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生物成像

生物成像，是由光学物理、工程技术与生命科学等多学科深度交叉融合所形成的一门前沿技术学科。主要以波动光学和信息理论作为理论基础，以高灵敏度、高时空分辨率的探测系统与智能算法作为核心手段，来研究光与物质相互作用的精细机制，旨在突破传统光学成像的衍射极限，实现对生物样本从纳米到宏观尺度的多维度、动态可视化。

生物成像致力于发展和利用超分辨成像、三维层析、高速活体成像等一系列创新技术，揭示细胞与生物大分子的结构动态、相互作用网络及其功能调控规律，使研究人员能够在生命活动的天然状态下，以前所未有的清晰度观察、解析乃至定量测量生理病理过程。不仅推动了基础生命科学的范式变革，也为医学诊断、药物研发提供了强大的工具，正引领着观测生物学进入一个全新的时代。虽然以上成像手段都可以突破光学衍射极限，但是更高的空间分辨率，往往以牺牲时间分辨率、增加光损伤为代价。因此，在观测脆弱、动态的活细胞精细结构时，研究者们依然不得不在“看得清”、“看得快”和“看得久”之间做出艰难的妥协。开发能够同时兼顾高时空分辨率与低光毒性的下一代超分辨技术，仍是该领域面临的最严峻挑战。

结构光照明超分辨成像

结构光照明超分辨成像是一种通过特殊照明策略与计算重建相结合来突破光学衍射极限的超分辨成像技术，其核心原理在于利用结构化的照明光场（通常是正弦条纹图案）来编码样品的高频空间信息，再通过计算算法从采集到的图像序列中解码出这些高频信息，从而重构出分辨率超越传统宽场显微镜两倍以上的超分辨图像。结构光照明显微术通过空间光调制器等元件，将激光调制成一系列高对比度条纹图案投射于样品。这些结构光场与样品相互作用后，产生的莫尔条纹将高频结构信息“折叠”至低频区，从而被相机捕获。随后，系统采集多幅相位变化的原始图像，通过频域重构算法将混叠的频谱信息分离并重新定位，最终合成出视场大、速度快、横向分辨率可达约100 nm的超分辨图像。该技术光毒性与光漂白效应较低，兼容多种荧光探针，虽绝对分辨率不及STED或STORM等技术，但在活细胞动态成像中，在分辨率、速度与成本间取得了优异平衡，已成为研究细胞器互作、细胞骨架动力学等过程的强大工具。

图源：Spectral compressive structured illumination microscopy[J].Optics and Lasers in Engineering, 2025, 190(000).Huang Z , Yao Y , He Y ,et al

受激发射损耗超分辨显微成像

受激发射损耗（STED）超分辨显微成像基于点扫描原理，通过物理方式压缩荧光发光区域来突破光学衍射极限。该系统在共聚焦光路中引入两束激光：一束激发光使荧光分子发光，另一束环形损耗光（STED光）同步作用于激发光斑外围。通过受激发射效应，STED光强制外围荧光分子以非辐射方式返回基态，从而“关闭”这些区域的荧光。仅STED光环中心区域的分子能够正常发光，通过调节STED光强度可将该有效发光区域压缩至纳米尺度，其中STED光经过螺旋相位板产生涡旋光束，用于边缘部分荧光的淬灭。STED技术无需后期处理即可直接获得超分辨图像，具有成像速度快、适用于活细胞动态观测的优势。然而，该技术需要高功率损耗激光，且对系统稳定性要求极高。目前STED已成为研究细胞超微结构和生物过程的重要工具。

图源：Hu, Di , et al. "Autofocusing Airy beam STED microscopy with long focal distance." Optics Communications (2017):196-202.

高灵敏度单分子定位显微成像

高灵敏度单分子定位显微成像技术，以STORM和PALM为代表，其核心原理在于“时间分离”与“精确定位”。该技术通过高功率激光器（如405 nm、561 nm、640 nm）与特定荧光探针的配合，在任意时间点内仅随机激活视野中极少数的荧光分子发光，确保这些发光点之间的距离远大于光学衍射极限。随后，系统通过高数值孔径物镜（NA≥1.4）收集发射光子，并由EMCCD或sCMOS相机捕获单分子信号，通过二维高斯拟合算法以纳米级精度（通常达10-20纳米）确定每个分子的精确位置。通过连续采集数万帧图像，记录所有定位点并叠加重构，最终获得超越衍射极限的超分辨图像。STORM与PALM在实现路径上各有侧重：STORM依赖化学缓冲液调控有机染料的荧光状态，而PALM主要使用基因编码的光激活荧光蛋白。它们的共同优势在于空间分辨率极高，是目前最锐利的超分辨成像技术之一，但需配合高精度温控与防震平台以确保成像稳定性。

图源：桂丹,商明涛,黄振立.基于sCMOS相机的超分辨定位成像技术[J].中国激光,2018,45(02):206-213.

麓邦专注于生物成像领域的光机产品研发与制造，为客户提供从核心器件到完整系统的全套解决方案。产品设计充分考虑了实际使用环境，具备出色的稳定性和环境适应能力，模块化的架构设计让系统易于安装、调试和后期扩展。在结构光照明成像中，LBTEK提供的空间光调制器系列，包括DMD、SLM，可生成各种条纹图案，以满足不同结构光场的使用要求。在受激发射损耗显微成像STED中，螺旋相位板可以将入射的TEM00模高斯光束转换为“空心孔型”的拉盖尔-高斯强度分布，满足STED光的抑制要求。在单分子定位显微成像STORM/PALM中，高数值孔径的物镜可以收集更多光子，二向色镜可以用于激发和发射光路的分离。此外LBTEK还有高灵敏度相机，可用于各种点扫描光学成像。除了硬件产品，我们还提供完整的技术服务，包括光路设计咨询、系统集成实施、操作培训以及长期的技术支持，确保客户能够充分发挥生物光学成像光机产品的性能优势。

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