项目名称基于空间光场调制的超分辨三维显微成像提名者和.PDF

项目名称：基于空间光场调制的超分辨三维显微成像 提名者及提名意见： 提名者：中国科学院西安光学精密机械研究所 提名意见：基于空间光场调制的超分辨三维显微成像项目由中国科学院西安光学 精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室历时十二年完成。该项目利 用空间光场调制技术来产生和调控照明光场，突破光学衍射极限对显微系统空间 分辨的限制，获取样品的多维度时空和色彩信息，取得了系列研究成果和技术发 明专利，其中基于数字微镜器件 （DMD ）光场调制的新型结构照明超分辨和光 切片三维显微方法和装置（简称D-SIM），为大尺度、高分辨、快速、彩色三维 显微成像提供了一种新的技术手段，已被国内外多家科研单位应用，在细胞生物 学、鼠脑神经网络结构、微小动物形态学等生物医学研究中发挥了重要作用，具 有广阔的应用前景。 提名国家技术发明二等奖。 项目简介 光学显微成像技术是人类认识微观世界、揭示生命奥秘的重要手段。看得更清、 更细和更深一直是光学显微成像技术的永恒追求。然而，光学衍射极限的存在成为光 学成像技术发展的一大阻碍。如何打破这个瓶颈，成为各国科学家竞相争夺的焦点。 美国将突破衍射极限列为21 世纪光学的五大研究计划之首；我国《十三五生物技术创 新专项规划》将超分辨生物影像技术纳入到重点突破的前沿关键技术；2014 年诺贝尔 化学奖授予超分辨荧光显微成像的三位科学家。这些足以体现超分辨光学显微成像技 术在当今和未来光学及生物医学等领域的重要性和前瞻性。 近二十年来光学超分辨显微成像技术已取得了巨大的发展，涌现出了许多超分辨成 像技术。但从实用的角度来看，以远场光学超分辨显微成像技术为主流，主要分为三大 类：即单分子定位技术PALM/STORM、受激发射损耗技术STED 和结构光照明显微技 术 SIM。PALM/STORM 属于一种依赖于荧光分子开关特性的间接图像重构技术，其分 辨率可以达到 10nm 以下，但其成像速度很慢。STED 是基于激光点扫描的直接成像技 术，它通过对激光焦点的调控，利用荧光分子的开关特性，可以将空间分辨率压缩到10nm 左右，但其较强的激发光会产生光漂白和光毒性，甚至破坏样品。SIM 是一种基于特殊 空间调制光场照明和面阵图像传感器直接探测的宽场成像技术，其分辨率一般在100nm 左右，但其成像速度比前两种快得多，而且它需要的光照剂量很小，避免了对样品的损 伤和干扰，更适合活体动态过程观测。因为SIM 在成像方式上与传统光学显微镜更兼容， 对荧光标记物无特殊要求，因此SIM 在生物医学领域具有更广阔的应用前景。 本项目在国家自然科学基金委、科技部、中科院等项目的支持下，经过12 年的基 础研究和技术攻关，形成了一系列围绕着解决光学显微成像分辨率、成像速度、成像 维度的核心专利技术和创新思想。发明了基于数字微镜器件（DMD）调制光场和LED 照明的结构光照明显微技术（D-SIM），分辨率达到 90nm 国际同类技术的最好水平， 三维成像速度比传统单点激光共聚焦显微技术提高 10 倍，首次实现了全彩色SIM 三维 显微成像。发明了国际首台基于贝塞尔光束的双光子激发激光扫描实时立体显微镜， 创造了微观世界的立体电影。发明了多种特殊设计光学元件产生空间调制结构光场的 新方法。相关成果已授权发明专利 9 项，申请美国专利 1 项；受邀编写《光学纳米显 微和新型显微技术》英文专著第二章“结构光照明显微”；受《光学学报》邀请，组稿 “超分辨成像”论文专辑。发表在 Scientific Reports 上的一篇论文，下载阅读量超过 2.6 万次，自2013 年发表以来，被引用量在所有65 篇同类技术的论文中排名第1，在 3306 篇与超分辨研究相关的论文中排名第41；维基百科全书引用我们Scientific Reports 上另一篇论文的图片来介绍专业词条。研究成果获2016 年中国光学工程学会技术创新 二等奖，获得中国科学院十二五期间重大标志性成果之一。研究成果使我国在超分辨 光学显微和三维成像技术方面跻身于世界先进行列；多次受邀在国际国内会议做邀请 报告；受到国内外专家积极评价，已被多家科研单位应用，在细胞生物学、神经生物 学、微小动物形态学等生物医学研究中发挥了重要作用，具有广阔的应用前景。研究 成果多次被中国科学报、人民网、科学网、中科院网、陕西电视台、西安电视台、陕 西日报、西安晚报等媒体报道，引起了广泛的社会关注，产生了良好的社会效