[發明專利]隨機光學重建與結構光照明復合超分辨成像系統

有效

• 申請號: 202011524528.0
• 申請日: 2020-12-22
• 公開（公告）號: CN112798564B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 李思黽;陳曉虎;文剛;梁永;金鑫;李輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64;G01N21/01
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱炳斐;馬魯晉

本發明公開了一種隨機光學重建與結構光照明復合超分辨成像系統，包括：光源模塊，用于提供多個不同波長的合束照明光線，并控制光線照明時序，還用于控制單一波長光線照明，或者多個波長光線交替照明，或者多個波長光線同時照明；復合光場調控模塊，包括用于將入射光場調控為余弦結構照明光場的第一光學調控裝置，和用于將入射光場調控為均勻照明光場的第二光學調控裝置；兩種光學調控裝置可以獨立工作、交替工作或者同時工作；熒光成像模塊，用于采集樣本的多幅原始熒光圖像并由計算機重建超分辨圖像。本發明通過在一套光學成像平臺實現隨機光學重建與結構光照明兩種超分辨成像技術聯用，可實現對復雜生物體系的多模式、跨分辨率尺度同時成像。

技術領域

本發明屬于顯微成像技術領域，特別是一種隨機光學重建與結構光照明復合超分辨成像系統。

背景技術

熒光超分辨成像具有廣泛的應用前景，目前已經存在多種超分辨成像技術，包括隨機光學重建超分辨成像技術、結構光照明超分辨成像技術、受激輻射損耗超分辨成像技術等。這些技術在提高分辨率的同時，伴隨著成像速度降低、照明光功率升高、光毒性增大、成像視場變小等不利因素。

現有技術中，隨機光學重建超分辨成像方法(STORM)的技術原理是：利用光開關熒光蛋白，將衍射極限范圍內的單個分子在不同的時間隨機地激活，并將各個熒光分子精確定位再重組，疊加獲得超分辨圖像，分辨率能夠達到10nm甚至更高。隨機光學重建顯微鏡主要用于細胞內單分子成像以及觀測精細亞細胞結構，如觀測細胞內單個蛋白的精確定位，觀測蛋白與蛋白之間的相互作用，以及細胞內的微絲，微管，粘著斑，內含物等精細結構。但是隨機光學重建顯微鏡需要采集大量原始圖像(典型值為2萬幅)才能重構出一張超分辨圖像，成像時間從數秒鐘到數十分鐘不等，時間分辨率較低，難以用于活細胞成像。

結構光照明超分辨成像方法(SIM)的技術原理是：將多重相互干涉的光束照射到樣本上，然后從收集到的熒光圖像中提取高分辨率的信息，并重構超分辨圖像。結構光照明超分辨技術因其成像速度快，激發光能量較低，對細胞傷害小，主要被用于觀測亞細胞水平的活體觀測，包括線粒體動態變化，細胞骨架動態變化，染色體動態變化，細胞內小囊泡運動，病毒在細胞內的移動等。但結構光照明的成像分辨率最高能較傳統熒光顯微鏡提高2倍，達到100nm水平，難以諸如馬達蛋白沿細胞骨架運動、病原體顆粒入侵細胞過程等精細生化反應，這限制了其在超微生物學、醫學等領域中的應用。

生命科學和基礎醫學等領域對高端成像技術的需求，涵蓋了超高空間分辨率、成像速度快、光照功力低、光毒性小、成像視場大等，這些需求從技術層面看存在難以調和的矛盾，目前尚沒有任何單一技術手段能夠同時滿足這些需求，將不同種類的技術聯用是突破相關困境的重要突破方向。

發明內容

本發明的目的在于提供一種隨機光學重建與結構光照明復合超分辨成像系統，滿足生命科學和基礎醫學研究中跨分辨率尺度成像的迫切需求。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種隨機光學重建與結構光照明復合超分辨成像系統，所述系統包括：

光源模塊，用于提供多個不同波長的合束照明光線，并控制光線照明時序，還用于控制單一波長光線照明，或者多個波長光線交替照明，或者多個波長光線同時照明；

復合光場調控模塊，包括用于將入射光場調控為余弦結構照明光場的第一光學調控裝置，和用于將入射光場調控為均勻照明光場的第二光學調控裝置；兩種光學調控裝置可以獨立工作、交替工作或者同時工作；

熒光成像模塊，用于采集樣本的多幅原始熒光圖像并由計算機重建超分辨圖像。

進一步地，所述光源模塊包括：多個波長不同的光源、反射合束組件、聲光可調諧濾波器、光纖耦合器、保偏光纖；所述多個波長不同的光源發出的光線通過反射合束組件合束后，照射到聲光可調諧濾波器，所述聲光可調諧濾波器的一級衍射光經光纖耦合器收集進入保偏光纖中，之后經保偏光纖將光線引入復合光場調控模塊。

進一步地，所述反射合束組件包括：