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进入三维超分辨:GB-STED

已有 9574 次阅读 2016-1-18 09:36 |个人分类:STED|系统分类:论文交流| 三维, Bessel, gaussian, STED

进入三维超分辨:GB-STED

 

席鹏

2016-01-14


前面的博文里面我讲过了STED这一诺奖技术。该技术的核心是,用一束光制造一个空心光环----老外叫做甜甜圈donut“(老外咋那么多吃货呢)。有了这个donut光,将它套在原来的高斯PSF上,利用受激辐射作为擦除机制,即可实现把荧光的PSF缩小,也就提高了分辨率。

问题是,要想实现空心光环,特别是要越小越好的空心光环,绝非易事。目前,通常的做法是用一个0-2π的位相调制器,结合圆偏振光进行。这样的话:(1)对于光学上来说,2π的位相调制就回到了0,因此是一个螺旋式上升的连续结构;(2)这一位相调制无论从哪个角度剖开,都是一个0-π的台阶。

由于从透镜前端到焦点刚好是一个傅里叶变换: $F(u,v)=\iint f(x,y)e^{-i2\pi(ux+vy)}dxdy$

我们可以看到,当u=0,v=0时,中心就是对于所有这些复振幅的积分或求和。由于 $e^{i0}=1$ , $e^{i\pi}=-1$ ,这两者刚好相互抵消,因此中间的极大值变成了极小值,形成了非常美丽的面包圈结构。

1 STED通常0-2π采用涡旋位相光栅实现donut

这一看似美丽的数学解有一个脆弱的地方:对于生物成像,样品会带来新的位相调制。由于生物细胞中,所有细胞器的折射率分布变化大和散射特性不同,导致它们对每一个角度的位相都会产生影响。这个扰动一旦变大,donut中心就不再为零,STED将会擦除PSF的中心地带,导致分辨率不但不能有效提升,甚至可能会变差。一句话,donut 不零,STED不灵。这也是为什么大家看到很多漂亮的STED的成像结果,但都是二维图像的原因。

而另一方面,人们研究了一些抗干扰的光束,如Bessel光,Airy光等,并将其应用在光片成像、OCT等领域。Bessel光的核心是,通过一个axicon对高斯光束进行调制,可以实现一个针状的光分布,且这一针状光斑经过样品时,不会受到样品折射率变化的干扰。

2 Bessel光束调制原理。中心区域通过干涉增强实现了抗干扰的Bessel光。

由于STED最怕干扰的是中空donut,在此条件下,我们把axicon和涡旋位相波片结合起来,实现了一个中空的竹子状光束。这一光束同样具有self healing的效果。

3 Gaussian-Bessel STED焦点分布示意图。

接下来的工作就豁然开朗了:我们在琼脂样品上测试分辨率,发现在155微米的深度,我们能够达到和表面同样的分辨率。我们尝试了折射率失配的PDMS样品,发现能够达到100微米深度的超分辨。最后,我们制作了一个类脑白质的仿体,发现能够达到100微米的穿透深度,实现超分辨。

在过去,很多超分辨的工作受限于样品散射等因素,被局限在二维世界;能研究的样品只有一些细胞,和非常浅层的脑成像。我们希望通过这一技术,实现深层的组织超分辨成像。

相关成果被Laser& Photonics Reviews作为20161月的封面文章发表。北京大学物理学院施可彬课题组的于文韬同学为本文第一作者,施可彬研究员和席鹏研究员为共同通讯作者。该工作得到了973国家重点基础研究发展计划和国家自然科学基金委的支持。

Wentao Yu et al, Super-resolution deep imaging with hollow Bessel beamSTED microscopy, Laser & Photonics Reviews, 10, 147152,  2016.

 

相关链接:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.201500151/abstract

 

 




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