课题基金 / 基金详情

基于石墨烯基光学生物传感器的高特异性显微成像研究

批准号:
12074203
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
杨勇
依托单位:
学科分类:
与光学有关的交叉领域
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨勇

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
无标记成像技术克服了荧光标记物的干扰,实现以无损、非侵入方式动态观测活细胞内部结构和细胞生理过程,已成为研究活细胞生物过程的重要技术手段。石墨烯基折射率显微成像技术是一种无标记显微成像技术,具有分子水平的灵敏度和亚波长量级空间分辨率,已应用到癌细胞筛选、细胞耐药性检测等领域。针对现有技术存在无法对目标靶分子进行特异性识别的问题,本课题提出了“细胞折射率显微特异性”的科学假说,并进行下列研究:研究细胞内分子结构变化诱导细胞折射率变化的新机制;构建折射率显微结果与荧光显微结果之间的映射关系;利用基于深度学习算法的虚拟染色技术,实现用细胞折射率显微图像对特异性目标分子分布规律的预测,并以荧光显微图像的形式输出。通过上述研究获得无标记、高灵敏度、高特异性、高空间分辨率细胞显微成像技术的理论和实验方法。该技术具有替代现有荧光显微成像技术的潜力,为在分子水平研究细胞生命活动提供重要研究手段。
英文摘要
The label-free imaging technology overcomes the interference of fluorescent markers, and realizes the dynamic observation of the internal structure and cell physiological process of living cells in a non-destructive and non-invasive manner. It has become an important technical means to study the biological processes of living cells. Microimaging technology of Graphene-based cell refractive index is a label-free micro-imaging technology with molecular-level sensitivity and sub-wavelength spatial resolution. It has been applied to cancer cell screening, cell drug resistance detection and other fields. However, this technology has a problem that the target molecule cannot be specifically identified. For this reason, the scientific hypothesis of "microscopic specificity of cell refractive index" is proposed in our research, and the following researches are carried out. Firstly, we need research the new mechanism of changes in the refractive index of the cell caused by the changes in molecular structure of intracellular compounds. Secondly, we need build the mapping relationship between microscopic results of refractive index and microscopic results of fluorescence. At last, we need to use virtual staining technology based on a deep learning algorithm to achieve accurate prediction about distribution law of specific target molecule by using dynamic cell refractive index microscopic images. The above researches will obtain the theoretical and experimental methods of cell microscopic imaging technology with label-free, high sensitivity, high specificity and high spatial resolution. This technology has the potential to replace the existing fluorescence microscopic imaging technology, and provides an important research tool for studying cell life activities at the molecular level.
细胞折射率显微成像技术作为一种无标记、非侵入式的显微成像手段,对构建生物模型、研究细胞结构、监测细胞生化过程具有重要意义。然而现有的折射率成像技术普遍存在空间分辨率低、探测灵敏度低和探测深度小等问题。我们提出采用汇聚光斑扫描成像的方法,不仅可实现超分辨的细胞显微成像,还可从生物分子水平对细胞内发生的生化过程进行实时监测。本项目实现了一种基于二维振镜扫描的折射率显微成像方法,对二维振镜、信号发生器、数据采集卡等仪器与光学器件进行光机联动测试扫描,通过二维振镜控制光束进行扫描。针对普通的宽光束聚焦光线角度不一致而导致系统无法持续处于全内反射状态这一问题,本文设计了一种具有可调光束直径和极细光环厚度的环形矢量光束,调节光束直径可控制入射光的聚焦角度,同时极细的光环厚度保证了入射光在极小角度聚焦,将系统的折射率灵敏度提升至1.156×10^-6RIU;为提升系统空间分辨率,本文利用涡旋波片的偏振特性将光线调制为了一束入射为柱矢量光、反射为线偏振光的特殊光束,实现了对反射光束水平偏振与垂直偏振的差分探测,提升了系统的稳定性,并将系统的空间分辨率提升至267nm。首次阐述了“折射率显微特异性”这一概念,同时提出了一种基于深度学习的虚拟染色方法,该方法可以实现由明场显微图像预测出相应的虚拟染色图像,此外还发展了一种大量程绝对折射率传感方法和完全消除光源强度漂移影响的传感方法,并发展了基于光学表面波折射率传感的宽带光声显微成像系统,提出了一种宽带光声谱分析的方法,并利用该方法实现了人体结直肠早期癌变组织和小鼠口腔癌变组织的精准识别。上述成果将成为在生物分子水平研究细胞生命活动的一种重要研究手段,在研究细胞代谢、生长、凋亡、药物应答、疾病诊断等领域具有重要的潜在应用价值。
基于Airy光束的弯曲轨道光束成像技术及其应用研究
  • 批准号:
    11474171
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    杨勇
  • 依托单位:
国内基金
海外基金