[實用新型]基于偏振光學的超分辨率光電成像儀

無效

• 申請號: 201120209081.8
• 申請日: 2011-06-20
• 公開（公告）號: CN202102173U
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發明（設計）人: 徐楓;王慧斌;王鑫;沈潔;徐立中
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G02B21/36
• 分類號: G02B21/36;G02B27/28;G01N21/64
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術領域

本實用新型涉及一種基于偏振光學的超分辨率光電成像儀，尤其是能對觀測物進行超分辨率重建的高分辨率成像方法與裝置，屬于光學成像與信號處理領域。

背景技術

在許多數字成像應用領域，高分辨率的圖像或視頻對于圖像處理和分析都是非常需要的。這種需要主要在兩個方面起到重要作用：一個是改善或增強人類對于圖像信息的理解；另一個就是有助于機器自動感知和表示。圖像的分辨率描述了圖像中所包含的細節，分辨率越高，細節也就越豐富。數字圖像的分辨率可按照許多不同的方式分類，如：像素分辨率、空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率以及輻射分辨率。這里我們感興趣的主要是空間分辨率。

近幾年，納米級生物學觀測研究迅速發展，客觀上激發了高分辨率成像研究向分子尺度進一步邁進。其中，熒光顯微技術已經成為生物學研究的重要工具，依靠熒光顯微鏡可以觀測到活細胞、組織以及動物體內的生物分子、通路和活動。與諸如電子顯微技術的其它成像技術相比，熒光顯微技術的主要優勢在于與活細胞的兼容性，能夠實現動態的和微創性成像實驗。共焦顯微術和寬場（WF）顯微術是最為廣泛使用的熒光成像方法，能夠分辨出活細胞中的某些細胞器（例如：細胞核、內質網和高爾基體）和追蹤蛋白質與其它生物分子。然而，多年以來，上述熒光成像法一直都存在一個極限空間分辨率。按照阿貝的衍射理論，傳統熒光顯微成像無法逾越低于200納米的距離，這樣就分辨不出單個突觸泡和相互作用蛋白對。事實上，生物學研究的許多領域都能夠從改善的空時組合分辨率中獲益。例如，神經元突觸泡大小只有約40納米，其信號發生的時間尺度為毫秒。細菌大小只有1-5微米，傳統的熒光顯微術是很難分辨其亞細胞特征的。

正是上述需求和局限，迫使人們在近年來持續地研究熒光顯微方法，以打破傳統的橫向衍射極限。許多新的遠場熒光成像技術不斷涌現，這些革命性創造在理論上突破了空間分辨率的極限，被稱為超分辨率成像技術。目前，在超分辨率熒光顯微成像方面，出現了基態損耗（GSD）顯微術、飽和結構照明顯微術（SSIM）、受激發射損耗（STED）顯微術、光激活定位顯微術（PALM）、隨機光學重建顯微術（STORM）和近場掃描光學顯微術（NSOM）等。超分辨率熒光顯微術的蓬勃發展直接帶動了生命科學的飛速進步。

在諸多超分辨率熒光顯微術中，STED顯微術在生物樣本實驗中優勢明顯。STED是第一個用于細胞成像的遠場超分辨率成像技術，它在兩個分子狀態之間運用空間調制和飽和躍遷達到打破衍射極限的目的。具體來說就是用兩束激光照射樣本，一束為激勵激光脈沖，緊隨的另一束是一種紅移脈沖稱為STED束。暴露于STED束的激發熒光團幾乎立刻通過受激發射的方式返回自身的基態。這種由STED束引起的熒光態非線性（幾乎指數）去激是打破STED成像衍射極限的基礎。雖然兩個激光脈沖都是衍射受限的，但是STED脈沖在聚焦中心被調制成零強度點而在這一點的外圍卻分布高強度點（也即聚焦為面包圈狀的光圈）。如果兩束脈沖中心重合，那么只有靠近STED束零中心的分子發熒光，這樣就將激發熒光限制在零中心周圍極小的范圍。這種有效收窄點擴散函數（PSF）的方式最終超越了衍射極限增強了分辨率。

有許多方式可以進一步縮小零中心熒光范圍，其中借助光的偏振效應激發熒光團是普遍采用的方式。主要的偏振形式包括線偏振、圓偏振、徑向偏振等等，每種偏振各有其優缺點和適用范圍。最近有文獻報道新型的切向偏振光激發顯微具有低功耗特點，可以保護生物樣本免受損害，因此受到關注。盡管基于切向偏振光的STED顯微技術能夠獲得良好的顯微效果，然而要實現這一效果需要復雜的光路、昂貴的精密光學元器件作為保障，例如具有精確平移尺度的納米平移臺，高昂的成本限制了這種技術的推廣；同時整個系統的穩定性要求非常高，即使儀器精確也需要頻繁的校準，例如要使掃描位置準確定位，這無疑也增加了操作的復雜度。總之，對于切向偏振光的STED顯微技術來講，其實現條件較為苛刻。