荧光单分子的频率域纳米级快速定位算法及其在超分辨荧光成像中的应用.pdf

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1、第32卷第2期光学学报Vo1．32，No．22012年2月ACTAOPTICASINICAFebruary，2012荧光单分子的频率域纳米级快速定位算法及其在超分辨荧光成像中的应用于斌陈丹妮刘磊屈军乐牛憨笨(深圳大学光电工程学院教育部／广东省光电子器件与系统重点实验室，广东深圳518060)摘要为了解决现有单分子定位算法中定位速度慢和对噪声有评估依赖性的问题，基于补零快速傅里叶变换和相位梯度算子提出一种新型的噪声自由的频率域非迭代荧光单分子定位算法。计算机模拟结果表明该算法定位精度可达纳米量级，而

2、定位速度与解线性方程组法在同一个数量级。进而在传统实验参数条件下，对不同间隔分子带模型进行了模拟超分辨成像。模拟结果表明，可以区分中心相隔3Orim的两个分子带。此外，将该算法用于HeIa细胞突起中微丝束结构的荧光超分辨成像，从重构获得的图像中可以看到微丝束的直径为75～200nlTl，验证了该算法的实用性。关键词显微；超分辨成像；单分子定位；相位梯度；微丝束中图分类号TH742文献标识码Adoi：10．3788／AOS2o1232．0218001FastFourier-DomainL0caliz

3、ati0nAlgorithmofSingleMoleculewithNanometerResolutionforSuper-ResolutionFluorescenceImagingYuBinChenDanniLiuLeiQuJunleNiuHanben(KeyLaboratoryqfOpoecec￡o"cDevicesandSystemsofMinistryofEducationandGuangdongProvince，CollegeofOptoelectronicEngineering，She

4、nzhenUniversity，Shenzhen，Guangdong518060，China)AbstractInordertoimprovethecomputationalspeedandpriorbackgroundnoise—dependentproblemofsinglemoleculelocalizationalgorithm，aFourierdomainlocalizationschemebasedonzero—paddedfastFouriertransformandphasegra

5、dientoperatorsisusedtoobtainapowerfulmathematicalmodelforlocalizingasinglemoleculewithoutnumericalfitting．Numericalsimulationsindicatethattheproposedmethodexhibitsnanometerscalelocalizationprecisionwhileexecutingalmostasfastasthef1uoroBancroftalgorith

6、m．Furthermore。asampleconsistedofseverallinesofmoleculesaresimulatedimaged．Theresultsdemonstratethattwolinesofmoleculesseparatedby30nmcanberesolved．Finally，super-resolutionimagesoffilopodiainHeLacellsarereconstructedbasedonthemethod．inwhichfilopodiawit

7、hdiameterof75～200nmareresolved．Keywordsmicroscopy；super—resolutionimaging；singlemoleculelocalization；phasegradient；filopodia0CIScodes18O．2520；100．2960：100．66401引言置可由该弥散斑的质心确定，其定位精度可达纳米级¨1]。单个荧光分子的定位和探测为监测蛋白质荧光显微成像由于受光学衍射极限的限制，其及生物大分子的动力学过程提供了强大的工具，成空间

8、分辨率只能达到横向约200nm、轴向约600nm。对于尺度小于衍射极限的单个荧光分子为细胞生物学最重要的研究领域之一，如在感染过来说，探测到的荧光图像的大小由显微光学系统的程中的流感病毒的运动，分子马达的运动等]。艾里(Airy)斑确定，但是该荧光分子的实际空间位近年来，基于单分子定位的超分辨显微成像技术收稿日期：2011一O7—15；收到修改稿El期：2011-08—31基金项目：国家自然科学基金(61178080，60878053，61078067，11004136)和深圳市科