弱光探測器的超分辨定位成像性能研究.pdf

1、近年來，基于單分子定位的超分辨定位顯微成像技術迅猛發(fā)展，已經成為人們在納米尺度研究微觀生物世界的重要工具，甚至有可能成為當前全球興起的腦研究計劃的關鍵技術支持。在超分辨定位成像過程中，熒光探針、弱光探測器和單分子定位算法是影響成像質量的三大因素。弱光探測器作為其中承上啟下的關鍵部件，將單分子信號特點準確地記錄下來，為后續(xù)定位算法提供高質量的圖像，是最終獲取高分辨率圖像的基礎和保障。因此，根據單分子信號特點選擇合適的弱光探測器以獲得最佳成

2、像分辨率將會非常重要，尤其是在一些超精細結構的研究中，分辨率的微小提升都有著重大意義。但是目前，還沒有人在嚴格的實驗數據質量控制和完善的數據分析方法下量化弱光探測器的超分辨定位成像性能。
　　本研究主要內容包括：⑴量化弱光探測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器性能需要全面綜合考慮單分子信號特點和定位算法的影響。并在此基礎上指出了之前相關實驗研究中存在的不

3、足，同時完善了探測器噪聲依賴的定位算法，為后續(xù)研究奠定實驗和分析方法基礎。⑵量化弱光探測器超分辨定位成像性能的實驗平臺。對用于探測器性能比較的光學系統(tǒng)做了針對性改進，以確保嚴格的數據質量控制。首先將探測信號平均分成兩條光路，并通過二次放大倍率匹配成像面像素尺寸都為100 nm，確保EMCCD和sCMOS能夠在幾乎相同的成像條件下進行同步采集；隨后對成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性和單分子成像性能進行表征，表明光學系統(tǒng)具備高質量單分子成像的能力，為弱光探

4、測器的超分辨定位成像性能研究提供實驗技術保障。⑶直觀、嚴謹地量化弱光探測器超分辨定位成像性能。結合不同噪聲模型的單分子定位算法，我們以單分子實驗定位精度為主要指標，在常規(guī)的超分辨定位成像實驗條件和信號強度下對EMCCD和sCMOS的成像性能進行比較。實驗結果表明：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、弱信號工作區(qū)間有比較明顯優(yōu)勢；然而隨著信號強度，尤其是背景強度的增加，EMCCD成像性能受到電子倍增額外噪聲

5、的影響，其成像性能降低，并逐漸被sCMOS超越；另一方面，對于EMCCD相機，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；但對于sCMOS相機，噪聲模型依賴的極大似然法在信號水平相對較低時（對應于大多數熒光蛋白的信號強度范圍），獲得的定位精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)極大似然法；通過這些實驗結果我們發(fā)現，sCMOS相機在探測器噪聲模型依賴的定位算法支持下，即使信號較弱時也能獲得與 EMCCD相似的成像性