[實(shí)用新型]一種基于半球微結(jié)構(gòu)的超分辨顯微裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201720802350.9
• 申請(qǐng)日: 2017-06-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN206975308U
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 雷文君;李旸暉;芮叢珊;周輝;劉小煜
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)計(jì)量大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G02B21/00
• 分類(lèi)號(hào): G02B21/00;G02B27/58
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及光學(xué)儀器領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)顯微成像領(lǐng)域，具體為一種基于半球微結(jié)構(gòu)的超分辨顯微裝置。

背景技術(shù)

目前在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的研究對(duì)分辨率的要求越來(lái)越高，研究人員需要了解各種納米尺度上的微小形態(tài)物質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)信息。然而由于衍射極限的存在，光束在進(jìn)行聚焦時(shí)所得到的聚焦光斑都在半波長(zhǎng)以上，嚴(yán)重限制了生物醫(yī)學(xué)光學(xué)納米領(lǐng)域的科學(xué)研究和發(fā)展。為了解決上述問(wèn)題，研究人員提出了超分辨顯微技術(shù)，目前的超分辨顯微技術(shù)中，研究熱點(diǎn)大多集中于各類(lèi)熒光顯微技術(shù)方面，諸如受激發(fā)射損耗(STED：Stimulated Emission Depletion Microscopy)熒光顯微技術(shù)和單分子定位熒光顯微鏡(SMS：Single Molecule Spectroscopy)等。

上述的顯微技術(shù)，雖然可以實(shí)現(xiàn)超分辨成像，但是仍存在著不足之處。其中，STED系統(tǒng)中有激發(fā)光和損耗光兩類(lèi)光，在激發(fā)光斑和中空損耗光斑的疊加的區(qū)域，受到損耗的熒光粒子失去發(fā)射熒光光子的能量，而剩下的可發(fā)射熒光區(qū)被限制在小于衍射極限區(qū)域內(nèi)。這種超分辨實(shí)現(xiàn)方式對(duì)光功率要求很高，易造成熒光分子的漂白，同時(shí)系統(tǒng)復(fù)雜，搭建成本高。而SMS顯微鏡需要通過(guò)對(duì)單分子逐漸點(diǎn)亮的方式事先超分辨，成像速度慢，并且后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作量大，不能實(shí)時(shí)的成像。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型針對(duì)之前超分辨顯微技術(shù)中存在的對(duì)光功率要求過(guò)高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、搭建成本較高以及成像速度慢等問(wèn)題，提出了一種基于半球微結(jié)構(gòu)的超分辨顯微裝置，該裝置利用了半球微結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)聚焦效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了超分辨顯微技術(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本專(zhuān)利包含以下技術(shù)方案：

一種基于半球微結(jié)構(gòu)的超分辨顯微裝置，包括激光器、第一偏振分束鏡、第二偏振分束鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、半波片、上物鏡、下物鏡和探測(cè)器。所述的上物鏡和下物鏡之間設(shè)有用于聚焦光線(xiàn)的半球微結(jié)構(gòu)和用于承載樣品的樣品臺(tái)。所述半球微結(jié)構(gòu)為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，包括第一半球和第二半球，所述樣品臺(tái)位于第一半球和第二半球之間。

激光器發(fā)射的光束照射到第一偏振分束鏡上，被第一偏振分束鏡分為兩束振動(dòng)方向互相垂直的偏振分束，分別為第一偏振分束和第二偏振分束。其中，第一偏振分束穿過(guò)第一偏振分束鏡后，其振動(dòng)方向垂直于紙面，之后第一偏振分束沿原光束方向照射到第一反射鏡上，被第一反射鏡反射后，由上物鏡聚焦在承載樣品的樣品臺(tái)上表面附近；第二偏振分束被第一偏振分束鏡反射后，其振動(dòng)方向垂直于第二偏振分束的光束傳播方向和第一偏振分束振動(dòng)方向所構(gòu)成的平面，而后第二偏振分束照射到第二反射鏡上，被反射到第二偏振分束鏡，接著第二偏振分束鏡反射第二偏振分束，第二偏振分束經(jīng)過(guò)半波片調(diào)制，振動(dòng)方向被調(diào)制為垂直于紙面方向，接著第二偏振分束被下物鏡聚焦在承載樣品的樣品臺(tái)下表面。

所述振動(dòng)方向?yàn)楣馐碾妶?chǎng)振動(dòng)方向。

第一偏振分束、第二偏振分束分別由上、下物鏡聚焦在承載樣品的樣品臺(tái)上、下表面附近，分別在各自聚焦位置形成光勢(shì)阱捕獲半球微結(jié)構(gòu)中的第一半球和第二半球，使得兩半球固定在上下物鏡間的樣品臺(tái)的上下表面。同時(shí)，第一偏振分束、第二偏振分束通過(guò)上述光路后，會(huì)分別被第一半球和第二半球耦合，在第一半球和第二半球之間形成超分辨聚焦光斑，照射在樣品臺(tái)上的樣品表面。樣品的探測(cè)的光經(jīng)過(guò)半波片后，被下物鏡收集，穿過(guò)第二偏振分束鏡被探測(cè)器探測(cè)，得到顯示樣品結(jié)構(gòu)的光斑。在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，半球微結(jié)構(gòu)和上、下物鏡保持不動(dòng)，通過(guò)移動(dòng)樣品臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)掃描成像。

所述第一半球和第二半球的結(jié)構(gòu)可以利用時(shí)域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，F(xiàn)DTD)進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)超分辨聚焦光斑。

所述超分辨聚焦光斑，指聚焦光斑的半高寬的大小小于或等于激光器發(fā)射波長(zhǎng)的二分之一。

所述半高寬是指光強(qiáng)強(qiáng)度為最大光強(qiáng)一半時(shí)，所對(duì)應(yīng)的聚焦光斑的寬度。

作為優(yōu)選，激光器所選用的激光波長(zhǎng)為632nm。

作為優(yōu)選，樣品臺(tái)和第一半球之間、樣品臺(tái)和第二半球之間可以添加純水，提高能量利用率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用了上述技術(shù)方案的基于半球微結(jié)構(gòu)的超分辨顯微裝置，具有如下有益效果：

1、本實(shí)用新型采用半球微結(jié)構(gòu)，無(wú)需復(fù)雜的光路即可實(shí)現(xiàn)超分辨成像，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，搭建方便。

2、本實(shí)用新型直接掃描即可得到樣品的整體結(jié)構(gòu)，無(wú)需后續(xù)數(shù)據(jù)處理，可實(shí)現(xiàn)所見(jiàn)即所得，操作簡(jiǎn)便。

附圖說(shuō)明

圖1為本專(zhuān)利基于半球微結(jié)構(gòu)的超分辨顯微裝置的具體實(shí)施方式的示意圖；