超高分辨率荧光显微镜中单分子识别和定位算法及抗漂移方法

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1、超高分辨率荧光显微镜中单分子识别和定位算法及抗漂移方法重庆大学博士学位论文学生姓名：唐云青指导教师：方祯云教授，欧阳钟灿教授专业：凝聚态物理学科门类：理学重庆大学物理学院二O一四年十月万方数据万方数据SingleMoleculeIdentificationandLocalizationAlgorithmandAnti-driftingMethodforSuper-resolutionFluorescenceMicroscopyAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRe

2、quirementfortheDoctor’sDegreeofSicenceByYunqingTangSupervisedbyProf.ZhenyunFangPorf.ZhongcanOu-YangSpecialty:CondensedMatterPhysicsCollegeofphysicsChongqingUniversity,Chongqing,ChinaOctober2014万方数据万方数据中文摘要摘要1873年，德国物理学家ErnstAbbe发现由于光的衍射，传统远场光学显微镜空间分辨率极限大约在250nm(Abbe极限)。上世纪90年代以来

3、，开发了多种用于突破Abbe极限的光学成像新技术和新方法。在这些技术和方法中，单分子定位显微镜(singlemoleculelocalizationmicroscopy,SMLM)，比如光活化定位显微镜(photoactivationlocalizationmicroscopy，PALM)和随机光学重建显微镜(stochasticopticalreconstructionmicroscopy，STORM)，基于识别和定位单分子荧光闪烁，可获得20-30nm的横向分辨率和60-70nm的轴向分辨率。在SMLM方法中，所探测的为单分子荧光事件，由于单分子荧

4、光信号微弱，及背景和噪声的存在，单分子事件的识别是一件富有挑战的工作。本文提出了一个实时，健壮的单分子荧光识别和定位算法(SNSMIL)，该算法基于光子探测过程中噪声的内在特征(泊松噪声)的分析，即使在高背景和不均匀背景的条件下，也能极大提高单分子荧光事件的识别精度。为了完成实时数据分析，开发了运行在图形处理单元(GPU)上的软件，实现了大规模并行计算，达到数据采集和分析的同步。另一方面，一个典型的SMLM测量需要记录1000-100000帧的图片(成像速度为10-1000帧/秒),每次测量需要几分钟或更长的时间，由于力学弛豫，温度变化等原因，样品漂移

5、(通常1-10nm/s)不可避免，而SMLM成像的目标是几十纳米的超高分辨率图像，样品漂移会降低图像的分辨率，甚至使图像失真，已经成为不可忽略的问题。本文提出了一个亚纳米精度，低成本的抗样本漂移的方法。该方法同时记录荧光图像和明场图像，通过最小化明场图像之间的归一化均方根误差(normalizedroot-mean-squareerror，NRMSE)，得到样品的漂移量，该方法不仅可以用于测量完成后的漂移修正，也可以用于测量中的实时漂移补偿。关键词：超高分辨率，单分子识别，光活化定位显微镜，随机光学重建显微镜，漂移修正。I万方数据重庆大学博士学位论文I

6、I万方数据英文摘要ABSTRACTIn1873,GermanphysicistErnstAbbefoundthattheresolutionlimit(Abbelimit)ofthefar-fieldopticalmicroscopyisabout250nmduetothediffractionoflight.Sincethe1990s,manynewopticalimagingtechnologiesandmethodshavebeendeveloped,andbreaktheAbbelimit.Amongthesetechnologiesandme

7、thods,singlemoleculelocalizationmicroscopy(SMLM),suchasphotoactivationlocalizationmicroscopy(PALM)andstochasticopticalreconstructionmicroscopy(STORM),theyarebasedondetectingandlocalizingofsinglemoleculefluorescenceblinks,canarchieve20to30nmlateralspatialresolution,and60to70nmaxi

8、alspatialresolution.InSMLM,identificationofsing