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如何实现光学超分辨(七) 精选

已有 20679 次阅读 2012-7-25 10:20 |系统分类:科研笔记| 光学, center, 如何

如何实现光学超分辨(七)

席鹏著

 

第七章    SSIM 疏影横斜水清浅

 

2011年的FOM闭幕式上,会议主席Fred Brakenhoff很遗憾地通知大家,Mats Gustafsson教授不幸因癌症逝世,享年51岁。
        2012年的FOM的副主题,就是纪念这个伟人和他带给这个世界的SSIM

什么是SSIM?全名Saturated Structured Illumination Microscopy,饱和结构光照明显微。在介绍SIM之前,可以给大家看一张非常典型的照片:

 在椅子背上,你看到了什么?不规则的条纹,对不对?这种条纹,如果你把图片放大,可以看到是由于椅子前后的网状织物叠加而成。在科学上,大家将其称为莫尔条纹

由于织物的网格比较密不容易被看到(频率高),莫尔条纹则比较粗容易被看到(频率低),因此如果知道B的结构,和A+B所叠加的莫尔条纹,将不能探测的高频转化为能探测的低频,就能够反推出A所携带的精细结构信息。这就是SIM的精义。如下图所示。

 

回顾另一种能够带来分辨率提升的、广为人知的技术:共聚焦。共聚焦通过一个点照明,加一个针孔实现分辨率提升。准确地说,由于在分辨率这个事情上,邻居总是给我们干扰,所以用一个针孔把邻居的光噪声给它挡上,就能够将分辨率提升。

共聚焦通过阻挡接收实现分辨率提升,而SIM则是通过给照明光一个调制实现分辨率提升。

能提升多少?共聚焦是1.4倍,因为即使针孔小到只有一个点,根据光路可逆原理,这个点到了样品上也有点扩展函数那么大,最终,共聚焦的点扩展函数就是激发光的点扩展乘以针孔点扩展。如果将SIM的结构调制通过共轭放在接收端,则SIM也是一个一维调制。进一步,通过从多个角度进行一维限制,可以最终得到二维的分辨率提升。目前,比较流行的是每隔120度进行一次。SIM可以提升2倍的分辨率

如果想进一步提升分辨率,则需要更细的线条。而前面我们讲过,用光学一次成像,所能得到的细线的粗细是受衍射极限限制的。解决的方案只有一个,那就是通过某一类的饱和机制,形成更细的线。这样,再加上SIM提升的2倍,就能够实现完全突破衍射极限的限制了。
    发张SIM的图片,给大家惊艳一下。

A wide-field microscopy image (left) and a superresolution structured illumination microscopy (SR-SIM) image (right) each shows actin (green) and tubulin (red) cytoskeleton in a primary chicken fibroblast. (http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=47750)

写到这里,我想很多人都会对超分辨显微这一领域跃跃欲试了。但是,你可能会觉得,自己没有相关的科研背景。有意思的是,Mats Gustafsson在他开始博士后研究时,并没有正规的光学训练。他之前是从事电子学的。他在接受采访时说:“我的电学背景让我对这个世界有一种独到的认识----我看问题喜欢从频域而不是空域。这是我成功的主要原因。”因此,如果你想从事一个你喜欢的行业,你的背景绝对不是问题。相反,不能下定决心、有了志向却不努力,才是影响你成功的主因。

Mats2005年就被诊断患有癌症。但是他天性乐观,对人友善,对科学却有一种执着的追求。2009年在波兰的FOM会议上,Mats做完plenary presentation后,(那个时侯他已经在这个领域赫赫有名了),有一个女士在路上向他问问题。他蹲在路边从行李中拿出一个笔记本,认真地在上面画示意图进行解释。

有一次一个科学编辑问他,是什么力量让他如此痴醉于科研?他说:“想像一下,你所处的世界是一个填字游戏。你站在这个游戏中间。你会开始用想象力去填它,还是会熟视无睹?”他停了一下,又说,“我无法想象让自己停下来不去填。这就是我为什么做科研的原因。”


Mats Gustafsson(1960-2011)。后面的篱笆是否让你联想到了SIM?

让我们纪念Mats,不仅因为他在科研上给我们带来了全新的方法造福人类,而且因为他的谦逊与执着,将照亮我们前行的路。

 

 

 

席鹏课题组文章链接:

我国STED超分辨工作在PLoS ONE发表

OE: 利用共聚焦实现DIC位相浮雕



https://blog.sciencenet.cn/blog-499502-595570.html

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