大焦深、高精度的三维空间点光源定位成像研究
批准号:
62105368
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
周勇壮
依托单位:
学科分类:
交叉学科中的光学问题
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
周勇壮
中文摘要
对单个点光源的精确定位成像及其催生的三维单分子示踪和超分辨率成像等技术不仅变革了人们研究分子输运、病毒侵染机理以及细胞结构的方式,也为表面化学、冷原子物理、微流控及"芯片实验室"等多个交叉领域的研究提供了新的手段。.然而受限于光的衍射,成像系统的点扩散函数只能在较小的焦深内维持高的信噪比,现有点光源定位成像技术的探测空间范围多局限于焦平面附近的一个“薄片”。本项目旨在提高三维点光源定位成像中的轴向指标,围绕成像系统焦深和轴向分辨率的矛盾展开研究。提出基于双路点扩散函数整形的成像方案,通过最大化点扩散函数所携带的空间坐标Fisher信息量获取最大的“量程-分辨率比”。.希望借此实现全细胞尺度十纳米精度无扫描三维单分子示踪和超分辨率成像;同时将探索点光源定位成像在离子阱表征中的应用,期望为离子阱(尤其是尚未成熟的芯片阱)的设计提供指导思路。
英文摘要
The precise localization of point emitters and its relevant technologies including single molecule tracking and super resolution microscopy has revolutionized our ability to study cell structures and cellular dynamics like molecule transfer and virus infection. It further provides new tools for research areas like surface chemistry, cold atoms, lab-on-a-chip or microfluidics..However, the point spread function of conventional imaging systems can only maintain high signal-to-noise ratio over a small axial range near the focal plane due to the diffraction of light. This project aims to study the tradeoff between the axial range and axial resolution in point localization microscopy to provide an imaging system with better axial performance. We propose an imaging strategy employing dual-channel PSF engineering, which maximizes the Fisher information of spatial coordinates in the point spread function; thus, to obtain the largest "range-to-precision ratio" possible..We hope to achieve whole cell single molecule tracking and super resolution imaging with xyz precision better than 10nm without the need of scanning. The application of point localization microscopy in the field of cold ions will also be exploited to study the periodic movement of Ca+ in linear trap, as we believe this would provide practical guides for the design of ion traps, especially for the ion trap in semiconductor chips.
光学显微成像受限于衍射,分辨率和探测焦深通常难以兼顾。本项目以空间光场调控为主要研究手段,围绕大焦深、高精度的点光源定位成像技术及其在冷原子等微观系统中的应用展开研究:(1)充分利用点扩散函数整形技术和4Pi荧光干涉技术的优点,提出4Pi双通道点扩散函数整形方案,并利用Fisher信息优化过程将大探测焦深和高轴向精度结合起来。(2)提出基于几何相位调制的螺旋点扩散函数,实现不依赖偏振分束且无色差的单分子定位定向显微镜,在不增加光学系统复杂度的同时拓展了光学系统的信息获取维度。(3)率先开展空间光场调控赋能的囚禁离子体系高精度荧光探测研究,通过将离子荧光调制成为双螺旋光场实现了单个钙离子三维受迫振动和多离子库仑晶体空间结构相变的直接观测。本项目提出的相关技术有望为生物医学成像、微流控“芯片实验室”、冷原子物理及量子信息等多个研究领域提供新的实验工具。项目执行期间发表Nature Communications等SCI期刊论文5篇,EI会议论文2篇,授权软件著作权2项,成果入选湖南省量子科技奖一等奖。
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