[發明專利]一種超快時間分辨率和低激發閾值多光子熒光顯微成像系統

有效

• 申請號: 202010326273.0
• 申請日: 2020-04-23
• 公開（公告）號: CN111537477B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 何一林;鄭燁;楊承帥;齊大龍;姚云華;孫真榮;張詩按
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64;G01N21/01;G02B21/00;G02B21/36
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發明公開了一種超快時間分辨率和低激發閾值多光子熒光顯微成像系統，包括飛秒激光器、自適應飛秒脈沖整形模塊、熒光顯微成像模塊、壓縮感知超快成像模塊及計算通信模塊；本發明通過飛秒激光器及自適應飛秒脈沖整形模塊獲得時域整形后的目標飛秒脈沖，并由熒光顯微成像模塊獲得熒光顯微信號，由壓縮感知超快成像模塊生成稀疏編碼二維數字圖像數據，并由計算通信模塊對稀疏編碼二維數字圖像數據進行目標信號重構。本發明通過對飛秒激光脈沖進行波形整形和相位調制以及熒光信息的稀疏編碼，能夠降低多光子熒光過程的激發閾值，利用稀疏編碼模型進行熒光壽命的估計，從而實現單脈沖的超快時間分辨率的低多光子激發閾值特性的單脈沖熒光顯微成像。

技術領域

本發明涉及激光脈沖整形和計算光學成像技術領域，尤其是一種超快時間分辨率和低激發閾值多光子熒光顯微成像系統。

背景技術

多光子熒光顯微鏡在物理上，與一般的單光子熒光過程本質上的不同是，多光子熒光激發就是一個熒光分子同時吸收兩個或兩個以上的長波長光子，激發出一個滿足能量守恒和動量守恒的短波長光子。因此，多光子熒光技術相較于普通單光子技術對于生物熒光顯微成像具有許多突出的優點——穿透深度深、分辨率高、信噪比高。但是，由于N個光子激發過程是一個非線性物理過程，熒光效率和熒光強度正比于激光脈沖峰值功率的N階次方。因此過高能量的激光脈沖會破壞生物組織樣品，過低的脈沖能量無法達到激發閾值，導致無法產生多光子熒光或者信噪比極低。因此，在目前的多光子熒光顯微鏡中，激發閾值和損傷閾值相互矛盾，限制了多光子熒光顯微鏡的發展。

隨著近年來激光器的高速發展，飛秒激光器產生飛秒脈沖，具備超短脈沖、超高能量、寬頻譜等特點。因此，基于紅外波段飛秒激光的多光子熒光顯微技術，除了具備多光子熒光顯微的特點，還具有高峰值功率、低熱效應、多個激發通道等優勢。飛秒脈沖整形技術是基于飛秒脈沖啁啾技術，利用空間光調制器對飛秒脈沖進行頻域尺度上的強度和相位調制，從而實現對飛秒脈沖的時域形狀的調制。基于多光子激發過程的相位匹配原理，通過脈沖整形技術可以實現在光學手段上對多光子激發過程進行調控。

隨著生命科學的發展，為了更好地研究生命過程，人們需要一種有效的光學顯微成像技術對生物體內的過程實時觀測。由于熒光壽命顯微鏡（Flurescence lifetimeimaging microscopy, FLIM）其在檢測細胞活動時擁有專一性和敏感性的特點，FLIM技術目前在生物醫學、材料科學、化學以及其他相關領域里正快速發展和應用推廣。例如，用于研究蛋白質之間的相互作用、新陳代謝狀態、藥物作用的監測和分析、表征新材料、診斷早期癌癥。從這些應用可以看出，在盡可能短的采樣時間內獲取所需FLIM數據是一個重要的課題。與單張相片拍攝不同，視頻采樣是一個對于三維時空連續測量的采樣過程。由于視頻成像的過程信息量龐大，電子器件的信息傳輸物理極限極大地限制了視頻連續采樣過程的重復頻率，這對于掃描式的熒光壽命顯微鏡FLIM在連續拍攝上帶了極大的挑戰。因此，為了確保熒光壽命視頻中每幀熒光壽命圖的熒光壽命信息的同時性，或者說，為了確保單幀熒光壽命圖的像素間的時延較低，利用單脈沖進行熒光壽命測量是目前很有潛力的發展方向。

隨著計算科學和信息論的發展，壓縮感知理論的出現，打破了傳統的奈奎斯特采樣定律，人們可以通過在采樣的過程同時進行編碼壓縮，然后通過計算機算法對少量數據進行重構還原出完整的信號。結合了這種壓縮感知采樣理論的計算顯微成像技術，能夠突破傳統相機直接成像所受到的器件限制，實現高于CMOS器件速率的超快成像速度。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足而提供的一種超快時間分辨率和低激發閾值多光子熒光顯微成像系統，本發明通過飛秒激光器及自適應飛秒脈沖整形模塊獲得時域整形后的目標飛秒脈沖，并由熒光顯微成像模塊獲得熒光顯微信號，