基于科研成果轉(zhuǎn)化的超分辨顯微成像教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

黃幼萍 陳小鋼

摘要：為培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型工程人才，融合專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)與教師科研成果，利用MATLAB GUI強(qiáng)大的計(jì)算和人機(jī)交互功能構(gòu)建STED超分辨顯微成像仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)GUI界面可以方便地進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置和可視化入射光像差和偏振態(tài)對(duì)超分辨效果的影響，具有良好的可操作性和交互性。借助該仿真實(shí)驗(yàn)擺脫了實(shí)驗(yàn)儀器、場(chǎng)地等束縛，解決了實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜、設(shè)備昂貴等問(wèn)題，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種可視化手段，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)理論與前沿技術(shù)的融會(huì)貫通，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)和掌握高新技術(shù)，為拔尖創(chuàng)新人才提供了重要的培養(yǎng)途徑。

關(guān)鍵詞：科研成果；教學(xué)實(shí)驗(yàn)；STED超分辨顯微成像；MATLAB GUI；創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1008-4657（2023）04-0077-08

0 ? ? ? ?引言

科技創(chuàng)新是促進(jìn)人類社會(huì)發(fā)展的重要推手，而創(chuàng)新型人才則是科技創(chuàng)新的引領(lǐng)者。高校是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要基地，在新工科建設(shè)背景下，如何培養(yǎng)具備科學(xué)意識(shí)、創(chuàng)新理念和實(shí)踐能力的高素質(zhì)工程應(yīng)用型人才，以適應(yīng)光電企業(yè)的發(fā)展，成了各個(gè)高校光電專業(yè)教學(xué)改革探索的首要任務(wù)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才的有效途徑，而傳統(tǒng)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多以測(cè)量類和驗(yàn)證性為主，內(nèi)容相對(duì)陳舊，與前沿科技脫軌，不利于激發(fā)學(xué)生的科研創(chuàng)新潛能和綜合能力。將教學(xué)與科研緊密融合不僅可以豐富教學(xué)內(nèi)容，而且對(duì)鍛煉學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力具有顯著的指導(dǎo)意義，是教學(xué)改革中的重要舉措［ 1-3 ］。為此，許多高校鼓勵(lì)教師立足于科研實(shí)踐，將教師科研成果融入到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

光學(xué)顯微鏡是一種精密光學(xué)儀器，具有無(wú)損、快速成像的特點(diǎn)，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值［ 4 ］。由于光學(xué)衍射極限的存在，顯微鏡的成像分辨率被限制在200 nm左右（約為可見(jiàn)光波長(zhǎng)的一半），因此無(wú)法看清小于衍射極限的物體，如病毒。超分辨顯微技術(shù)因可以突破衍射極限，成為了目前光學(xué)研究的前沿科技和最新領(lǐng)域［ 5-7 ］。然而目前超分辨顯微鏡系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，動(dòng)輒成百上千萬(wàn)，并不是普通院校所能負(fù)擔(dān)得起的。因此，不能在本科教育中開(kāi)展超分辨顯微技術(shù)實(shí)物實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)重限制了普通本科院校光電專業(yè)學(xué)生接觸光學(xué)前沿技術(shù)的機(jī)會(huì)。

利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)﹄y以用實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作或無(wú)法進(jìn)行拆分展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)的光學(xué)儀器進(jìn)行仿真，從而脫離實(shí)際實(shí)驗(yàn)儀器的束縛，豐富光學(xué)教學(xué)手段，搭建適合線上學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)更好的教學(xué)效果［ 8-9 ］。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)結(jié)合教師科研成果，利用MATLAB ?GUI構(gòu)建虛擬受激輻射淬滅（Stimulated Emission ?Depletion， STED）超分辨顯微成像實(shí)驗(yàn)仿真，研究入射光像差、偏振態(tài)等相關(guān)參數(shù)對(duì)STED超分辨顯微成像的影響，通過(guò)可視化其原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有利于學(xué)生對(duì)前沿顯微技術(shù)概念的建立，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)理論與前沿技術(shù)的融會(huì)貫通，使學(xué)生充分理解和掌握高新科技手段，以前沿科技促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)。此外，將超分辨技術(shù)納入光電專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)還可為后續(xù)開(kāi)展線上課程提供實(shí)驗(yàn)技術(shù)支持，豐富了光電課程教學(xué)手段，進(jìn)一步促進(jìn)線上線下教學(xué)的有機(jī)融合。

1 ? ? ? ?受激輻射淬滅（STED）超分辨顯微成像技術(shù)原理

由于光的本質(zhì)是電磁波，當(dāng)以點(diǎn)光源經(jīng)過(guò)顯微系統(tǒng)后會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，從而形成一個(gè)彌散的圖案，即艾里斑。若兩個(gè)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像后形成的衍射光斑靠得很近時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)不能被分辨的情況。1873年，Abbe等建立了光學(xué)衍射與系統(tǒng)分辨率之間的關(guān)系，即：

式中，λ為入射光的波長(zhǎng)，NA ?= ?nsinθ為顯微物鏡的數(shù)值孔徑。從公式（1）可知，入射光波長(zhǎng)和物鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定了顯微鏡的分辨率。因此對(duì)于光學(xué)顯微系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)增大數(shù)值孔徑的方法來(lái)提高分辨率，如：固態(tài)浸沒(méi)透鏡（SIL）技術(shù)、4Pi顯微技術(shù)等。這些方法本質(zhì)上是提高系統(tǒng)的截止頻率，但由于材料的限制，對(duì)分辨率的提升較為有限，不能真正突破光學(xué)衍射極限。

提高光學(xué)系統(tǒng)分辨率的另一個(gè)方法就是壓縮系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，使衍射形成的彌散斑盡量的小，該領(lǐng)域典型技術(shù)代表就是受激輻射淬滅超分辨顯微技術(shù)（STED）。1994年，Hell S W等［ 10 ］考慮到衍射極限的限制主要是由于聚焦的光斑尺寸不能無(wú)窮小造成，理論上，如果能縮小激光光斑就可以實(shí)現(xiàn)超分辨成像。其基本思想是，在一個(gè)正常激發(fā)光點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的基礎(chǔ)上，用另一個(gè)環(huán)形光去擦除激發(fā)光的外圍，從而使得激發(fā)光斑的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)變小，其設(shè)想實(shí)驗(yàn)裝置如圖1（a）所示。根據(jù)自發(fā)輻射和受激輻射產(chǎn)生的光波長(zhǎng)不同（如圖1（b）所示），Hell用位相板產(chǎn)生環(huán)狀的激光光斑并套在激發(fā)光斑外，使激發(fā)光外圍的熒光分子發(fā)生受激輻射而非自發(fā)輻射，再用二向色鏡區(qū)分受激輻射跟自發(fā)輻射波長(zhǎng)，從而只剩下環(huán)形光斑中心的熒光，其強(qiáng)度分布如圖1（c）所示。

由于這一方法所產(chǎn)生的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)不再受到衍射極限的限制，而僅僅取決于環(huán)形光強(qiáng)度?；诖耍⒇愌苌錁O限分辨率可改寫為：

式中，Is是飽和受激輻射的激光強(qiáng)度，IdeMAX是STED環(huán)形光的最大強(qiáng)度。理論上，隨著Ide強(qiáng)度的增加，STED技術(shù)的分辨率可以無(wú)限縮小。

2 ? ?基于MATLAB GUI的STED超分辨顯微成像技術(shù)仿真設(shè)計(jì)

MATLAB 是美國(guó)Mathworks推出的一款功能強(qiáng)大的數(shù)值仿真軟件，它具有數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、圖形處理、仿真建模等功能。對(duì)比于C語(yǔ)言和Python等編程軟件，利用MATLAB軟件進(jìn)行光學(xué)實(shí)驗(yàn)的仿真，只需要用數(shù)學(xué)公式表達(dá)和建模，省去了大量繁瑣的編程過(guò)程，使學(xué)生有更多的時(shí)間和精力去探究科學(xué)問(wèn)題本身。此外，基于MATLAB豐富的作圖能力和GUI（圖形用戶界面）技術(shù)，能夠輕松數(shù)據(jù)可視化，有助于學(xué)生化抽象思維為形象思維?；诖?，利用MATLAB進(jìn)行受激輻射淬滅超分辨顯微成像技術(shù)仿真，不僅能夠擺脫實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴和系統(tǒng)復(fù)雜性的限制，而且效果比實(shí)驗(yàn)更形象直觀，進(jìn)一步增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)和創(chuàng)造性。

2.1 ? ?激發(fā)光和STED光的數(shù)學(xué)表征

如圖1（a）所示，典型STED超分辨顯微成像系統(tǒng)中采用兩束激光激發(fā)。其中一束為正常的激發(fā)光束，一般采用脈沖或者連續(xù)激光。另一束由激發(fā)光經(jīng)過(guò)一個(gè)0 - 2π的螺旋相位板生成一個(gè)具有“甜甜圈”結(jié)構(gòu)的環(huán)形光斑，稱為STED光束。最后，激發(fā)光束和STED光束利用一個(gè)二向色鏡耦合成一束光，并經(jīng)過(guò)高數(shù)值孔徑（NA）的顯微物鏡聚焦在成像平面上。

在典型STED顯微系統(tǒng)中，激發(fā)光束在入射平面一般滿足典型高斯光束分布，即：

其中，A0為入射光振幅系數(shù)。γ取決于系統(tǒng)入瞳與光束束腰半徑的比值，為了充分利用激光功率，理論上光束束腰應(yīng)填滿入瞳，即γ = 1。α為物鏡的最大半孔徑角（θmax = α），而最大半孔徑角滿足NA = nsinθmax。高斯光束經(jīng)高NA物鏡聚焦后的電場(chǎng)矢量分布E（r2， φ2， z2）可以由矢量Debye衍射理論得到，即［ 11 ］：

其中，C為系統(tǒng)常數(shù)，由顯微物鏡和入射光波長(zhǎng)決定。k為波矢常數(shù)（k = 2π/λ），n為聚焦空間的介質(zhì)折射率。（r2， φ2， z2）為聚焦點(diǎn)處的柱坐標(biāo)參數(shù)。A（θ，φ）代表系統(tǒng)的初級(jí)像差函數(shù)，五種初級(jí)像差函數(shù)表達(dá)式如表1所示［ 12 ］。

對(duì)于STED光束，由于在光路中插入了一個(gè)0-2π螺旋相位板，因此其聚焦點(diǎn)的光場(chǎng)分布為：

Ede（r2， φ2， z2） = Eex（r2， φ2， z2）·exp（iφ）（6）

其中，exp（iφ）表示由螺旋相位板引入的相位延遲，φ取值在0和2π之間。

最終，焦點(diǎn)處的強(qiáng)度分布則為：

I（r2， φ2， z2） = |E（r2， φ2， z2）|2（7）

通過(guò)激發(fā)光與STED光束調(diào)制后的熒光強(qiáng)度表達(dá)式為：

式中，Is為熒光飽和強(qiáng)度。STED系統(tǒng)的分辨率則由公式（2）表示。

2.2 ? ?GUI界面設(shè)計(jì)

GUI全稱為圖形用戶界面，是一種高效便捷的人機(jī)交互方式。在MATLAB中，將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、建模和仿真等功能集成在一個(gè)GUI界面中，方便用戶進(jìn)行操作，很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的編輯模式?；贕UI操作界面，用戶可以跳過(guò)繁冗的代碼編輯和繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化，有利于操作和觀察。

具體設(shè)計(jì)思路包括：

仿真界面包括展示圖片按鈕，運(yùn)行時(shí)可以在GUI界面內(nèi)打開(kāi)圖片，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)原理和光路圖的展示。通過(guò)在GUI界面插入按鈕組件作為顯示開(kāi)關(guān)，執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)中采用uigetfile + imread + imshow組合，進(jìn)行文件夾選擇，讀取和顯示圖片。

仿真界面上使用文本文字給出參數(shù)名稱，同時(shí)設(shè)計(jì)可編輯文本框作為參數(shù)變量輸入口，通過(guò)相關(guān)按鈕組件進(jìn)行啟動(dòng)執(zhí)行回調(diào)程序，輸入框參數(shù)作為回調(diào)函數(shù)中變量，注意全局變量和局部變量的運(yùn)用。

根據(jù)激發(fā)光和STED光定義式編寫回調(diào)函數(shù)，利用MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和繪圖能力，給出不同參數(shù)下的模場(chǎng)分布圖。

3 ? ?仿真結(jié)果

3.1 ? ?理想狀態(tài)下STED超分辨成像技術(shù)

基于MATLAB GUI界面，能夠快速、便捷的獲得和可視化不同參數(shù)下的仿真結(jié)果。

首先，通過(guò)點(diǎn)擊GUI界面的原理和光路展示按鈕，系統(tǒng)將給出關(guān)于STED超分辨顯微鏡技術(shù)的文字原理介紹和圖1所示光路圖，有助于理解超分辨顯微技術(shù)的原理與光路。

其次，通過(guò)在仿真界面設(shè)置不同的NA值、折射率n、入射光波長(zhǎng)、強(qiáng)度、熒光飽和強(qiáng)度等參數(shù)，以及通過(guò)選擇激發(fā)光和STED光的不同偏振態(tài)和像差系數(shù)，能夠進(jìn)一步探究不同參數(shù)對(duì)超分辨成像的影響。例如，將參數(shù)設(shè)置為：NA = 1.4，n = 1.5，λex = 635 nm，λde = 760 nm，入射光強(qiáng)度Iex = 1mW/cm2，Ide = 10 mW/cm2，熒光飽和強(qiáng)度IS = 1mW/cm2，激發(fā)光偏振態(tài)選擇X線偏振，STED光選擇右旋圓偏振，假設(shè)系統(tǒng)為理想成像，此時(shí)像差系數(shù)為1，即無(wú)像差。設(shè)置完參數(shù)后點(diǎn)擊界面的光強(qiáng)圖按鈕，仿真系統(tǒng)將計(jì)算出激發(fā)光、STED光和超分辨熒光在XY平面的光強(qiáng)分布圖，效果如圖2所示。圖2（a）為激發(fā)光的光強(qiáng)分布圖，擬合其半高全寬為248.7 nm，超過(guò)衍射極限（200 nm）。圖2（b）為通過(guò)螺旋相位板生成的STED光強(qiáng)分布圖，由圖可知其中心光強(qiáng)為零，分布呈環(huán)形對(duì)稱。將激發(fā)光與環(huán)形光耦合在一起時(shí)，最終將獲得如圖2（c）所示的調(diào)制后的熒光光強(qiáng)分布。此時(shí)，調(diào)制后光斑的半高全寬為141.8 nm，突破了衍射極限限制，如圖2（d）所示。

3.2 ? ?像差對(duì)于STED超分辨顯微技術(shù)的影響

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)選擇不同的參數(shù)，可進(jìn)一步探究STED超分辨技術(shù)的影響因素，如探究像差和入射光偏振對(duì)STED光的影響。作為STED技術(shù)中最為重要的調(diào)制光，STED光的形狀和強(qiáng)度分布決定了系統(tǒng)分辨率，因此探究其影響因數(shù)具有重要的研究意義。理論上，STED光應(yīng)該具有完美的環(huán)形“甜甜圈”結(jié)構(gòu)，其中心強(qiáng)度為0，且其強(qiáng)度越大系統(tǒng)分辨率越高。但在實(shí)際成像過(guò)程中，由于光學(xué)系統(tǒng)往往存在像差，因此STED光的形狀和光強(qiáng)分布將會(huì)受到影響。在仿真系統(tǒng)中，通過(guò)在GUI仿真界面上，選擇不同像差系數(shù)，對(duì)STED光強(qiáng)分布進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如圖3所示。

對(duì)比于理想成像下的STED光強(qiáng)分布可以看出，球差和場(chǎng)曲不會(huì)改變STED光環(huán)形結(jié)構(gòu)特征，但會(huì)使光環(huán)的直徑變大同時(shí)降低了其最大光強(qiáng)，如圖3（b）和（c）所示?；儾粫?huì)改變STED光的環(huán)形結(jié)構(gòu)特征和光強(qiáng)分布，但是會(huì)使整個(gè)光環(huán)位置發(fā)生平移，這樣會(huì)影響成像時(shí)與激發(fā)光的對(duì)準(zhǔn)耦合，如圖4（d）所示。此外，彗差和像散同時(shí)改變了STED光的環(huán)形對(duì)稱分布和強(qiáng)度分布，會(huì)對(duì)STED光產(chǎn)生嚴(yán)重影響，進(jìn)而影響系統(tǒng)的成像分辨率極限，如圖3（e）和（f）所示。

從仿真結(jié)果來(lái)看，常見(jiàn)的五種初級(jí)像差都會(huì)對(duì)STED光成像產(chǎn)生影響，特別是彗差和像散，因此在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該盡量避免各類像差的產(chǎn)生，如對(duì)光路搭建過(guò)程中的等高共軸調(diào)節(jié)、成像視場(chǎng)控制等。

3.3 ? ?入射光偏振態(tài)對(duì)STED超分辨顯微技術(shù)的影響

像差對(duì)STED光會(huì)產(chǎn)生影響外，入射光的偏振態(tài)也是影響STED光形狀和強(qiáng)度分布的重要因素。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面上通過(guò)設(shè)置不同的入射光偏振參數(shù)，可以進(jìn)一步探究偏振態(tài)的影響。不同偏振態(tài)的STED光強(qiáng)分布如圖4所示。

從圖4的仿真結(jié)果可以看出，右旋圓偏振光經(jīng)過(guò)0 - 2π相位板產(chǎn)生的STED光的環(huán)形結(jié)構(gòu)和光強(qiáng)分布最完美，如圖4（c）所示。X線偏和Y線偏產(chǎn)生的環(huán)形光會(huì)有兩個(gè)比較亮的旁瓣，方向分別沿著X方向和Y方向，如圖4（a）和（b）所示。以X和Y方向?yàn)殚L(zhǎng)軸的橢圓偏振可以產(chǎn)生比線偏振更好的圈斑，但其強(qiáng)度分布不均勻，如圖4（e）和（f）所示。當(dāng)輸入光束采用左旋圓偏振時(shí)，其聚焦后的光斑中心強(qiáng)度不為0，這樣會(huì)對(duì)激發(fā)光中心光強(qiáng)也進(jìn)行抑制，因此不適合用于超分辨成像，如圖4（d）所示。當(dāng)輸入光束采用徑向偏振或角向偏振時(shí)，其聚焦后的光斑不再具有環(huán)形甜甜圈結(jié)構(gòu)，而是成為一個(gè)類似高斯光斑聚焦點(diǎn)，如圖4（g）和（h）所示。

通過(guò)仿真分析，可以得到如下結(jié)論：左旋圓偏振、徑向偏振和角向偏振并不適合用于產(chǎn)生STED光束，而右旋圓偏光為最佳入射光偏振態(tài)，為實(shí)驗(yàn)研究提供了重要的理論支撐。

3.4 ? STED超分辨顯微成像效果

最后，通過(guò)點(diǎn)擊GUI界面的成像按鈕，系統(tǒng)將給出徠卡公司通過(guò)共聚焦顯微鏡與STED超分辨顯微鏡得到的多色共標(biāo)記的復(fù)雜細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)和轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡的顯微圖像，如圖5所示［ 13 ］。

常見(jiàn)細(xì)胞骨架包括微管、微絲、中間纖維等，其尺寸在200 nm以內(nèi)，采用一般光學(xué)顯微鏡無(wú)法觀測(cè)到細(xì)胞骨架的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。從圖5可以看出共聚焦顯微技術(shù)的分辨率較差，無(wú)法分辨細(xì)微細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)和轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡，而STED顯微鏡能獲得超越衍射極限的分辨率，能清楚分辨出細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)和轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡。通過(guò)顯示成像圖像的對(duì)比，能夠更直觀和深入的了解超分辨技術(shù)的成像效果。

4 ? ?結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)融入教師科研成果，幫助學(xué)生接觸和充分了解前沿技術(shù)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，開(kāi)拓學(xué)生的創(chuàng)新思維。利用MATLAB GUI設(shè)計(jì)了STED虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，借助該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生能夠?qū)W習(xí)和掌握STED超分辨技術(shù)原理和特點(diǎn)。此外，通過(guò)設(shè)置不同仿真參數(shù)，比較和分析不同條件下的輸出結(jié)果，使學(xué)生更加深入地理解各項(xiàng)參數(shù)對(duì)超分辨成像技術(shù)影響（如像差和偏振對(duì)STED環(huán)形光的影響）。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深入的科學(xué)研究與探索，將理論、仿真與實(shí)踐結(jié)合在一起，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究興趣和創(chuàng)新能力。該仿真系統(tǒng)界面具有簡(jiǎn)潔易懂、操作方便、計(jì)算結(jié)果圖形化和可視化的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于光電專業(yè)前沿技術(shù)的輔助教學(xué)，不僅可提高教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)為后續(xù)開(kāi)展線上課程提供實(shí)驗(yàn)技術(shù)支持，豐富了光電課程教學(xué)內(nèi)容和手段，有效促進(jìn)線上線下教學(xué)的有機(jī)融合。

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Experiment Design of Super-resolution Microscopic

Imaging Technique Based on Scientific Research

HUANG Youping，CHEN Xiaogang

（Department of Electronic Information Science， Fujian Jiangxia University， Fuzhou 350108， China）

Abstract：In order to cultivate innovative and practical engineering talents， a stimulated emission depletion （STED） super-resolution microscopy simulation experiment platform is proposed with MATLAB GUI by integrating of professional knowledge and research results. A parameter study was carried out to investigate the influence of the incident light aberration and polarization state on the super-resolution imaging. Through the GUI interface， it is easy to set parameters and visualize simulation results with good operability and interactivity. The simulation experiment can provide a visualization method for experimental teaching without the constraints of sites and complicated and expensive instruments. Besides， it realizes the integration of basic theory and cutting-edge technology， enables students to fully understand and master high technology， and provides an important way for the cultivation of top-notch innovative talents.

Key words：scientific research achievement；simulation experiment；STED super-resolution microscopy imaging；MATLAB GUI；innovation capability