[發明專利]基于雙芯光纖光操控和動態散斑照明顯微成像系統

有效

• 申請號: 202110004297.9
• 申請日: 2021-01-04
• 公開（公告）號: CN112835190B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 尹君;王少飛;于凌堯;陳宏宇;胡徐錦;賈源;苑立波
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G02B21/00
• 分類號: G02B21/00;G02B21/36;G01N15/14;G01N21/64
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本發明提供的是一種基于雙芯光纖光操控和動態散斑照明顯微成像系統。其特征是：該裝置光操控部分由兩條輸出端面加工成特定角度的兩芯光纖相向安裝組成。激光光束分別經單模光纖耦合進一條兩芯光纖，在輸出端面附近形成聚焦光場，穩定捕獲待測細胞。通過調節另一條兩芯光纖各纖芯的輸出功率，使細胞繞特定軸線旋轉。細胞每旋轉至一定角度并達到穩定狀態后，利用動態散斑照明寬場熒光顯微技術獲取細胞的層析圖像，最終重構細胞的三維結構圖像。本發明構建的系統可實現獲取活體單細胞高時間和空間分辨率的三維結構圖像，具有結構簡單、造價低廉、操作簡便等特點，在生物學、醫學和生命科學等眾多研究領域中具有廣泛的應用前景。

(一)技術領域

本發明涉及的是一種基于雙芯光纖光操控和動態散斑照明顯微成像系統，可用于活體單細胞三維結構的高時間分辨率、高空間分辨率成像，屬于生物光子學領域。

(二)背景技術

細胞是生命結構和功能的基本單位，對細胞的深入研究是揭示生命現象奧秘、改造生命和克服疾病的關鍵。通過對單細胞進行分析研究，可以研究大量細胞群體時觀察不到的現象和機制。一方面，生命系統存在著不同的層次，生物科學要研究各個不同層次的生命系統及其相互關系，首先要研究的就是細胞。另一方面，生物體中絕大部分反應都是在細胞內進行的，如果不弄清楚細胞的基本結構、功能和種類，那么其他的研究就很難進行。

如何在保持細胞活性的條件下來研究細胞的各種生理特性是當下的一個熱門課題。通過對活細胞的研究觀察，可以觀察到在保持活性狀態下某些特有的現象，也有助于從細胞層面來解決問題，這就對細胞活性提出了條件。為了更好的對細胞進行更深入的了解，構建一個維持細胞活性的裝置具有深遠的意義。

激光掃描共焦顯微鏡是一種性能良好的光學顯微成像工具，在生命科學研究中獲得了廣泛的應用。它與普通的寬場熒光顯微成像方法相比，共焦熒光顯微鏡的優點在于能夠獲得一定厚度樣品的三維層析圖像，可提供較高的時間和空間分辨率。但是這種顯微成像方法需要對一個或多個照明點進行掃描，需要三維掃描系統，從而使系統復雜且成像速度較慢。為了提高成像速度，提出了多種非掃描的寬場顯微成像技術，比如結構光照明顯微成像技術。但是在結構光照明顯微成像技術中，由于樣品對結構光的散射會降低圖像的對比度，所以結構光顯微成像技術不太適合用于對厚組織成像。近年來，一種利用散斑照明來提供深層層析分辨能力的熒光顯微成像新技術得到了快速發展。這種成像技術能獲得高的時間和空間分辨率三維結構圖像，具有成像速度快、設備簡單、成本低廉等優點。

在寬場顯微成像技術中，為了獲得不同層面的層析圖像，仍需要調整照明系統以便獲得層析圖像。光鑷技術是一種可以穩定捕獲待測活體單細胞，并對其實現操控的有力工具。傳統的光鑷系統需要使用大數值孔徑物鏡在焦點處形成強的光勢阱從而實現細胞的捕獲和操控，系統體積龐大、靈活性差、造價昂貴，并且在使用過程中受到許多因素，如工作距離和基片兼容性的限制。基于光纖實現的光纖光操控技術對基片材料或厚度沒有任何要求，可以靈活地在介質中任意移動，且體積小、可操作性強，具有很高的可集成度。近年來,基于光纖的光操控技術已經實現了對細胞的捕獲、移動、旋轉和運輸,這些技術被廣泛應用在細胞分析、疾病診斷等過程中。

本發明涉及的是一種基于雙芯光纖光操控和動態散斑照明的寬場熒光顯微成像系統。利用相向安裝的兩條特殊設計的雙芯光纖精準操控細胞，使其繞特定軸線旋轉。當細胞旋轉至每一個角度并達到穩定狀態后，使用動態散斑照明的寬場熒光顯微成像技術獲取細胞的層析圖像。通過獲得不同角度上的細胞層析圖像，最終重構細胞整體的三維結構圖像。

(三)發明內容

本發明的目的在于提供一種結構簡單緊湊，具有高時間分辨率、高空間分辨率等成像優點的一種基于雙芯光纖光操控和動態散斑照明顯微成像系統。