王中阳课题组：超分辨显微镜研究获进展

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中国科学院上海高等研究院宏观量子中心研究员王中阳课题组和中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学实验室研究员韩申生课题组合作，首次提出利用鬼成像方法加快超分辨率荧光光学显微镜的成像速度。新方法有望捕获细胞内以亚毫秒速度发生的生物过程。相关研究成果以Single-frame wide-field nanoscopy based on ghost imaging via sparsity constraints 为题发表在美国光学学会刊物OPTICA上（DOI: 10.1364/OPTICA.6.001515），并被美国光学学会（The Optical Society, OSA）作为高影响研究工作在发表的同时同步向媒体进行宣传推广。

　　超分辨光学显微技术通过克服光的衍射极限来实现纳米级的分辨率。尽管传统超分辨显微镜可以定位细胞内单个分子，并构建超分辨图像，但在活细胞中却很难使用，因为重建图像需要成百上千帧——这个过程太慢，无法捕捉快速变化的动力学过程。为了解决这个问题，该研究团队将随机相位调制器加入到荧光显微镜中实现荧光信号的编码，并结合鬼成像技术与随机测量压缩感知方法，大幅度提高图像信息获取效率，数量级地减少重构超分辨图像所需的采样帧数。研究结果表明，在高标记密度下只需要通过单帧荧光图像的采样就可实现80nm分辨率的超分辨光学成像。
　　此外，研究的新方法还与2014年诺贝尔奖三大超分辨率技术之一的随机光学重建显微镜(STORM)相结合，将STORM的采样帧数减少了一个数量级以上。研究结果显示成像一个60nm的环，该方法只用10帧图像就可以重构图像，而传统的STORM方法需要多达4000帧图像才能达到同样的效果。该方法还实现用100帧图像分辨40nm标尺。并且研究的超分辨成像显微镜不需要高的照明强度，这有助于减少光漂白和光毒性，有利于长时间的动态生物过程和活细胞成像研究。因此这项创新技术有望在生物、医学等超分辨显微成像研究领域得到广泛的应用。
　　文章的第一作者是上海高研院博士研究生李文文。该工作受到国家重点研发计划（“数字诊疗装备研发”专项）的资助。


      王中阳研究员，中科院上海高等研究院博士生导师、中科院“百人计划”获得者。曾先后任职于中科院上海光机所强光光学国家重点实验室、德国柏林Max-born研究所、英国牛津大学Clarendon实验室助、英国Surrey大学高等技术研究所、英国南安普顿大学混合光电子实验室。长久以来在激光传输物理，纳米量子结构和超快动力学，量子信息与计算，以及超分辨成像和存储等领域取得了重要的研究成果。


       韩申生 (量子成像学术带头人)，男，1960年生，研究员，博士生导师。中国科学技术大学本科及硕士毕业，中科院上海光机所博士毕业。国家“973”、“863”等项目课题负责人，国家863-804-3专家组成员。曾任中国科学院量子光学重点研究实验室主任，曾获上海市启明星、上海市学科带头人及中科院“百人计划”等人才培养项目支持。 早期的研究领域主要集中在基于超短超强激光装置的极高能量密度极端物理实验条件的建立和发展；极高能量密度状态下的强非线性过程和X光激光、X光位相成像技术研究。 近年来，研究方向为利用激光冷却原子技术的超冷强耦合等离子体物理和量子成像及其应用研究。和意大利Lugiato小组分别独立从经典与量子的角度出发，在理论上证明了普通经典热光源也可以实现强度关联成像，并提出将其应用于遥感领域的设想，将量子成像的应用范围推广到了X光波段。建成了国际上第一台激光三维强度关联成像工程原理样机以及基于位相掩膜的单帧曝光多光谱量子成像原理样机，在国际上首次实验演示了实际室外遥感场景中的激光三维强度关联成像和多光谱成像。2010年受邀担任美国能源部和自然科学基金委（DOE\NSF）超冷强耦合等离子体物理项目的评审人。目前从事的项目有强度关联遥感成像技术、超冷强耦合等离子体等。