本文關(guān)鍵詞：弱光探測(cè)器的超分辨定位成像性能研究

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【摘要】：近年來,基于單分子定位的超分辨定位顯微成像技術(shù)迅猛發(fā)展,已經(jīng)成為人們?cè)诩{米尺度研究微觀生物世界的重要工具,甚至有可能成為當(dāng)前全球興起的腦研究計(jì)劃的關(guān)鍵技術(shù)支持。在超分辨定位成像過程中,熒光探針、弱光探測(cè)器和單分子定位算法是影響成像質(zhì)量的三大因素。弱光探測(cè)器作為其中承上啟下的關(guān)鍵部件,將單分子信號(hào)特點(diǎn)準(zhǔn)確地記錄下來,為后續(xù)定位算法提供高質(zhì)量的圖像,是最終獲取高分辨率圖像的基礎(chǔ)和保障。因此,根據(jù)單分子信號(hào)特點(diǎn)選擇合適的弱光探測(cè)器以獲得最佳成像分辨率將會(huì)非常重要,尤其是在一些超精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究中,分辨率的微小提升都有著重大意義。但是目前,還沒有人在嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和完善的數(shù)據(jù)分析方法下量化弱光探測(cè)器的超分辨定位成像性能。本文圍繞該問題,結(jié)合當(dāng)前熒光探針以及定位算法的發(fā)展,對(duì)弱光探測(cè)器的單分子定位成像性能進(jìn)行直接、全面地比較,具體內(nèi)容如下： (1)量化弱光探測(cè)器超分辨定位成像性能的理論分析。通過分析熒光探針、弱光探測(cè)器、單分子定位算法之間的相互聯(lián)系,明確了比較弱光探測(cè)器性能需要全面綜合考慮單分子信號(hào)特點(diǎn)和定位算法的影響。并在此基礎(chǔ)上指出了之前相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究中存在的不足,同時(shí)完善了探測(cè)器噪聲依賴的定位算法,為后續(xù)研究奠定實(shí)驗(yàn)和分析方法基礎(chǔ)。 (2)量化弱光探測(cè)器超分辨定位成像性能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)用于探測(cè)器性能比較的光學(xué)系統(tǒng)做了針對(duì)性改進(jìn),以確保嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。首先將探測(cè)信號(hào)平均分成兩條光路,并通過二次放大倍率匹配成像面像素尺寸都為100nm,確保EMCCD和sCMOS能夠在幾乎相同的成像條件下進(jìn)行同步采集；隨后對(duì)成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性和單分子成像性能進(jìn)行表征,表明光學(xué)系統(tǒng)具備高質(zhì)量單分子成像的能力,為弱光探測(cè)器的超分辨定位成像性能研究提供實(shí)驗(yàn)技術(shù)保障。 (3)直觀、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亓炕豕馓綔y(cè)器超分辨定位成像性能。結(jié)合不同噪聲模型的單分子定位算法,我們以單分子實(shí)驗(yàn)定位精度為主要指標(biāo),在常規(guī)的超分辨定位成像實(shí)驗(yàn)條件和信號(hào)強(qiáng)度下對(duì)EMCCD和sCMOS的成像性能進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(i)若使用傳統(tǒng)的極大似然法,EMCCD因其具有更低的讀出噪聲,在低背景、弱信號(hào)工作區(qū)間有比較明顯優(yōu)勢(shì)；然而隨著信號(hào)強(qiáng)度,尤其是背景強(qiáng)度的增加,EMCCD成像性能受到電子倍增額外噪聲的影響,其成像性能降低,并逐漸被sCMOS超越；(ii)另一方面,對(duì)于EMCCD相機(jī),噪聲模型依賴的極大似然法提供的定位精度與傳統(tǒng)極大似然法相差不多,或者僅稍優(yōu)于傳統(tǒng)極大似然法；但對(duì)于sCMOS相機(jī),噪聲模型依賴的極大似然法在信號(hào)水平相對(duì)較低時(shí)(對(duì)應(yīng)于大多數(shù)熒光蛋白的信號(hào)強(qiáng)度范圍),獲得的定位精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)極大似然法；(iii)通過這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們發(fā)現(xiàn),sCMOS相機(jī)在探測(cè)器噪聲模型依賴的定位算法支持下,即使信號(hào)較弱時(shí)也能獲得與EMCCD相似的成像性能,有能力作為常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件下超分辨定位成像的最優(yōu)選擇。最后結(jié)合細(xì)胞生物樣品的超分辨定位成像實(shí)驗(yàn),通過比較超分辨重構(gòu)圖像的FRC分辨率,對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行了證實(shí)。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP391.41

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