基于空间光场调控的光片荧光显微研究

Light-sheet fluorescence microscopy provides an ideal tool for long-term observation of live biological specimens due to its unique properties, i.e., fast, volumetric imaging，low photobleaching, and low phototoxicity. The rapid divergence of traditional Gaussian light-sheet, generated by focusing an optical beam with a cylindrical lens or by scanning the focused laser spot, restricts the field of view and the axial resolution. Furthermore, the lateral resolution is determined by the diffraction limit. In order to solve these problems, a scheme of light-sheet fluorescence microscopy based on spatial modulation of optical fields is proposed in this project. By spatial modulations of amplitude, phase and polarization state of optical fields with liquid crystal spatial light modulator, “needle-like” optical fields will be generated and employed in light-sheet fluorescence microscope, which will have both large field of view and high axial resolution. Combined with structured illumination super-resolution technique, the lateral resolution will be improved without increasing the numerical aperture of the microscope objective. The project will contribute to further development and application of light-sheet fluorescence microscope with high temporal-spatial resolution and large field of view.

光片荧光显微因具有成像速度快、可三维层析成像、光漂白弱和光毒性小等优点，可用于活体生物样品的长时间实时成像。目前光片荧光显微系统大多使用高斯型光片场，系统的观测视场与轴向分辨率相互制约，大视场观测需以牺牲轴向分辨率为代价，且横向分辨率受到衍射极限的限制。为了解决这些问题，本项目提出一种基于空间光场调控的高分辨大视场光片荧光显微方法。拟利用液晶空间光调制器对照明光场的相位、振幅和偏振等参量进行调控，产生一种“针状”光场用于光片荧光显微，在不损失系统轴向分辨率的前提下扩大系统的观测视场。结合结构光照明超分辨成像技术，拟在不改变显微物镜数值孔径条件下提高整个光片荧光显微系统的横向分辨率。本项目的研究可以为高时空分辨率、大观测视场的新型光片荧光显微镜的开发和应用打下基础。

光片荧光显微具有成像速度快、光损伤小和层析成像的优点，是活体生物样品长时间显微成像观测的理想工具。研究团队历时三年技术攻关，研制出了基于空间光场调控的光片荧光显微成像系统；提出了一种快速计算轴平面具有特定强度分布目标场的相位全息图算法，实验生成了聚焦高斯光束阵列；理论提出并实验得到了贝塞尔光束互补光束，生成了大视场均匀的理想薄光片；解决了空间分辨率与成像视场相互制约的问题，对荧光小球、跳甲、神经元等样品进行了三维显微成像。完成了全部计划研究工作，为高时空三维显微成像提供了一种新的工具。项目执行期间取得了一些科研成果，发表SCI收录论文十余篇，特邀综述论文二篇，EI收录论文二篇。项目负责人做国内会议邀请报告一次，国际会议英语口头报告和国内会议口头报告各一次。研究团队荣获2019年中国光学科技奖三等奖和陕西省科学院科学技术一等奖。项目组成员一人荣获“陕西省青年科技新星”称号。博士研究生获2019年中国光学学会学术大会“优秀学生报告奖”及第四届国际光子学和光学工程学术会议“最佳海报奖”。