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用SPAD23在共聚焦顯微鏡中實(shí)現(xiàn)波動(dòng)對比度的超分辨率

昊量光電 ? 來源:昊量光電 ? 作者:昊量光電 ? 2023-02-23 14:03 ? 次閱讀

用SPAD 23在共聚焦顯微鏡中實(shí)現(xiàn)波動(dòng)對比度的超分辨率

在過去的 20 年里,遠(yuǎn)場光學(xué)顯微鏡已經(jīng)跨越了以阿貝衍射極限為代表的一度難以逾越的分辨率障礙 ,開發(fā)多種成功的方法,如受激發(fā)射損耗(STED) 、單分子定位方法(PALM 和 STORM) ,結(jié)構(gòu)照明顯微術(shù)(SIM)和超分辨率光學(xué)波動(dòng)成像(SOFI),這要?dú)w功于圖像傳感器技術(shù)的改進(jìn)以及單分子光譜學(xué)的巨大進(jìn)步。

在這里,我們提出了一種新的顯微技術(shù),它利用 SPAD23陣列探測器的超高時(shí)間分辨率來測量熒光波動(dòng)引起的相關(guān)性。在 ISM 架構(gòu)中測量的這種相關(guān)性,然后被用作具有高達(dá) 4倍增強(qiáng)橫向分辨率和增強(qiáng)軸向分辨率的超分辨率圖像的對比度。僅用幾毫秒的像素駐留時(shí)間就可以獲得高信噪比的超分辨率圖像。

單光子探測器陣列SPAD23技術(shù)源于代爾夫特理工大學(xué)和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 7 年的研究工作和 6 項(xiàng)獨(dú)特技術(shù)。它是由23個(gè)六角形封裝的單光子雪崩二極管組成的探測器陣列(SPADs),具有更高的靈敏度和更低的噪聲。這款單光子探測器陣列SPAD23在其寬探測譜段內(nèi)擁有>50%的探測效率,<100cps的暗計(jì)數(shù)水平,且因其獨(dú)特的半導(dǎo)體工藝及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了前所未有的填充因子>80%。這款帶有時(shí)間標(biāo)記功能(Time Tagging)的SPAD23整體尺寸只有信用卡大小,是熒光顯微和量子信息領(lǐng)域的理想探測工具。

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得益于SPAD23單光子陣列探測器的優(yōu)異性能,在與共聚焦顯微鏡搭配使用的過程中,增加了光的收集,最終獲得了更清晰、更明亮的圖像,其中還包含有關(guān)潛在分子功能、相互作用和環(huán)境的功能信息。

下圖提出了一種超分辨光學(xué)起伏圖像掃描顯微術(shù)的方案;設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)共焦顯微鏡的圖像平面中的針孔和單像素檢測器被替換為 23 像素的 SPAD 陣列,SPAD23單光子陣列探測器,增加了光線收集,提高了成像速度,減少了背景噪音,能夠在共聚焦顯微鏡中實(shí)現(xiàn)波動(dòng)對比度的超分辨率。

當(dāng)掃描樣品臺(tái)時(shí),每個(gè)光子的檢測時(shí)間記錄在相連的 FPGA 電路中,并以數(shù)字形式存儲(chǔ)。然后分析該數(shù)據(jù),為陣列中的每個(gè)像素對產(chǎn)生第二個(gè)相關(guān)圖像,產(chǎn)生 232個(gè)分辨率增強(qiáng)為 2 的相關(guān)圖像。如下圖b所示分辨率的提高可歸因于兩個(gè)因素。首先,如在 ISM 中一樣,每個(gè)小探測器的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)(PSF)是激發(fā)和其探測 PSF 的乘積。此外,從兩個(gè)這樣的 ISM PSFs 相乘得到的相關(guān)對比度實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的變窄。在對圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)以使其相互重疊之后,這一過程被稱為像素重新分配,我們在空間頻率域中應(yīng)用傅立葉重新加權(quán)濾波的最后階段。理論上,最終 SOFISM 圖像的 PSF 具有超過衍射極限 4 倍的橫向分辨率增強(qiáng)。

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圖C展示了 SOFISM,對相對稀疏的單個(gè) CdSe/CdS/ZnS核/殼/殼量子點(diǎn)(QDs)的樣品進(jìn)行成像。除了由于衍射造成的模糊之外,標(biāo)準(zhǔn)的共焦圖像(CLSM)包含大量的噪聲,這是由于量子點(diǎn)的發(fā)射強(qiáng)度在亮和暗狀態(tài)(閃爍)之間的波動(dòng)造成的。生成標(biāo)準(zhǔn) ISM 圖像的分辨率提高了 2 倍,同時(shí)噪聲水平明顯降低,通過像素重新分配達(dá)到平均水平。或者,通過計(jì)算熒光信號的二階相關(guān)矩陣,然后重復(fù) ISM 過程的剩余部分(像素重新分配和傅立葉重新加權(quán)),產(chǎn)生分辨率提高 2.5 倍的更清晰的圖像。我們注意到,這個(gè)數(shù)字低于理論預(yù)測的數(shù)字,可能是由于探測器的有限尺寸、樣品振動(dòng)和其他技術(shù)方面的原因。

最后,還可以生成互相關(guān)階數(shù)高于 2 的 SOFISM 圖像;上圖C展示了來自相同場景的 4 階相關(guān)圖像,產(chǎn)生橫向分辨率的 4倍增 強(qiáng)。 在類似的實(shí)驗(yàn)條件下,盡管檢測方案有些麻煩,SOFISM 已經(jīng)被證明在軸向分辨率上提供了 2 倍的改進(jìn),雖然一些成熟的超分辨率技術(shù)已經(jīng)被生命科學(xué)研究團(tuán)體采用并取得了巨大成功,但是 SPAD 陣列技術(shù)的最新進(jìn)展為可以針對特定需求提供超分辨率解決方案。SOFISM 可以提供一種實(shí)驗(yàn)上簡單的方法,在合理的曝光時(shí)間內(nèi)提供顯著的 3D 分辨率增強(qiáng),并且沒有顯著的實(shí)驗(yàn)復(fù)雜性。

對于設(shè)備定制像素,我們完全符合您的需求 - 我們喜歡挑戰(zhàn)!為此,我們與業(yè)內(nèi)一些最優(yōu)秀的供應(yīng)商密切合作歡迎大家來電咨詢。

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關(guān)于昊量光電:

上海昊量光電設(shè)備有限公司是光電產(chǎn)品專業(yè)代理商,產(chǎn)品包括各類激光器、光電調(diào)制器、光學(xué)測量設(shè)備、光學(xué)元件等,涉及應(yīng)用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學(xué)研究、國防、量子光學(xué)、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等;可為客戶提供完整的設(shè)備安裝,培訓(xùn),硬件開發(fā),軟件開發(fā),系統(tǒng)集成等服務(wù)。

審核編輯黃宇

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