圖像的信噪比;計算累積量信噪比與熒光閃爍的參數(shù):包括亮態(tài)幾率、相機(jī)幀頻與平均閃爍速率之比、光振幅和序列長度之間的量化關(guān)系,為SOFI實驗提供物理解釋和理論指導(dǎo);通過模擬SOFI圖像,驗證累積量統(tǒng)計噪聲是引起SOFI圖像非均勻現(xiàn)象的原因。3.提出基于標(biāo)準(zhǔn)差的解卷積優(yōu)化SOFI算法,提高超分辨成像速度2-10倍根據(jù)統(tǒng)計噪聲理論,有限長序列下累積量估計的誤差,致使重構(gòu)SOFI圖像出現(xiàn)嚴(yán)重的非均勻和非連續(xù)現(xiàn)象。利用統(tǒng)計方差公式,求得SOFI圖像每個像素的標(biāo)準(zhǔn)差,并將結(jié)果引入后續(xù)的Lucy-Richardson解卷積算法中作為迭代優(yōu)化的偏差閾值,達(dá)到抑制噪聲,提高圖像質(zhì)量的目的。模擬和實驗結(jié)果表明,在相同序列下,基于標(biāo)準(zhǔn)差的解卷積優(yōu)化SOFI方法,顯著提高了重構(gòu)圖像的均勻性和連續(xù)性;在同等圖像質(zhì)量下,該優(yōu)化算法可縮短圖像序列至原來的一半至十分之一,提高超分辨成像速度2-10倍。4.開展基于聚合物量子點的SOFI實驗小尺寸光閃爍聚合物量子點(semiconductor polymer dots,Pdots)具有高亮度、超強(qiáng)光穩(wěn)定性及優(yōu)異生物相容性等特點,適用于高時空分辨SOFI技術(shù)。開展基于Pdots的SOFI實驗,利用提出的優(yōu)化SOFI算法,處理Pdots標(biāo)記的子宮頸癌細(xì)胞(Hela細(xì)胞)內(nèi)微絲結(jié)構(gòu)圖像,利用50張原圖重構(gòu),提高寬場顯微圖像的空間分辨率約2.2倍。本論文工作的創(chuàng)新點是,提出一種結(jié)合受激輻射與單分子定位技術(shù)的快速超分辨顯微方法;利用統(tǒng)計理論分析,獲得了SOFI圖像的信噪比與熒光閃爍參數(shù)之間的量化關(guān)系;提出基于標(biāo)準(zhǔn)差的解卷積優(yōu)化SOFI算法,提高超分辨成像速度2-10倍。
[Abstract]:In recent years , a variety of super - resolution fluorescence microscopy techniques have been used to improve the resolution of the optical diffraction limit by 10 to 20 times , which is of great significance to understand the precise location and distribution of specific organelle , virus and protein in cells . This paper presents a method of optimizing SOFI based on standard deviation , which can improve the uniformity and continuity of the reconstructed SOFI image .
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP391.41

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本文編號：1982055