[發(fā)明專利]一種微型結(jié)構(gòu)光照明超分辨熒光顯微成像方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810104073.3
• 申請(qǐng)日: 2018-02-02
• 公開（公告）號(hào): CN108227174B
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳堅(jiān);張二軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B21/36
• 分類號(hào): G02B21/36;G02B27/58;G01N21/64
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種微型結(jié)構(gòu)光照明超分辨熒光顯微成像方法及裝置，屬于光學(xué)超分辨顯微成像及熒光檢測領(lǐng)域。該微型結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生裝置由多邊形棱臺(tái)和多個(gè)線狀激光器組成；多邊形棱臺(tái)為透明材質(zhì)的，下底面面積大于上底面面積，多邊形棱臺(tái)側(cè)面與底面的夾角記為β，至少有兩個(gè)多邊形棱臺(tái)側(cè)面配有線狀激光器，每個(gè)線狀激光能夠在棱臺(tái)的上下底面之間以β角度“之字型”折線反射式傳播，并且每次光振蕩到上底面會(huì)有一部分光因折射而泄露，最終，裝置上表面將產(chǎn)生清晰的條紋結(jié)構(gòu)光。可用于超分辨熒光顯微系統(tǒng)中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種微型的結(jié)構(gòu)光照明熒光顯微成像方法及裝置，屬于光學(xué)超分辨顯微成像及熒光檢測領(lǐng)域。

背景技術(shù)

光學(xué)顯微鏡在生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著十分重要的作用，顯微能力的大小對(duì)科學(xué)的發(fā)展及人的思維有著極其重要的推動(dòng)作用。普通光學(xué)顯微鏡由于其本身洐射極限的存在，成像橫向分辨率在200nm左右，縱向分辨率在500nm～600nm。

超分辨光學(xué)顯微技術(shù)以一種新的切入點(diǎn)，通過在普通光學(xué)顯微鏡的基礎(chǔ)上加入對(duì)時(shí)間或空間上的調(diào)制，突破了光學(xué)衍射極限，將顯微鏡的光學(xué)分辨率提高到了100nm以內(nèi)。在多種超分辨顯微成像方法中，結(jié)構(gòu)光照明超分辨熒光顯微鏡以其重構(gòu)超分辨圖像所需原始圖像數(shù)量最少、采集數(shù)據(jù)時(shí)間短而成像速度高；以其激發(fā)光功率遠(yuǎn)低于其它超分辨成像方法，最適合用來動(dòng)態(tài)的熒光快速超分辨成像。

結(jié)構(gòu)光照明超分辨熒光顯微成像過程中使用的結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生裝置主要有光柵調(diào)制產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光、空間光調(diào)制器或數(shù)字微鏡調(diào)制結(jié)構(gòu)光照明圖案。其中前者產(chǎn)生條紋結(jié)構(gòu)光的相位和方向移動(dòng)是借助光柵的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的，所以機(jī)械運(yùn)動(dòng)限制了其成像速度和精度；后者利用數(shù)字控制的方式產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光圖案在一定程度上提高了成像速度。兩者如需進(jìn)一步提高成像時(shí)間分辨率，都需要提高激發(fā)光的功率。但是這會(huì)加速熒光分子的光漂白效應(yīng)，使觀察樣本快速失活。

此外它們還有一個(gè)共同的劣勢：需要一定空間距離來產(chǎn)生干涉條紋。這使得整個(gè)結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生裝置和整個(gè)結(jié)構(gòu)光照明熒光顯微系統(tǒng)體積較大，不利于空間熒光檢測應(yīng)用和緊急事件時(shí)移動(dòng)便攜檢測。理論和實(shí)踐都證明照明結(jié)構(gòu)若以干涉為前提，則結(jié)構(gòu)光照明超分辨熒光顯微系統(tǒng)的體積縮小不可能太多；同時(shí)還不利于活細(xì)胞的熒光檢測。因?yàn)檩^長的干涉距離會(huì)使條紋結(jié)構(gòu)光的對(duì)比度較差，需要依靠提高激發(fā)功率來提高條紋對(duì)比度，以達(dá)到較好的成像目的。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)以上結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生裝置和結(jié)構(gòu)光照明超分辨熒光顯微系統(tǒng)體積大，且難以進(jìn)一步縮小體積，精度和時(shí)間分辨率難以進(jìn)一步提高的問題，我們提出一種覆蓋式的非干涉方式的結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生裝置和基于此的熒光超分辨顯微系統(tǒng)。

首先本發(fā)明提出一種微型結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生裝置。

該微型結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生裝置由多邊形棱臺(tái)和多個(gè)線狀激光器組成；其中，多邊形棱臺(tái)為透明材質(zhì)的，多邊形棱臺(tái)下底面面積大于上底面面積，多邊形棱臺(tái)側(cè)面與底面的夾角記為β，棱臺(tái)的棱與所在側(cè)面的底邊夾角記為α；至少有兩個(gè)多邊形棱臺(tái)側(cè)面配有線狀激光器，每個(gè)線狀激光器均與對(duì)應(yīng)側(cè)面及對(duì)應(yīng)側(cè)面底邊平行，入射光垂直所在側(cè)面入射，線狀激光能夠在棱臺(tái)的上下底面之間以β角度(小于棱臺(tái)材料該激光波長的全反射角)“之字型”折線反射式橫向傳播，并且光每次反射到棱臺(tái)的上底面會(huì)有一部分光因折射而泄露(如圖2所示；為了清晰體現(xiàn)光線傳播，圖2中a) 僅畫出了一條光線；圖2中b) 為模擬的線狀激光于裝置中的傳播圖)。最終，裝置上表面將產(chǎn)生清晰的條紋結(jié)構(gòu)光(如圖3中a) 所示)。

至少兩個(gè)線狀激光器不平行。

通過改變?cè)摱噙呅卫馀_(tái)材料的折射率，如多邊形晶體或玻璃棱臺(tái)，但是保持線狀激光與側(cè)面垂直入射，可以得到如圖3中b) 和圖3中c) 所示的條紋間距不變的側(cè)移條紋結(jié)構(gòu)光，即結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生了相位移動(dòng)。

多個(gè)不平行的激光器可以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)完全相同但方向不同的條紋結(jié)構(gòu)光。使用時(shí)使多個(gè)不平行的激光器輪流工作，使得產(chǎn)生的條紋結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)；如采用3 個(gè)不平行的激光器，則激光器二 、激光器三 產(chǎn)生的條紋結(jié)構(gòu)光可以看作相對(duì)于激光器一 產(chǎn)生的條紋結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)。