用SPAD23在共聚焦显微镜中实现波动对比度的超分辨率
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发布时间：2024-10-14 01:26
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时间：2024-10-14 04:29
在过去的20年里，远场光学显微镜突破了阿贝衍射极限的分辨率障碍，得益于图像传感器技术的改进和单分子光谱学的进步，开发了多种成功的方法，如STED、PALM/STORM、SIM和SOFI。
本文提出了一种新的显微技术，利用SPAD23阵列探测器的超高时间分辨率测量荧光波动引起的相关性。在ISM架构中测量的这种相关性被用作对比度，实现了高达4倍增强的横向和轴向分辨率。使用几毫秒的像素驻留时间即可获得高信噪比的超分辨率图像。
SPAD23单光子探测器阵列源于代尔夫特理工大学和洛桑联邦理工学院的研究，由23个六角形封装的单光子雪崩二极管组成。它具有更高的灵敏度和更低的噪声，探测效率超过50%，暗计数水平低于100cps，填充因子超过80%，是荧光显微和量子信息领域的理想探测工具。
SPAD23单光子阵列探测器的优异性能在与共聚焦显微镜搭配使用时，增加了光的收集，最终获得了更清晰、更明亮的图像，其中还包含有关潜在分子功能、相互作用和环境的功能信息。
下图展示了一种超分辨光学起伏图像扫描显微术的方案，将23像素的SPAD阵列替换为标准共焦显微镜中的针孔和单像素检测器，增加了光线收集，提高了成像速度，减少了背景噪音。
当扫描样品台时，每个光子的检测时间记录在相连的FPGA电路中，并以数字形式存储。分析该数据，为阵列中的每个像素对产生第二个相关图像，生成232个分辨率增强为2的相关图像。最终SOFISM图像的PSF具有超过衍射极限4倍的横向分辨率增强。
图C展示了SOFISM对相对稀疏的单个CdSe/CdS/ZnS核/壳/壳量子点(QDs)的样品进行成像。生成标准ISM图像的分辨率提高了2倍，同时噪声水平明显降低。通过像素重新分配和计算荧光信号的二阶相关矩阵，可以产生分辨率提高2.5倍的更清晰的图像。
最后，还可以生成互相关阶数高于2的SOFISM图像，产生横向分辨率4倍增强。SOFISM在轴向分辨率上提供了2倍的改进。SOFISM提供了一种实验上简单的方法，在合理的曝光时间内提供显著的3D分辨率增强，且没有显著的实验复杂性。
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