突破光栅极限：点扩散函数工程驱动的光学显微镜分辨率与对比度增强策略

本文是一篇研究论文，聚焦于基于点扩散函数（Point Spread Function, PSF）工程的光学显微镜分辨率和对比度增强技术。过去几十年里，光学显微镜的性能得到了显著提升，主要归功于一系列创新方法，如受激发射损耗（Stimulated Emission Depletion, STED）、时间门控STED（g-STED）、基态损耗成像（Ground State Depletion Microscopy, GSD）、差分共焦显微镜（Difference Confocal Microscopy）、荧光发射差异显微镜（Fluorescence Emission Difference Microscopy, FED）、激光模式切换（Switching Laser Mode, SLAM）以及虚拟可变孔径系统（Virtual Adjustable Aperture System, VAAS）。这些技术各有特点，分别在分辨率、对比度、速度和成本上有所侧重。 PSF工程的核心目标是突破衍射限制，实现更锐利的点扩散函数，从而提高成像质量。STED技术通过精确控制激发光的强度和时间，减小了非共振荧光的贡献，从而达到超分辨率成像；g-STED则利用时间门控来减少背景噪音，进一步提升了分辨率。GSD方法则是通过降低荧光分子的基态密度，降低散射光，以改善空间分辨率。 差分共焦显微镜利用不同荧光信号的对比，消除样品内部的散射光，增强对比度。FED和SLAM则是通过调整荧光发射和探测的角度或模式，优化对比度和分辨率。VAAS则通过动态改变光学系统的孔径，实现了类似光学变焦的效果，同时保持高分辨率。 这些基于PSF工程的方法展示了光学显微镜在克服物理极限、提升图像细节和信噪比方面的巨大潜力。然而，每种技术都有其适用的场景和局限性，选择合适的PSF工程方法取决于具体的应用需求，包括待观察样本的特性、实验时间和成本预算等因素。随着技术的进步，未来的PSF工程可能会融合更多创新理念，继续推动光学显微镜领域的前沿发展。