光学显微成像是生命科学、临床医学、药学等研究领域最主要观测手段。现如今光学显微成像技术一直朝着获取更细节的信息(高分辨率)和更广泛的信息(大视场)方向发展。视场和分辨率是光学系统的两个重要参数,对于一个固定的光学成像系统,其所获得的总信息量由视场和分辨率共同决定。目前,生物医学研究需要从微纳米尺度向着更大尺寸方向发展,商用高分辨显微成像技术的视场不能满足需求。在稀有细胞、胚胎检测等为代表的生命科学研究领域需要在厘米级的视场下实现微米级的分辨率,获取包含数亿像素信息量的样本图像,大幅提升检测效率。以离轴成像系统为代表的望远镜系统具有较高的空间分辨率成像能力和较大的成像视场。本论文探索一种将非常规的离轴光学成像技术用于显微成像应用研究;从光学系统设计、系统性能测试与评估等方面开展研究工作,研发了配套的高性能荧光微球和探针,开展了胚胎毒性以及解毒调控机制的应用研究。具体内容包括:1.开展成像方法与系统方案设计研究。首先,开展细胞多色荧光成像方法学设计,分析提炼大视场生物成像系统核心技术参数;构建大视场成像系统初步定位、小视场显微成像系统精确分析相结合的两步式设计方案。接着,经计算分析以同轴三反光学系统为初始结构,在NA=0.1,MTF达衍射极限的设计原则下,设计了一款分辨率为2.8μm、视场为150mm×20mm、宽光谱和消色差成像的大视场高分辨离轴三镜反射光学系统。最后,从整体尺寸、机械结构静力学、人机工程学等角度分析确定,大、小视场采用互相独立排布的搭配方案完成系统实现。2.开展大视场生物成像系统性能测试的标准微球制备和系统评价研究。根据大视场生物成像的需求,采用溶胀法制备了单色、多色荧光微球校准品;经扫描电镜、流式细胞仪、荧光光谱仪和荧光显微镜等方法表征,验证了荧光标准品的各项性能;使用上述自制标准品,完成了整个大视场生物成像系统的性能评价。3.开展大视场生物成像技术的应用探索研究。首先,设计开发新型高生物相容性、高亮度的碳量子点荧光探针,优化了合成条件,结合细胞毒性实验,验证了探针性能;结合级联杂交链式反应,实现基于图像识别的细胞内miRNA的高灵敏检测,为后续LFVBIS的拓展应用奠定基础。其次,利用大视场生物成像系统开展大样本量下异常胚胎的毒性研究,进一步基于斑马鱼胚胎成纤维细胞模型,初步研究了转运蛋白、代谢酶在重金属Ag+与Pb2+同时处理下的应激性变化,以及核转录因子(Pxr及Nrf2)和miRNA(126及122)在该过程中的调控作用,为后续深入研究奠定了基础。通过本论文的研究,为生命科学研究领域提供了一种可同时实现大视场和高分辨的生物成像技术,完成了应用初探并为进一步拓展应用奠定了基础。