超高分辨率熒光顯微鏡中單分子識別和定位算法及抗漂移方法.pdf

1、1873年，德國物理學家Ernst Abbe發(fā)現(xiàn)由于光的衍射，傳統(tǒng)遠場光學顯微鏡空間分辨率極限大約在250 nm(Abbe極限)。上世紀90年代以來，開發(fā)了多種用于突破Abbe極限的光學成像新技術和新方法。在這些技術和方法中，單分子定位顯微鏡(single molecule localization microscopy, SMLM)，比如光活化定位顯微鏡(photoactivation localization microscopy，

2、PALM)和隨機光學重建顯微鏡(stochastic optical reconstruction microscopy，STORM)，基于識別和定位單分子熒光閃爍，可獲得20-30 nm的橫向分辨率和60-70 nm的軸向分辨率。
　　在 SMLM方法中，所探測的為單分子熒光事件，由于單分子熒光信號微弱，及背景和噪聲的存在，單分子事件的識別是一件富有挑戰(zhàn)的工作。本文提出了一個實時，健壯的單分子熒光識別和定位算法(SNSMIL)，

3、該算法基于光子探測過程中噪聲的內在特征(泊松噪聲)的分析，即使在高背景和不均勻背景的條件下，也能極大提高單分子熒光事件的識別精度。為了完成實時數(shù)據(jù)分析，開發(fā)了運行在圖形處理單元(GPU)上的軟件，實現(xiàn)了大規(guī)模并行計算，達到數(shù)據(jù)采集和分析的同步。
　　另一方面，一個典型的SMLM測量需要記錄1000-100000幀的圖片(成像速度為10-1000幀/秒),每次測量需要幾分鐘或更長的時間，由于力學弛豫，溫度變化等原因，樣品漂移(通常1

4、-10 nm/s)不可避免，而SMLM成像的目標是幾十納米的超高分辨率圖像，樣品漂移會降低圖像的分辨率，甚至使圖像失真，已經成為不可忽略的問題。本文提出了一個亞納米精度，低成本的抗樣本漂移的方法。該方法同時記錄熒光圖像和明場圖像，通過最小化明場圖像之間的歸一化均方根誤差(normalized root-mean-square error，NRMSE)，得到樣品的漂移量，該方法不僅可以用于測量完成后的漂移修正，也可以用于測量中的實時漂移補