Smart Computational Imaging (SCI) Lab
智能计算成像实验室
Prof. Youngtao Liu | 刘永焘
Professor at Nanjing University of Science and Technology(NJUST)
Office: A562,School of electronic and optical engineering(EOE),NJUST
E-mail: Yongtao.Liu@njust.edu.cn
Group Leader
组长简介：
刘永焘教授，博士毕业于悉尼科技大学，毕业后在悉尼科技大学从事博士后研究工作。2022年初回国加入南京理工大学电光学院智能成像实验室。被聘为青年教授。主要从事现代光学成像（超分辨光学成像和多光子成像等）、纳米光子学、纳米传感和表征及相关技术在生物医学方面的应用。先后在 Nature Communications, Nature Nanotechnology, Nature Photonics, Advanced Materials, Small, ACS Nano, Nano Letter等国际权威学术期刊发表文章二十余篇。多次受邀国际学术报告，并受邀担任激光光学和光子学(LOP)国际会议国际组委会委员。
Google scholar: https://scholar.google.com/citations?hl=en&user=fxwk6xkAAAAJ
ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Yongtao-Liu-4
Hongjun Wu | 吴洪军
teacher at Nanjing University of Science and Technology(NJUST)
E-mail:wuhongjun2022@njust.edu.cn
teacher
教师简介：
吴洪军，讲师，博士就读于北京协和医学院（清华大学医学部）。从事激光医学的基础和应用研究，主要致力于显微成像在生物医学中的应用研究，实现类器官、细胞器亚细胞结构与功能分析。先后在Chinese Chemical Letters、IEEE Access、Lasers in Medical Scinence等国际权威学术期刊及核心期刊发表学术论文多篇。
Light Sheet
光片荧光显微（Light-SheetFluorescence Microscopy，LSFM），也被称作选择平面照明显微（SPIM）或正交平面荧光光学切片显微术（OPFOSM），是一种新型的三维显微成像技术。光片成像的特点是有两个光路，第一个光路是照明光路，主要用于生成光片对样品进行激发形成荧光。因为光片是对一个面而且每次只对某单独的一个面进行激发，所以能够显著提高对比度并且减少光毒性和光漂白对样品的影响；第二个光路是探测光路，探测光路主要是对激发的荧光进行收集，并通过探测器采集生成图像，同时利用变焦透镜或者压电平移台来进行三维成像
光片的生成是光片荧光显微成像技术的核心, 目前主要分为柱面镜聚焦和光束扫描生成两类，选择平面照明显微(SPIM)是第一种光片荧光显微技术,图(a)所示,它使用柱面镜聚焦生成光片。光束扫描光片显微技术如(b)所示,它用扫描振镜快速扫描激光束,并经过显微物镜聚焦后可生成一个动态虚拟的光片。光束扫描生成光片方法生成的光片场强度分布更均匀并且光束扫描结合激光时空参量调控可以生成不同类型光片场,例如贝塞尔光片、艾里光片等特殊类型光片场,提升系统的成像性能
STROM
单分子定位显微成像技术（Single Molecule Localization Microscopy，SMLM）是通过调控荧光分子的发光数量使得衍射受限区域内的荧光分子彼此分开，然后通过定位单个荧光分子来实现超分辨成像，其基本原理如下。
使用特定的荧光分子探针标记样品，通过改变分子所处的外部环境有效控制其光开关特性，将空间上重叠的多分子荧光图像分离为一系列子图像，使得每一帧子图像中只有少量稀疏分布的单分子发射荧光，也就是使得每个衍射极限范围内只存在一个发荧光分子，采集成千上万帧荧光信号随机分布的图像，利用单分子定位算法确定每个分子的中心位置，最后将所有获得的定位点进行叠加，重建出一幅突破衍射极限的超分辨图像。
STED
受激发射损耗荧光显微技术（Stimulated Emission Depletion，STED）是第一个突破光学衍射极限的远场显微成像技术，采用两束激光同时照射样品，其中一束激光用来激发荧光分子，使物镜焦点艾里斑范围内的荧光分子处于激发态；同时，用另外一束中心光强为零的环形损耗激光与之叠加，使物镜焦点艾里斑边沿区域处于激发态的荧光分子通过受激辐射损耗过程返回基态而不自发辐射荧光，因此只有中心区域的荧光分子可自发辐射荧光，从而获得超衍射极限的荧光发光点
具体过程如图B所示，首先，一束激发光将艾里斑范围内的荧光分子从基态单线态（S0）进入其第一激发单线态电子态（S1），然后处于较高振动态的电子通过振动弛豫很快跃迁至第一激发态的最低振动态。
随后，一束STED光将艾里斑周边处于激发态的荧光分子退激发，从而跃迁至基态的较高振动态，通过振动弛豫回到基态最低振动态S0。由于振动弛豫的速率要远大于荧光辐射速率，因此处于基态较高振动态的电子迅速跃迁回基态最低振动态而避免出现二次激发，受激辐射过程就占绝对优势。
这样，就只有艾里斑中心处于最低激发态S1的荧光分子能通过自发荧光辐射的过程跃迁至基态S0而自发辐射发射荧光。
Two-photon microscope
双光子荧光显微镜是结合了激光扫描共聚焦显微镜和双光子激发技术的一种新技术。双光子激发的基本原理是：在高光子密度的情况下，荧光分子可以同时吸收 2 个长波长的光子，在经过一个很短的所谓激发态寿命的时间后，发射出一个波长较短的光子。双光子激发需要很高的光子密度，为了不损伤细胞，双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。
双光子荧光显微镜的优势：
1. 长波长的光比短波长的光受散射影响较小容易穿透标本；
2. 焦平面外的荧光分子不被激发使较多的激发光可以到达焦平面，使激发光可以穿透更深的标本；
3. 长波长的近红外光比短波长的光对细胞毒性小；
4. 使用双光子显微镜观察标本的时候，只有在焦平面上才有光漂白性和光毒性。所以，双光子显微镜比单光子显微镜更适合用来观察厚标本、更适合用来观察活细胞、或用来进行定点光漂白实验。
将双光子显微镜与深度学习神经网络结合，将有宽场显微镜获得的低分辨图像与双光子显微镜拍摄到的超分辨图像交由神经网络进行训练，最后训练完成的神经网络可以实现输入低分辨图像，输出对应超分辨图像的功能
本课题组组长前期工作介绍
成果一：远场转移的实时超分辨示踪成像技术
1. 首次发现单纳米颗粒的近场自干涉效应。
2. 开发了远场转移的自干涉超分辨3D示踪成像技术，该技术突破衍射极限的限制，首次实现了实时超分辨示踪，是目前世界上速度最快，精度最高（sub_1nm）可达亚纳米级别的实时超分辨示踪成像技术。该成果以第一作者的身份发表在Nature Communication（2021）上。
成果二：“数字化”量化单个外泌体表面肿瘤标志物
1. 首次实现了对单个外泌体肿瘤标志物的定量标记和特异性识别检测。
2. 实现了对大量sEV的肿瘤标志物超灵敏定量检测，比标准的酶联免疫吸附试验 (ELISA) 高出近三个数量级。
3. 利用上转换荧光纳米探针的非线性饱和特性，成功突破衍射极限。实现了46nm的超分辨成像结果。
4. 可以实现临床监测整个癌症进展或癌症治疗过程。
5. 该成果以共同第一作者的身份发表在光学顶刊eLight（2022）上。
成果三：异构编码的多通道多模态超分辨成像技术
1. 首次实现受激辐射超分辨技术与多能级镧系的有效结合，实现了216种编码解析超分辨技术。
2. 成功突破衍射极限实现了在衍射极限（200nm）以内四个光学维度的多模态超分辨荧光成像技术。
3. 该成果以第一作者的身份发表在Nature Communications（2021）上。
4. 实现世界上最小（200nm）的单点多色RGB荧光光源。
成果四：红外深组织类组织器官细胞超分辨
1. 首次结合无衍射光束和红外探针，实现了类器官55um深的衍射极限内超分辨成像，成像分辨率小于100nm。以第一作者发表在Small封面文章上。
2. 首次实现了以交叉弛豫能量传递为基础的的受激辐射超分辨技术，实现了目前世界上分辨率最高的USTED。分标率达到19.34nm。
一：超净间生物培养实验室
目前，超净间生物培养实验室已正式投入使用，室内光线充足，配套设施完整，配有标准的通风柜实验台、恒温箱、离心机、水浴锅等基础设备，以及多台高精度光学显微镜，配备了完整的实验材料和工具，为实验室师生提供了良好的生物科学实验环境。
二：专业光学开发平台实验室
实验室配有高精度光学平台、精密光学实验仪器以及充足的光学元件，主要设备包括：双光子飞秒级脉冲激光器（Chameleon Vision II）一台、奥林巴斯倒置显微镜（OLYMPUSIX83）一台、尼康倒置显微镜（Nikon ECLIPSE）一台；正在进行的实验系统有STORM系统和light-sheet系统。
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