随着生命科学的迅速发展,人类对于微观世界的研究已深入到单细胞、亚细胞和单分子这样的层次。然而常规光学显微镜的空间分辨率一直受限于衍射极限。光波由于其波动特性会发生衍射,因而光束不能无限聚焦,而是成为一个Airy斑,Airy斑的尺寸大约为所用可见光的波长一半,因此200 nm是常规光学显微镜的理论分辨极限。提高光学显微镜的空间分辨率已经成为显微领域最为关键的核心问题。近年来,基于现代测量技术的发展和近期物理学家带来的技术革新,远场光学显微镜得到了革命性的进展,分辨率已突破衍射极限,提高到纳米尺度,可以直接在单分子水平上对细胞内部结构进行研究。其中随机光学重建显微镜(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy,STORM)和受激发射减损显微镜(Stimulated Emission Depletion,STED)以其各自独有的特点,在超高分辨显微领域占据一席之地。论文的研究内容主要包括以下几个部分:1.以随机光学重建显微系统获得的原始数据为研究对象,通过比较现有的几种单分子定位算法,设计出了基于最小二乘法分高斯拟合算法。采用MATLAB处理图像模拟成像过程,同时优化了原有的CPU串行处理方式为CPU并行处理,提高了四倍的成像速度,进一步提高了STORM的时间分辨率。2.设计了一套2PE-STED显微系统,包括激发光和STED光的同步系统和调制系统等。在装置中引入了布拉格衍射晶体,无需脉冲同步,输入功率低,操作简单且造价较低,对样品的光照度减少了三个数量级。同时荧光分子的荧光产率提高15-25倍。本装置用于观测ATTO 452标记的中国仓鼠卵巢(CHO)细胞内的网格蛋白,并取得了有益的效果。