随机光学重构显微技术

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细胞生物学研究中的光学显微成像技术

细胞生物学研究中的光学显微成像技术

细胞生物学研究中的光学显微成像技术细胞生物学是研究细胞的结构、功能和生命活动的学科,而光学显微成像技术则是细胞生物学研究中的重要工具,它能够让科学家们观察细胞的内部结构和动态过程。

本文将从显微镜的发展、光学显微成像技术的种类、应用以及未来发展方向等方面来介绍细胞生物学研究中的光学显微成像技术。

一、显微镜的发展显微镜的发明者是荷兰人安东·范·李文虽,他在17世纪中期发明了简单显微镜和复合显微镜。

随着科技的不断进步,显微镜也慢慢发展出了多种类型,如透射电子显微镜、扫描电子显微镜等。

其中,光学显微镜是最为普及和常用的显微镜,可以分为普通光学显微镜、荧光显微镜和共聚焦激光显微镜等。

下面将详细介绍它们的原理和应用。

二、光学显微成像技术的种类1.普通光学显微镜普通光学显微镜是观察样品内部结构的最基本手段,其原理是通过透射光线将样品的细节放大展示在目镜或摄像机上。

它可以提供很好的分辨率,称为常规显微镜分辨率,但其分辨率的限制在0.2微米左右,无法揭示细胞和亚细胞级别的细节。

2.荧光显微镜荧光显微镜是一种基于光学、物理和化学原理的生物成像工具。

荧光显微镜在样品上引入荧光探针,激发这些探针后会发出荧光信号。

这些信号被收集并放大后成像,从而以非常高的分辨率观察细胞、亚细胞器和生物分子之间的交互作用。

相较于普通显微镜,荧光显微镜的分辨率可以达到10纳米级别。

在细胞生物学研究中,荧光显微镜广泛用于研究蛋白质定位、功能及它们在细胞中的交互和分布情况等众多的生物学问题。

3.共聚焦激光显微镜共聚焦激光显微镜是一种获得高分辨率图像的先进生命科学技术。

与其他显微镜不同,它可以得到最小0.1微米的分辨率,并且可以提供3D图像。

在共聚焦激光显微镜中,激光束可以经过扫描镜,打入荧光标记物中,并通过反射来汇集图像信息。

该技术可提供非常清晰和详细的图像信息,并用于研究坚硬且不透明的样品,如脑部组织切片。

三、光学显微成像技术的应用光学显微成像技术在广泛应用于细胞生物学研究中,主要应用领域如下:1. 细胞形态研究通过荧光显微镜可以观察到细胞的形态、大小和结构变化等,借此探究细胞生长、运动、增殖等过程。

STED与STORM显微成像技术的生物医学应用研究进展

STED与STORM显微成像技术的生物医学应用研究进展

• 344 •_杯遗传学朵志2U2U 年 12 月 15 H弟 4:3 卷弟 6 期 int J k n e t Uec. 15 ,202U, Vol. 43,No. 6•综述•STED与STORM显微成像技术的生物医学应用研究进展任万奎u董科显傅松滨“21哈尔滨医科大学医学遗传学研究室150081 ;2中国遗传资源保护与疾病防控教育部重点实验室(哈尔滨医科大学)150081通信作者:傅松滨,Email:fusb@em s•hrbmu•e d 【摘要】在生物医学研究中,显微成像仍是最常用的技术之一。

由于衍射极限的存在,光学显微镜的分辨率长期被限制在200 n m。

近年来,突破衍射极限的超高分辨率显微成像技术的发展与应用,推动了生物医学研究的进展。

本文主要对受激发射损耗(stimulated emis­sion depletion,STED) 和随机光学重建(stochastic optical reconstruction microscopy,STORM) 两类超高分辨率显微成像技术的成像原理、生物医学应用、优劣势比较及应用局限性进行探讨。

【关键词】STED;STORM;超高分辨率成像;显微成像技术;生物医学应用基金项目:中国遗传资源保护与疾病防控教育部重点实验室专项基金资助(LPHGRDC2020-003)D0I : 10. 3760/c m a. j. cn23 1 536-20200705-00055Research progress on STED and STORM microimaging techniques in biomedical applicationRen Wankui12,Dong Kexian1’2, Fu Songbin1,21Laboratory o f Medical Genetics,Harbin Medical University •,Harbin 150081,China ;2Key laboratory o fpreservation o f human genetic resources and disease control in China ( Harbin Medical University ) , Ministry o fEducation , Harbin 150081, ChinaCorresponding author : Fu Songbin , Email:fusb @ ems. hrbmu. edu. cn【A bstract】Microscopic imaging is still one of the most commonly used techniques for biologicalstudy. Due to the existence of diffraction limitation , the resolution of optical microscope has long been limit­ed to 200 nm. In recent years , the development and application of new imaging technologies have brokenthe diffraction limitation and promoted biomedical research significantly. This article mainly discusses theimaging principles , biological applications , comparison of advantages , and application limitation of super-resolution microscopy with stimulated emission depletion ( STED ) and stochastic optical reconstruction mi­croscopy (STORM ).【K eyw ord s】STED; STORM ;Super - resolution imaging ;Microimaging technique ;Biomedical ap­plicationFund program :Research Found of Key Laboratory of Preservation of Human Genetic Resources andDisease Control ( LPHGRDC2020-003 )DOI :10. 3760/c m a. j. cn23 1 536-20200705-00055显微镜根据照明源可分为光学显微镜和电子显微镜。

随机光学重构显微技术

随机光学重构显微技术

受激发射损耗显微技 术
饱和结构光照明显微 技术 随机光学重构显微技 术
20 (XY) 50 (Z)
50 (XY) 20 (XY) 50 (Z)
Inner Mongolia University
The Motivation Of STORM
STORM
high-accuracy localization of
xxinnermongoliauniversitycontentsbackgroundinnermongoliauniversitybackgroundfluorescencemicroscopywidelyusedcellbiologynoninvasivetimeresolvedimaginghighbiochemicalspecificitydespiteadvantagesstandardfluorescencemicroscopyultrastructuralimagingowingresolutionlimitsetlightinnermongoliauniversitybackgroundinnermongoliauniversitybackgroundcommonabbreviationsfullnamebestresolutionnmbreakdiffractionlimitclsm激光扫描共聚焦显微技术180xy500znsom近场扫描光学显微技20xyyessted受激发射损耗显微技20xy50yesssim饱和结构光照明显微技术50xyyesstorm随机光学重构显微技20xy50yesfluorescencemicroscopymethodsinnermongoliauniversitywwwsopptcnstormindividualfluorescentmoleculesoffusinglightdifferentcolorshighaccuracylocalizationindividualfluorescentmoleculesstorminnermongoliauniversitystormfig05sintegrationtimeseveralindividualcy3dyesattachedeachpeakvariesduenonuniformilluminationgaussiancurve?tsolidlinespsfcircledpsfverywell0994enabling13nminnermongoliauniversitystormfiguresinglemoleculeopticalswitchschematicdiagramsinglemoleculeswitchlowerpanel

光学显微技术在生物医学中的应用

光学显微技术在生物医学中的应用

光学显微技术在生物医学中的应用光学显微技术是一种基于光学原理的显微镜技术,它利用光的特性对微观结构进行观察和分析。

在生物医学中,光学显微技术被广泛应用于细胞观察、组织成像和病理诊断等领域,为医学研究和临床诊疗提供了有力支撑。

本文将探讨光学显微技术在生物医学中的应用。

一、细胞观察与分析光学显微技术可用于观察和分析生物细胞的形态、结构和功能。

通过显微镜观察细胞的形态,可以了解细胞的大小、形状等特征,进一步研究细胞的分裂、增殖和分化过程。

借助荧光显微镜,可以观察和分析细胞的染色体、细胞器和蛋白质等重要组成成分。

例如,通过荧光显微镜观察细胞内的特定荧光标记物,可以研究细胞的信号传导、蛋白质定位和分子交互等生命过程。

二、组织成像与研究光学显微技术在组织成像和研究中发挥着重要作用。

传统的光学显微镜可以对组织切片进行观察和分析,获取组织结构的详细信息。

同时,光学显微技术的快速发展也催生了一系列高级成像技术,如共聚焦显微镜、多光子显微镜和全息显微镜等。

这些先进的成像技术能够实现高分辨率、高对比度和三维成像,为组织的细节研究提供了更多可能性。

通过光学显微技术,研究人员可以观察体内器官、血管、神经系统等组织结构,并深入研究其生理功能和病理变化。

三、病理诊断与治疗监测光学显微技术在病理诊断和治疗监测中具备广阔前景。

通过对病理标本的显微镜检查,可以判断细胞和组织的健康状况,诊断疾病并评估病情。

例如,对肿瘤组织的显微镜观察可以判断肿瘤的类型、恶性程度和扩散程度,为肿瘤治疗提供依据。

此外,还可以通过多光子显微镜等技术实时观察治疗过程中的细胞和组织的变化,了解治疗效果并进行调整。

四、光学成像技术的发展趋势随着科技的不断进步,光学显微技术在生物医学中的应用将会更加广泛。

一方面,各类功能更强大的显微镜不断涌现,为生物医学研究提供更多的观察手段。

例如,超分辨率显微镜可以实现纳米级的成像,帮助研究人员更好地观察细胞内的细节。

另一方面,光学显微技术还可以与其他技术相结合,如光声成像、荧光标记等,进一步提高成像的灵敏度和特异性。

STORM和STED显微成像技术特点的比较

STORM和STED显微成像技术特点的比较

STORM和STED显微成像技术特点的比较宗艾伦;周迎生【摘要】随机光学重建显微镜(stochastic optical reconstruction microscopy,STORM)技术和受激发射损耗(stimulated emission depletion,STED)显微镜技术是近年来发展迅速的两种超分辨率荧光显微镜技术.这两种技术均提供超越传统荧光显微镜分辨率成像的功能,具有多色显像,三维成像以及活细胞内成像的潜力.在这篇综述中,我们关注两种技术荧光控制、激光强度等技术参数设定,同时结合样品制备、图像采集与处理等流程优化对比两者在分辨率、图像采集时间及具体应用中的优劣.STORM可获得更高的三维分辨率,但可能需要更长的图像采集时间.STED需要较高损耗光强度,却能在图像采集后立即生成超分辨率图像,不需要额外图像数据处理.最终,选择STORM和STED不仅取决于技术的具体应用,还取决于操作者优化各环节技术参数的能力,从而决定图像质量.【期刊名称】《中国实验动物学报》【年(卷),期】2019(027)001【总页数】4页(P115-118)【关键词】超分辨率荧光显微镜技术;随机光学重建显微镜;受激发射损耗显微镜【作者】宗艾伦;周迎生【作者单位】首都医科大学附属北京安贞医院内分泌代谢科,北京市心肺血管疾病研究所,北京 100029;首都医科大学附属北京安贞医院内分泌代谢科,北京市心肺血管疾病研究所,北京 100029【正文语种】中文【中图分类】Q95-33光学显微镜和电子显微镜,是研究亚细胞结构最常用的两大类显微镜技术。

光学显微镜可根据光源不同分为普通光、荧光、红外光显微镜等。

荧光光学显微镜以免疫荧光染色为技术基础,以荧光抗体为成像探针只选择与荧光抗体特异结合的结构进行成像。

光学显微镜分辨率定义为显微镜下可分辨两独立同亮度理想点光源间的最小距离。

因存在衍射,成像为光斑而非理想光点。

当两光点过于靠近,其像斑重叠时,无法将两点区分开,即光学系统中存在一分辨率极限。

光学显微技术在细胞观察中的应用

光学显微技术在细胞观察中的应用

光学显微技术在细胞观察中的应用细胞是构成生命的基本单位,它们的结构和功能对于生命的理解和研究具有重要意义。

然而,细胞的观察需要采用高分辨率的显微镜技术。

光学显微技术因其高分辨率、非侵入性和实时观测的特点,成为细胞观察中的重要工具。

本文将介绍光学显微技术在细胞观察中的应用,并讨论其在生物科学研究中的意义。

1. 原位细胞成像光学显微技术可以通过荧光染料、融合蛋白或基因编辑技术标记的标记物,实现对细胞内分子的跟踪观测。

例如,通过荧光染料标记各种细胞器,如线粒体、内质网和高尔基体,研究它们在细胞分裂、活动和运输等过程中的作用。

此外,利用基因编辑技术引入荧光标记,使得科学家可以观察特定基因的表达模式,研究其在细胞发育和功能中的作用。

2. 光学投射显微镜光学投射显微镜是广泛应用的一种光学显微技术,通过透射光观察样品的形态和细胞结构。

这种显微镜通过聚焦系统集中收集并放大光线,提供高质量的图像。

在细胞观察中,光学投射显微镜可以显示细胞核、细胞器和细胞膜等细胞结构,帮助科学家了解细胞的形态和功能。

3. 荧光显微镜荧光显微镜是一种重要的光学显微镜技术,利用荧光染料或荧光蛋白标记来研究细胞内各种分子和过程。

荧光显微镜与光学投射显微镜相比,具有更高的分辨率和对比度。

它可以检测和定位荧光标记的分子,例如细胞膜蛋白、DNA和蛋白质复合物等。

通过观察这些标记物在细胞中的位置和动态变化,科学家可以研究细胞的功能和信号传导等生物过程。

4. 共聚焦显微镜共聚焦显微镜是荧光显微镜的一种高级形式,它通过使用激光束扫描样品,并集中收集散射的荧光光子,以获取高分辨率和清晰的图像。

共聚焦显微镜能够观察到单个细胞的内部结构和细胞器的三维分布。

此外,共聚焦显微镜还可以进行分子动力学研究,例如观察细胞内分子的扩散速度和交互作用。

5. 电子显微镜虽然本文主要讨论光学显微镜技术,但电子显微镜也是常用的细胞观察工具之一。

电子显微镜使用电子束代替光束,具有更高的分辨率和放大倍数。

结构光照明超分辨光学显微成像技术与展望

结构光照明超分辨光学显微成像技术与展望
CHENTingai1,CHENLongchao2,LIHui1,YUJia1,GAOYufeng1,ZHENGWei1 (1.ResearchLaboratoryforBiomedicalOpticsandMolecularImaging,Instituteof BiomedicalandHealthEngineering,ShenzhenInstitutesofAdvancedTechnology, ChineseAcademyofSciences,Shenzhen518055,China; 2.Vivsentechnology(Shenzhen)CompanyLimited,Shenzhen518067,China) Correspondingauthor,Email:zhengwei@siat.ac.cn
摘要:结构光照明显微镜(StructuredIlluminationMicroscopy,SIM)通过结构化照明在频率域以空间混频的方式将物体高 频信息载入光学系统的探测通带内实现突破衍射极限的 超 分 辨 光 学 显 微 成 像。SIM 凭 借 其 较 低 的 激 发 光 强、对 荧 光 染 料的非特异性需求以及快速的宽场成像优势已成为活细胞超分辨光学显微成像方面应用最多的技术。本文系统回顾了 SIM的技术进展,对 SIM的基本原理与实现方法进了详细的分析,重点介绍了本课题组研发的基于光谱分辨的单光子激 发超分辨显微镜和结合自适应光学的双光子激发超分辨显微镜这两种最新的 SIM技术,最后简要讨论了 SIM技术在生 物成像中的应用及未来发展方向。 关 键 词:超分辨成像;结构光照明显微镜;光学传递函数 中图分类号:O436;O438.2 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20181103.0307
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微丝研究新方法

微丝研究新方法

微丝研究新方法微丝作为细胞骨架的重要组成部分,在细胞形态维持、物质运输、信号传导等方面发挥着关键作用。

近年来,随着生物技术的飞速发展,微丝研究取得了显著进展。

然而,由于微丝结构的复杂性和动态性,传统的研究方法往往难以揭示其精确的功能和调控机制。

因此,开发新的微丝研究方法对于深入理解细胞生物学和疾病发生机制具有重要意义。

本文将详细介绍一种新型的微丝研究方法,包括其原理、技术特点、应用前景等方面。

一、新方法原理该新方法基于超高分辨率显微成像技术和单分子操纵技术,通过对单个微丝分子的实时追踪和操纵,揭示微丝在细胞内的动态变化和功能。

具体原理如下:1.超高分辨率显微成像技术:利用超高分辨率荧光显微镜,如随机光学重建显微镜(STORM)或光激活定位显微镜(PALM),对细胞内的微丝进行高精度成像。

这些技术能够突破光学衍射极限,实现纳米级别的分辨率,从而清晰地观察到微丝的精细结构和动态变化。

2.单分子操纵技术:借助光学镊子、磁镊子或原子力显微镜等单分子操纵工具,对细胞内的单个微丝分子进行实时追踪和操纵。

通过精确控制微丝分子的位置和状态,可以研究微丝在细胞内的运输、聚合、解聚等动态过程,以及与其他细胞组分的相互作用。

二、技术特点1.高分辨率:利用超高分辨率显微成像技术,能够清晰地观察到微丝的精细结构和动态变化,为深入研究微丝的功能和调控机制提供有力支持。

2.实时性:通过单分子操纵技术,可以实现对细胞内单个微丝分子的实时追踪和操纵,从而揭示微丝在细胞内的动态变化和功能。

3.无损性:该方法采用非侵入式的光学成像和单分子操纵技术,对细胞无损伤,可长时间观察细胞内的微丝动态变化。

4.灵活性:该方法可与其他生物技术相结合,如基因编辑、荧光标记等,进一步拓展其应用范围。

三、应用前景该新方法在微丝研究领域具有广阔的应用前景,主要体现在以下几个方面:1.揭示微丝的功能和调控机制:通过实时追踪和操纵单个微丝分子,可以深入研究微丝在细胞内的运输、聚合、解聚等动态过程,以及与其他细胞组分的相互作用,从而揭示微丝的功能和调控机制。

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The Motivation Of STORM
Figure 3. STORM with photo-switchable fluorophores.(a) A STORM imaging sequence using a hypothetical hexameric object labeled with red fluorophores that can be switched between a fluorescent and a dark state by a red andgreen laser, respectively. All fluorophores are first switched to the dark state by a strong red laser pulse. In each imaging cycle, a green laser pulse is used to switch on only a fraction of the fluorophores to give an optically resolvable set of active fluorophores. Next, under red illumination, these molecules emit fluorescence until they are switched off, allowing their positions (white crosses) to be determined with high accuracy. The overall image is then reconstructed from the fluorophore positions obtained from multiple imaging cycles.
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The Advance Of STORM
Dual-objective STORM
Fig.5.Three-color STORM imaging of a model DNA sample. (A)Three-color STORM image of three different DNA constructs labeled with Alexa 405-Cy5, Cy2-Cy5,or Cy3-Cy5 mixed at a high surface density on a microscope slide. The image was plotted by rendering each localization as a Gaussian peak,the width of which was scaled with the theoretical localization accuracy given by the number of photons detected . Each colored spot in this image represents a cluster of localizations from a single DNA molecule.A conventional fluorescence image of the same area is shown in fig.S3 for comparison.(B and C)Higher-magnification views of the boxed regions in (A) show several examples of closely spaced DNA molecules.Each localization was plotted as a cross,colored according to the following code:If the molecule was activated by a 405-, 457-, or 532-nm laser pulse,the color of the cross was assigned as blue,green,or red,respectively.(D)The localization distributions of the blue,green,or red clusters. The two-dimensional histograms of localizations were generated by aligning multiple (50 to 60) clusters by their center of mass.The histograms were fit to a Gaussian profile to determine their FWHM.
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The Advance Of STORM
Multicolor Super-resolution Imaging 3D Super-resolution Imaging Dual-objective STORM
STORM
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The Motivation Of STORM
Fig. 1. PSF with 0.5-s integration time of several individual Cy3-dyes attached to a coverslip. (A) Theintensity of each peak varies due to nonuniform illumination. (B) A Gaussian curve-fit (solid lines) to the PSF circled in (A) fits the PSF very well (r 2 = 0.994), enabling the center to be determined to 1.3 nm.
Background
Fluorescence microscopy is widely used in molecular and cell biology for noninvasive, time-resolved imaging with high biochemical specificity. Despite these advantages, standard fluorescence microscopy is not useful for ultra-structural imaging owing to a resolution limit set by the diffraction of light.
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The Motivation Of STORM
Figure 2. A single-molecule optical switch (A) Schematic diagram of the single-molecule switch. (B) Lower panel: Alternating red and green laser pulses were used to switch the Cy5 molecule off and on, respectively. A weak, red probe beam (5 W cm−2) was constantly on (not shown). Upper panel: the fluorescence time trace of a single Cy5 shows that the molecule was switched between its two fluorescence states. (C) Lower panel: The red laser was continuously on, and the green laser was periodically turned on and off, effectively gating the fluorescence output of the Cy5. Upper panel: the fluorescence time trace of a single Cy5 shows the molecule being switched on and off by the green laser. (D) Fluorescence images of individual Cy5 molecules taken at times specified in (C). A video showing the switching behaviour is available online.
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Dual-objective STORM
Fig.4. Photo-switchable probes constructed from activatorreporter pairs. (A)Spectrally distinct reporters exhibit photoswitching behavior.(B) Switching rate constants kon and koff of the Cy3- Cy5,Cy3-Cy5.5,and Cy3-Cy7 pairs as a function of green and red laser power.(C)The same reporter can be activated by spectrally distinct activators. (D)Normalized activation rate constants of the three dye pairs at three activation wavelengths: 405, 457, and 532 nm.
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