近年来,远场超分辨荧光显微成像技术的发展突破了衍射极限的限制,三维空间分辨率达到10~20 nm左右,实现了在单分子水平下对细胞内精细结构、动态过程和功能的观察,使得人们能够在更精确的层次上理解各种生命过程,极大地推进了生命科学等诸多领域的发展。尽管超分辨荧光显微成像技术取得了非常巨大的进步,但是,在厚样品成像方面仍然存在着许多技术难题亟待突破,例如,如何提高系统的成像深度即景深来获得完整活细胞内的单分子之间的相互作用信息。目前,可以实现完整细胞内动态成像的方法主要是基于改进的多焦面显微成像方法,如利用多焦面衍射光栅实现不同深度的并行成像方法以及利用多个探测器同时对不同深度的样品并行探测实现大景深的成像方法,这些方法在实现过程中由于光能利用率低、系统复杂、成本高等原因难以广泛应用。针对这些技术难题,在双螺旋点扩展函数超分辨荧光显微术的基础上,项目组利用具大景深探测能力的变形光栅,实现大景深三维纳米分辨成像,通过该方法成功获得了完整细胞内高精度的单分子成像和示踪。本论文主要完成以下几个方面的研究工作:1.阐述了与本课题密切相关的双螺旋点扩展函数超分辨显微术的基本理论与技术问题。2.参与并整理了项目组关于设计并研制具有变形光栅分层成像和双螺旋点扩展函数三维纳米定位功能的双功能复合相位片所做的前期工作,并介绍在此基础上搭建的大景深三维纳米分辨显微成像系统。3.基于费歇尔信息理论作者计算了大景深三维纳米分辨显微成像系统的三维定位精度,并与双螺旋点扩展函数显微成像和多焦面显微成像的定位精度进行比较分析。计算机模拟结果表明,该方法在轴向10?m成像深度内具有很高的定位精度一致性。4.基于上述系统作者开展了不同浓度甘油溶液中和活体巨噬细胞内的单个荧光珠的成像和示踪实验,验证了我们搭建的大景深三维纳米分辨显微成像系统所具有的三维纳米分辨单粒子成像和追踪能力。