[發明專利]光熱差分顯微成像裝置及單個粒子成像方法

有效

• 申請號: 201710216916.4
• 申請日: 2017-04-05
• 公開（公告）號: CN107084917B
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發明（設計）人: 方哲宇;李博文;朱星;祖帥;蔣瞧
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01N15/10
• 分類號: G01N15/10
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發明公開了一種光熱差分顯微成像裝置及單個粒子成像方法。所述裝置包括用于光學成像的照明系統，用于提取金屬顆粒周圍熱吸收信息的泵浦?探測雙光束微弱信號探測系統，以及對樣品作二維掃描的平面掃描系統，其中，光學成像照明系統用來尋找樣品標記物所在的位置，泵浦?探測雙光束微弱信號探測系統利用探測光束將樣品周圍的熱輻射微弱信號提取出來，平面掃描系統實現對樣品的二維掃描，通過計算機處理將提取的微弱熱信號作二維強度分布圖，實現對單個粒子的光熱差分顯微成像。

技術領域

本發明涉及一種實現單個分子顯微成像的系統，通過提取出光熱差分信號來實現對單顆粒的成像。

背景技術

從單細胞和單分子水平上原位地了解物質之間的相互作用以及生命的過程已經成為當今生命科學領域的研究熱點。目前國際上通用的單分子光學成像技術有全場相襯顯微術、近場光學掃描顯微術、共焦熒光顯微術和全內反射熒光顯微術。這些技術在分子生物學、分子化學及納米材料等領域受到廣泛關注。其中全內反射熒光顯微術是利用全內反射產生的倏逝波來激發樣品，由于倏逝波的強度成指數衰減，使樣品表面數百納米厚薄層內的熒光團受到激發，從而使熒光成像的信噪比和對比度得到大大提高。它是當今世界上研究單分子科學領域中最靈敏的成像和檢測技術之一，可以用來直接探測單個熒光分子。因此，已被生物物理學家們廣泛應用于單分子的熒光成像中。

但利用全內反射熒光顯微術實現單分子熒光成像也有其自身的缺點。我們都知道，熒光成像的質量很大程度上依賴于熒光信號強度，提高激發光強度固然可以提高信號強度，但激發光的強度不是可以無限提高的，當激發光的強度超過一定限度時，光吸收就趨于飽和，并不可逆地破壞激發態分子，就會出現光漂白現象。在顯微術中，光漂白使得觀測變得很復雜，因為它會造成破壞，使熒光團無法繼續放光，以至于對實驗觀測造成影響。

光熱差分顯微成像技術是利用單粒子吸收過程中熱效應導致其周圍介質折射率的變化，使探測光被頻移的激光與未頻移的激光進行外差(類似于拍)，再利用微弱信號探測系統提取到粒子的吸收信息，從而實現對單個粒子的成像。

發明內容

本發明的目的是克服了傳統熒光成像技術中光漂白的缺點，設計一套系統來實現對單個顆粒成像，其中所采用的技術是光熱差分顯微成像。

本發明的技術方案如下：

一種光熱差分顯微成像裝置，參見圖1，包括用于光學成像的照明系統，用于提取金屬顆粒周圍熱吸收信息的泵浦-探測雙光束微弱信號探測系統，以及對樣品作二維掃描的平面掃描系統，其中：

所述照明系統包括第二激光器10、雙色鏡8、油浸物鏡16、空氣物鏡18、凸透鏡22和CMOS傳感器23，第二激光器10發出的激光經衰減、擴束后進入雙色鏡8，再進入油浸物鏡16，油浸物鏡16將激光聚焦到樣品上，透射光通過空氣物鏡18收集起來，經凸透鏡22聚焦后在CMOS傳感器23上成像；

所述泵浦-探測雙光束微弱信號探測系統包括第一激光器1、第二激光器10、聲光調制器3、信號發生器30、雙色鏡8、油浸物鏡16、空氣物鏡18、半透半反鏡20、高速光電探測器27和鎖相放大器29，第一激光器1發出加熱激光光束，經衰減后進入聲光調制器3，聲光調制器3在信號發生器30所給的調制頻率下對激光光強進行調制，調制后的激光經擴束后進入雙色鏡8，再進入油浸物鏡16，油浸物鏡16將激光聚焦到樣品上，樣品受到該激光加熱后向周圍介質熱輻射；而第二激光器10發出探測激光光束，其進入油浸物鏡16的光路與所述照明系統光路一致，區別在于探測激光光束被油浸物鏡16聚焦到樣品上后將出現頻移，頻移后的激光通過空氣物鏡18收集，在半透半反鏡20的分束作用下，一束激光用于CMOS成像，另外一束激光聚焦到高速光電探測器27上，高速光電探測器27收集光強信號傳遞給鎖相放大器29，提取出振蕩頻率與聲光調制器3調諧頻率匹配的強度信號；

所述平面掃描系統包括位于油浸物鏡16和空氣物鏡17之間的超精細三維平移臺17，以及對超精細三維平移臺17進行控制的計算機控制器，樣品放置在超精細三維平移臺17上。