摘要
光学显微成像技术作为活细胞动态过程的重要观测手段，对生物医学研究具有重要的意义。但光学衍射极限的存在限制了纳米尺度下亚细胞器及蛋白分子结构与动态过程的观测。近二十年来，各种超分辨光学显微成像技术的出现将空间分辨率提高到纳米尺度，主要有随机光学重构超分辨成像技术（STORM）、结构光照明显微技术(SIM)和受激辐射损耗技术(STED)，但目前这些技术仍然无法满足活细胞动态成像需要的纳米级空间分辨率、毫秒级时间分辨率、大视场、低光照功率和实时三维多色成像的综合要求，归因于以下三大技术限制:1）传统显微成像模型基于点到点的直接成像模式，这种信息获取方式采集大量冗余信息导致低的成像效率，从而制约空间分辨率、时间分辨率和视场三角关系;2)目前超分辨成像都需要累积一定程度的光子来获得高的分辨率与信噪比，这会导致活细胞成像的光毒性和光漂白。若要降低光子剂量就需要提高探测灵敏度;3）目前三维多色成像主要采用三维扫描和多个光谱通道扫描方式，这降低了三维和多色成像速度，无法真正意义上实现细胞器及蛋白分子在三维空间内相互作用的实时观测。 为了突破这三大技术瓶颈，需要挖掘并利用更多的目标信息来提高显微成像系统信息获取效率。对于传统显微成像方法，激发和荧光探测过程都是经典的，因此会受到经典成像的限制。当前量子技术的发展提供了新的物理量及新的成像模式，能够提高成像效率，突破经典成像的局限，这为超分辨光学显微成像技术的研究带来了新维度。因此，本文将新型的量子成像技术应用到传统荧光显微成像中，探讨并发展了两大基于量子关联的超分辨荧光显微成像技术，为超分辨荧光显微镜的发展提供新的思路和方法: 1)基于稀疏约束鬼成像的超分辨荧光显微技术（GISC-Nanoscopy）:本文提出将鬼成像与压缩感知相结合的GISC技术应用到宽场荧光显微成像中，利用鬼成像对光场强度随机涨落进行编码，再结合压缩感知对物体信息解码重构，实现图像信息高效获取。首先，搭建了GISC超分辨荧光显微镜，通过仿真和实验验证了该方法具有单次曝光超分辨成像能力，横向分辨率可以达到80nm。同时实现单次曝光143μm-2高定位密度，这一优势可以与STORM结合发展GISC-STORM，在保证25nm分辨率的同时，减少STORM采样帧数两个数量级，提高了超分辨荧光成像的速度。其次，为了进一步发掘GISC在快速三维超分辨成像的能力，仿真验证其单次曝光轴向分辨率可以达到150nm。并且可以实现20μm-2三维高密度定位，同样减少了三维STORM采样帧数两个数量级。最后，为了提高超分辨荧光成像的探测灵敏度，本文还提出将GISC超分辨成像技术与光子计数探测技术结合并发展GISC光子计数压缩感知成像算法，仿真验证了该方法可以利用荧光光子时空统计特性降低GISC-Nanoscopy所需的光子数一个数量级，并且同样光子数下，单分子定位精度要比STORM高1.6倍，定位密度比STORM高5倍。这种新型的GISC压缩感知调制编码成像模式在提升超分辨荧光显微镜的综合性能上具有一定的优势，有望满足活细胞动态成像的综合要求。 2)基于荧光量子相干的超分辨荧光显微技术:本文从荧光光源的发光机制出发，利用荧光光源作为非经典光源具有的量子性质，建立荧光量子相干统计模型，为宏观部分相干理论与荧光微观辐射机制提供一座桥梁。并且还提出了一种基于荧光量子相干性的超分辨显微成像技术，利用单光子雪崩探测器(SPAD)阵列统计荧光光子时间和空间涨落，提取荧光量子相干性，并从中准确估计出衍射极限下荧光光源空间分离距离。这种新型的量子增强成像技术能够充分发掘荧光量子时空涨落特性，有助于实现荧光弱信号下的快速超分辨成像。
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