光照观测仪

p　　6月1日，中国科学院条件保障与财务局组织专家在中国科学院生物物理研究所对中科院科研装备研制项目“非线性结构光照明超分辨显微成像系统”进行了验收。/pp　　该项目由中科院苏州生物医学工程技术研究所与生物物理所在2014年联合申报，其中苏州医工所作为研制单位，生物物理所作为用户单位。研制工作由苏州医工所研究员李辉课题组具体组织实施，2016年9月李辉课题组将研制的非线性SIM超分辨显微镜送至生物物理所进行测试试用。在本套系统中，课题组提出了基于结构光激活+结构光激发的弱光非线性结构光照明超分辨成像方法，并采用铁电液晶空间光调制器替代机械光栅，结合FPGA并行同步控制系统，实现了更灵活的成像方式和更快的成像速度。同时课题组开发了能够适用于弱信号样品的SIM/NL-SIM超分辨图像重建算法和软件。利用该设备对荧光微球、细胞内质网、线粒体、细胞核以及细胞骨架等生物样品进行观测，实现了线性SIM模式下100nm横向分辨率，非线性SIM模式下62nm横向分辨率。/pp　　专家组听取了项目工作报告、财务报告、用户使用报告，并进行了现场测试验收。经过现场测试并充分讨论后，专家组认为，项目各项技术指标均达到或优于实施方案要求，满足生物医学成像超分辨观测应用需求，一致同意“非线性结构光照明超分辨显微成像系统”通过验收。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/20efc081-6105-4bed-8fdd-1ed50217c97b.jpg" title="W020170606426930859631.png"/　　/pp style="text-align: center "中科院科研装备研制项目“非线性结构光照明超分辨显微成像系统”通过验收br//ppbr//p

对于生物医学研究，著名物理学家理查德费曼有句名言：“...很多基础生物学的问题是很容易被回答的；你只是需要看到它们就够了”。这句话一定程度上说明了直接观察的光学显微镜对于细胞生物学、发育生物学、免疫学、病理药理学等生物医学研究的重要性。但是受衍射极限的限制，传统光学显微镜的分辨率理论上只能达到光波长的一半。近20年来，超分辨荧光显微成像技术的出现有效打破了光学衍射极限的束缚。基于单分子定位技术的超分辨显微镜（SMLM）和受激发射损耗显微镜（STED）以及结构光照明超分辨显微镜（SIM）等技术在众多课题组的努力下都得到了长足发展，尤其是结构光照明显微镜由于成像速度快、光毒性小、无需特殊荧光标记等优势，已成为生命科学领域尤其是活细胞成像中最受欢迎的技术手段。近期，苏州医工所李辉课题组围绕着结构光照明超分辨显微成像方法、高保真SIM重构算法、以及国产化的SIM显微镜研制等方面取得了一系列重要进展。 　　三维成像方法因可以获取到更多的生物样品信息而备受关注。但是现有的三维成像不可避免的带来离焦模糊和时间分辨率差的问题，很难用于对样品的快速三维动态成像。为了实现对厚样品的快速三维成像，李辉课题组发展了基于数字微镜阵列器件(DMD)和液体变焦透镜（ETL）的结构光照明层切显微技术，并开发了基于两张原始图像的层切成像算法。该方法将传统的三维层切成像的速度提高了数倍以上，课题组利用该技术对斑马鱼和大脑血管的心血管系统进行了高速动态成像，清晰地显示了心脏跳动期的收缩-舒张过程以及腹部血管的蠕动特性。相关成果以“Four-dimensional visualization of zebrafish cardiovascular and vessel dynamics by a structured illumination microscope with electrically tunable lens”为题发表在Biomedical Optical Express（2020）上，其中博士生陈冲为论文第一作者。 　　图1 基于两张正反图像的结构光照明层切算法（左）；斑马鱼心脏跳动过程的快速三维成像（右）。 　　结构光照明超分辨成像技术在多种纳米尺度的亚细胞结构研究中已经得到广泛的应用。但是对于具有大动态范围的样本，例如聚集的细胞囊泡，样品中荧光较强的聚集性区域和亮度较弱的稀疏区域不能同时呈现。现有的SIM方法针对这种样品无法重建出高质量的图像。对此，李辉课题组提出了一种采用多重曝光采集的高动态SIM成像方法HDR-SIM，采集三组不同强度照明的SIM图像然后融合出一帧超分辨图像。用HDR-SIM，强度相差400多倍单个和聚集的荧光小球样本在同一张SIM超分辨图中可以同时观察到，并且对分辨率不会产生影响。在使用本方法观测不同尺度的细胞囊泡结构，单个小囊泡和大的囊泡聚集都可以同时获得清晰的分辨。相关成果以“High Dynamic Range Structured Illumination Microscope Based on Multiple Exposures”为题发表在Frontiers in Physics (2021)上，其中梁永为论文第一作者。 　　图2 高动态SIM成像原理（左）；“聚集-单个”的荧光小球高动态SIM成像（右）。 　　在结构光照明成像过程中，超分辨图像重建算法尤为关键。SIM重建算法的一些固有缺陷造成超分辨图像中经常出现重构伪影，使得SIM图像的保真度经常受到质疑，并且图像重建时需要完成一系列复杂的参数设定，限制着普通用户对SIM技术应用。李辉课题组开发了一种基于点频谱优化的高保真SIM重建算法。该算法有效克服了常规SIM算法极易产生重构伪影且光学层切能力差的问题，对不同质量原始数据的处理均能获得具有极少伪影和良好光学层切的高质量超分辨图像，有效提高了SIM成像的保真度。同时，该算法对OTF失配和用户自定义参数不敏感，使用生成的理论OTF和较少的参数即可重构高质量SIM图像，降低了SIM成像对实验实施和后处理重构的高要求，提升了算法对普通用户的友好度。相较于几种传统的SIM算法, HiFi-SIM算法对多种不同图像质量、不同样品复杂度、不同图像来源(商用设备/自主搭建SIM系统)的原始数据进行重建, HiFi-SIM均展现出了最少的重建伪影和最优的图像质量。相关成果以“High-fidelity structured illumination microscopy by point-spread-function engineering”为题发表在国际光学类顶级期刊Light: Science & Applications (2021) 上，其中文刚为论文第一作者。 　　图3 高保真结构光照明超分辨成像重建算法HiFi-SIM（左）；细胞结构HiFi-SIM与其他算法重建结果比较（右）。 　　李辉课题组自2014年以来一直专注SIM成像的技术创新、仪器研发和应用推广，开发了多种形式的结构光照明显微镜系统。最近，基于课题组最新的研究成果，研发了一套可集成于显微镜下层光路的结构光照明插件，具有结构紧凑、方便易用等特点。插件可配置国产倒置荧光显微镜，实现了SIM超分辨成像系统的国产化替代。首台机器已经于近期交付某大学用户进行试用。 图4 插件式结构光照明超分辨成像系统 　　以上工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金委项目的支持。

成果名称高精度高通量植物生长观测仪单位名称北京大学联系人马靖联系邮箱mj@labpku.com成果成熟度□研发阶段 &radic 原理样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产成果简介：该项目设计搭建一个用于观测植物表型的实验仪器，其中包括多个组件：高分辨率CCD和可调镜头组用来拍摄图片；平面光源用来提供不同波段的单色光照；气瓶和阀门等装置用来控制气体（如乙烯）的浓度；电动平移台用来实现实时观测过程中植物位置和观察角度的连续变化。以上所有组件与电脑相连接，在电脑软件&ldquo MatLab&rdquo 中编写程序，控制各组件的开关和运行，并在&ldquo MatLab&rdquo 中对拍摄得到的图片进行加工和处理，从而实现对拟南芥早期生长发育过程的高精度、高通量、自动化的实时观察和测量分析。主要的研究环节包括：1）使用高分辨率CCD、可调镜头组和平面光源作为图像采集系统，使用台式电脑和MatLab软件编写程序作为控制系统，实现对单一植物样品的自动化连续图像采集；2）使用MatLab软件编写图像处理程序，实现对植物图像中胚轴和根长度、顶端弯钩角度、子叶颜色变化的自动化识别和测量；3）在图像采集系统中加载电动平移台，在自动化的基础上，实现同时对多个植物样品的高通量图像采集；4）在图像采集系统中加载气流控制系统，实现气体处理（如植物激素乙烯）的加入和去除；5）在MatLab软件中改进和完善图像处理程序，在自动化的基础上，进一步提高识别和测量结果的精确度和可重复性。目前，基于以上设计的高精度高通量植物生长观测仪按期研制完成。自主开发了两种全新的图像处理程序，使电脑对植物图像中幼苗的长度和角度实现了自动化智能化的识别和测量，并达到了很高的精确度和可重复性，为关键技术突破。应用前景：样机已经在拟南芥黄化苗对植物激素乙烯的动力学反应研究中投入应用，取得相应成果，并在SCI期刊上发表文章。