CN103091297A

CN103091297A - 一种基于随机荧光漂白的超分辨显微方法和装置

Info

Publication number: CN103091297A
Application number: CN2013100396127A
Authority: CN
Inventors: 匡翠方; 王轶凡; 刘旭
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2033-01-30
Also published as: CN103091297B

Abstract

本发明公开了一种基于随机荧光漂白的超分辨显微方法，包括以下步骤：1)将激光光束聚焦到带有荧光标记的待测样品上，待测样品经激光光束激发发出荧光；2)收集所述待测样品发出的荧光，得到荧光强度信息；3)在待测样品上设置感兴趣区域，并对感兴趣区域进行漂白，并在漂白过程中收集待测样品发出荧光的荧光强度信息；4)通过计算机对上述的荧光强度信息进行比较分析，得到所述感兴趣区域中相应荧光分子的位置信息，并通过重构算法得到超分辨图像。本发明还公开了一种基于随机荧光漂白的超分辨显微装置，本发明装置结构简单，横向分辨率高，且系统信噪比高。

Description

一种基于随机荧光漂白的超分辨显微方法和装置

技术领域

本发明属于光学超分辨显微领域，特别涉及一种基于随机荧光漂白的超分辨显微方法和装置。

背景技术

随着科学技术的发展，人们不断追求越来越小的尺寸结构和越来越高的分辨能力，特别是在微电子、航空航天、纳米加工、生命科学和材料工程等领域，对高分辨能力的要求日益迫切。

虽然电子显微镜、原子力显微镜、扫描电镜和近场扫描显微镜等具有很高的分辨能力，但是它们对于样品或者操作环境的高要求以及对于探针的依赖，使得其应用范围受到很大的限制。远场光学显微镜具有无需接触和对样品损害较小的特点，但是根据阿贝的成像理论，其分辨率受到衍射极限的限制，落入衍射极限内的结构无法区分，因此远场光学超分辨的实现方法的实现是目前研究的热点之一。

目前，实现远场光学超分辨的方法主要分为三大类：光学带宽展宽，点扩散函数工程和光学带宽的恢复。光学带宽展宽主要包括通过使用高数值孔径或者通过空间调制获得高分辨率，例如使用固态浸没透镜和结构光照明(Structure Illumination Microscopy，SIM)等方法；点扩散函数工程主要是通过获取更小的有效点扩散函数来达到超分辨，代表方法就是受激发射损耗显微术(Stimulated emitting depletion Microscopy，STED)；光学带宽恢复主要是指利用后续处理方法，例如反卷积算法，或者是利用时间域通道来获取超分辨，例如基于单分子定位原理实现超分辨的随机光学重构显微术(Stochastic optical reconstruction microscopy，STORM)和光激活定位显微术(Photoactivated localization microscopy，PALM)。

STED是目前主流的超分辨方法之一，但是这种超分辨方法需要在传统共聚焦显微镜的基础上集成新的模块或者器件，这些模块或者器件往往比较贵。PALM和STORM利用荧光分子发光的随机性，通过每次稀疏的激活少数荧光分子发光从而定位拟合来实现超分辨，基于单分子定位的显微方法是远场光学超分辨方法中分辨率最高的，但是PALM和STORM都需要配备特殊的荧光染料而不能直接应用于常见的荧光染料。

发明内容

本发明提供了一种基于随机荧光漂白的超分辨显微方法和装置，利用荧光分子之间漂白速率的差异，通过探测共聚焦显微系统下随机荧光漂白过程中的强度变化量，对衍射极限内的荧光分子进行定位，从而获得超分辨图像。本发明结构简单，无需特殊的附加模块，无需特殊的荧光染料，横向分辨率仅受定位精度限制(不再受衍射极限限制)，特别适用于生命科学研究中的超分辨成像。

一种基于随机荧光漂白的超分辨显微方法，包括以下步骤：

1)将激光光束聚焦到带有荧光标记的待测样品上，待测样品经激光光束激发发出荧光；

2)收集所述待测样品发出的荧光，得到荧光强度信息；

3)在待测样品上设置感兴趣区域，并对感兴趣区域进行漂白，并在漂白过程中收集待测样品发出荧光的荧光强度信息；

4)通过计算机对上述的荧光强度信息进行比较分析，得到所述感兴趣区域中相应荧光分子的位置信息，并通过重构算法得到超分辨图像。

漂白表示发出荧光的粒子逐步失去发荧光的特性，不同的粒子之间存在漂白速率的差异，即不同的处于发出荧光状态的粒子至失去发荧光的特性之间的时间不同，本发明采用粒子漂白过程中的这一特性，收集漂白过程中的荧光强度信息，并同归将上述的荧光强度信息比较分析，可以获得相应荧光分子的位置信息，然后将该位置信息通过重构算法得到超分辨图像。

本发明的荧光强度信息为反映荧光强度变化的视频，还可以为反映荧光强度变化的多幅图像，且上述的荧光强度信息均通过光电倍增管收集，光电倍增管可将微弱光信号通过光电效应转变成电信号并利用二次发射电极转为电子倍增的电真空器件，能探测荧光分子在漂白过程中的荧光强度变化，提供分辨率。

通过对比两幅图像中荧光分子的强度变化量，根据强度变化量在图片中的位置得到相应荧光分子的位置信息。比较完后需对位置信息进行判定，判断是否存在虚假位置信息，该虚假位置信息会影响荧光分子的定位精度和最后图像的准确度。

本发明还提供了一种基于随机荧光漂白的超分辨显微装置，包括沿激光光束光路依次布置的激光器、扫描振镜系统、显微物镜和用于放置待测样品的样品台；

还设有用于采集所述待测样品发出荧光的荧光强度信息的探测器；

以及用于对所述荧光强度信息进行比较分析的计算机。

所述的探测器为光电倍增管，光电倍增管可将微弱光信号通过光电效应转变成电信号并利用二次发射电极转为电子倍增的电真空器件，能精确探测荧光分子在漂白过程中的荧光强度变化。

所述激光器和扫描振镜系统之间设有二色镜，所述二色镜用于透过激光器发出的激光光束，并反射待测样品发出的荧光。

所述二色镜和探测器之间设有用于滤去待测样品发出荧光中的杂散光的滤光片，滤光片用于滤去显微物镜收集的杂散光，仅允许待测样品发出的荧光通过滤光片。

所述激光器包括发出不同波长激光光束的第一激光器和第二激光器，所述探测器为分别与所述第一激光器和第二激光器对应的第一探测器和第二探测器。在待测样品上放置带两种不同荧光标记的荧光样品，第一激光器和第二激光器发出的激光光束分别作用于两种不同的荧光标记并发出荧光，通过分光镜将两种不同荧光标记发出的荧光分开，并被第一探测器和第二探测器收集，可一次性得到对荧光样品上同一感兴趣区域不同荧光标记结构的超分辨图像。

本发明的工作原理如下：

对记录漂白过程的图像叠堆或者视频进行处理：由于光学衍射极限的存在，落入光学衍射极限范围内的多个荧光分子发光通过共聚焦显微镜无法区分，看上去是一个亮斑(即艾里斑)，通过利用荧光分子漂白的速率差异性和随机性，即使同一艾里斑内的荧光分子漂白速率也不相同，则通过记录感兴趣区域的漂白过程，通过漂白速率的快慢来定位艾里斑内的荧光分子位置，最终进行图像重构，可以获得超分辨的显微图像。漂白速率的快慢体现在两帧图像之间的荧光变化量，通过两帧图像相减可以获得这两帧图像时间差内荧光的变化量，通过定位荧光的变化量来定位荧光分子位置，从而实现超分辨。

假设图片叠堆或视频共有T帧图片，第i帧图片对应的数字矩阵为I_i，第i+d帧图片对应的数字矩阵为I_i+d(d一般取正整数，取1时为两张相邻)，将每相隔d-1的两帧图像进行漂移校正和去噪处理，然后进行相减，则两帧图像之间的差异量C_i＝|I_i-I_i+d|，d取值的大小由图片记录速度和感兴趣区域漂白速度共同决定，d取值的大小也决定了最终记录差异量的矩阵数量为T-d个。由于感兴趣区域内荧光分子被漂白的速率不同且具有随机性，则通过相减可以获得这两帧图片之间稀疏的荧光分子的强度变化量，每个变化量的位置都对应于一个荧光分子的位置，通过定位变化量的位置就可以获得相应荧光分子的位置，从而解决了落在衍射极限内的多个荧光分子无法分辨的问题；其中C_i取绝对值的原因是在漂白的过程中还会有荧光闪烁的现象产生，导致某些颗粒随机性的消失又出现，随机荧光闪烁的变化量也可以用于超分辨定位。其中因为漂白过程很快且漂白速率的差异很小，需要尽量快的扫描速度。

依据变化量对荧光分子进行定位：将记录随机变化量的矩阵C_i(1≤i≤T-d)进行处理，因为荧光漂白的速率差异性和随机性，相隔d-1帧图像相减并取绝对值可以获得两帧图像之间稀疏的荧光分子的变化，通过阈值判断、高斯拟合、贝塞尔拟合或者最大似然估计等定位算法对随机量对应的荧光分子进行定位，可以获得这两帧上随机量变化对应的荧光分子的位置，通过对所有记录变化量的矩阵进行分析定位，并将所有位置信息汇总到一张图上，可以获得整个感兴趣区域的荧光分子的位置信息，将记录所有位置信息的矩阵设为L。其中阈值判断的原因是相减两帧图像之间探测到的强度变化量不一定为荧光分子从有到无的变化量，即荧光分子可能还未完全漂白，另外由于噪声的随机性也有可能造成误判，需要设立阈值来提高精度；其中可以利用贝塞尔函数拟合或者高斯拟合判断中心来定位的原因是自然界中的点扩散函数的分布为贝塞尔型或者可以简化为高斯型，而每个被光学系统收集到的荧光分子的发光分布也是点扩散函数形式；其中定位数量的精度取决于图像记录的速度与荧光漂白速度的匹配，定位精度取决于系统的稳定性和定位算法的选取等。

最后对记录的所有位置信息进行判定，判断是否是虚假位置信息。对去掉虚假点的L进行图像重构，最终获得所需的超分辨图像。

本发明将共焦显微术与图像处理算法相结合，采用对感兴趣区域漂白过程的图像记录，利用荧光分子漂白速率的差异性和随机性，通过测量漂白过程中的随机变化量来定位荧光分子的位置，最终通过重构算法获取最终超分辨图像。

与现有技术相比，本发明具有以下创新点：

(1)无需特殊的荧光染料；

(2)横向分辨率高，采用的是基于荧光分子定位的思想，分辨率只局限于定位的精度；

(3)装置结构简单，普通的激光共聚焦扫描显微系统，无需添加其他模块；

(4)系统信噪比高，采用的是共聚焦系统。

附图说明

图1为本发明的操作流程图；

图2为本发明图像处理的原理示意图；

图3为本发明单色系统的装置图；

图4为本发明双色系统的装置图；

图5为本发明的荧光漂白过程的示意图；

图6为本发明的荧光闪烁过程的示意图；

图7为采用本发明单色系统和相关后续处理方法的结果图与普通共聚焦的结果图对比。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

实施例1

如图3所示，一种基于随机荧光漂白的单色超分辨显微装置，包括：激光器1，单模光纤2，第一光纤准直器3，二色镜4，扫描振镜系统5，场镜6，显微物镜7，待测样品8，样品台9，第一透镜10，针孔11，探测光纤12，第二光纤准直器13，滤光片14，第二透镜15，光电倍增管(PMT)16，主控计算机17。

其中，激光器1发出激光光束，单模光纤2、第一光纤准直器3、二色镜4、扫描振镜系统5、场镜6、显微物镜7和样品台9依次设置在激光光束光路的光轴上。第一光纤准直器3对激光光束进行准直，二色镜用于透射激发光和反射样品的荧光，扫描振镜系统5与场镜6用于完成对样品的二维扫描，显微物镜7用于聚焦扫描光束和收集样品发射的荧光，样品台9用于放置固定样品和调焦。

第一透镜10，针孔11，探测光纤12，第二光纤准直器13，滤光片14，第二透镜15，光电倍增管(PMT)16依次设置在二色镜4的反射光路上，且探测光纤12的光纤端面放置在第一透镜10的焦平面，光电倍增管(PMT)16的感光面放置在第二透镜15的焦面上，主控计算机17同时连接扫描振镜系统5和光电倍增管(PMT)16。

采用图2所示的装置实现基于随机荧光漂白的单色超分辨显微装置方法，流程图和图像处理的原理示意图分别如图1和图2所示，其工作过程如下：

1、利用图3中的共聚焦系统记录感兴趣区域的漂白过程：

激光器1发射出光束(本实施例采用波长为488nm的蓝光作为激发光)，经单模光纤2耦合和第一光纤准直器3准直，得到准直光束；准直光束经二色镜4透射后，依次经过扫描振镜系统(主要包括两面反射镜和一个扫描透镜)5和场镜6，最后经显微物镜7聚焦到荧光标记的待测样品8上(本实施例采用的样品为标记了Invitrogen公司Alexa488的人胚肾细胞)；

待测样品经激光激发发射荧光，经显微物镜7收集，再依次经过场镜6和扫描振镜系统5，最后经二色镜4反射形成第一反射光；第一反射光经第一透镜10聚焦后，通过针孔11，最终聚焦于探测光纤12的端面，由探测光纤12出射的光经第二光纤准直器13准直后，依次通过滤光片14和第二透镜15，聚焦到光电倍增管(PMT)16的感光面上，光电倍增管(PMT)16将获得的信号强度传至主控计算机17；

主控计算机17上设定要扫描的感兴趣区域(本实施例中感兴趣区域的大小为512*512个像素大小，每个像素28nm，采集速度30帧/秒)，并通过样品台9手动调至焦面，之后对感兴趣区域进行漂白，并通过与光电倍增管(PMT)16配套的软件记录记录感兴趣区域的漂白过程。

2、对记录漂白过程的图像叠堆或者视频进行处理，如图1和图2所示：

通过相减获取两帧图像之间的漂白随机变化量：假设图片叠堆或视频共有T帧图片，第i帧图片对应的数字矩阵为I_i，第i+d帧图片对应的数字矩阵为I_i+d(d一般取正整数，取1时为两张相邻)，将每相隔d-1的两帧图像进行漂移校正和去噪处理，然后进行相减，则两帧图像之间的随机变化量C_i＝|I_i-I_i+d|，d取值的大小由图片记录速度和感兴趣区域漂白速度共同决定，d取值的大小也决定了最终记录变化量的矩阵数量T-d个。

由于感兴趣区域内荧光分子被漂白的速率不同且具有随机性，则通过相减可以获得这两帧图片之间稀疏的荧光分子的变化量，每个变化量的位置都对应于一个荧光分子的位置，通过定位变化量的位置就可以获得相应荧光分子的位置，从而避免了落在衍射极限内的多个荧光分子无法分辨的问题；如图5所示，图5中A图表示有3颗荧光分子，但是右侧的两个距离太近而无法区分，经漂白后，右侧的其中一颗先漂白，所以在图5中B图只能看到两颗荧光分子，继续漂白，图5中C图只剩下一颗荧光分子，直至最后全部漂白，如图5中D图所示。

其中C_i取绝对值的原因是在漂白的过程中还会有荧光闪烁的现象产生，导致某些颗粒随机性的消失又出现，随机荧光闪烁的变化量也可以用于超分辨定位。如图6所示，表示荧光闪烁的过程，从图6中A图可以看出，该图像中存在三颗荧光分子，漂白一段时间后，其中一颗荧光分子消失，如图6中B图所示，继续漂白，采集的图像中又重新出现三颗荧光分子，如图6中C图所示。从图6中可以看出，荧光分子颗粒随机性的消失又出现，表示漂白过程中荧光闪烁的现象。

3、对记录的所有位置信息进行判定，判断是否是虚假位置信息，将所有位置信息按照定位的质量由高到低排序，可采用阈值判断、高斯拟合等相关运算，将低于设定标准的低质量的位置信息舍弃，上述的定位质量即是定位的精度和理论符合度；对去掉虚假点的L进行图像重构，最终获得所需的超分辨图像。

最终结果如图7所示，图7中的A图表示普通共聚焦的人胚肾细胞(HEK细胞)图(五张平均)，图7中的B图表示采用基于随机荧光漂白的超分辨方法的结果图(1000张重构)，A和B为同一区域，将两幅图进行对比，可以看出图像分辨率明显改善，细胞内部结构变得比较清晰。

实施例2

通过添加激发光模块和探测模块，可以使图4所示的装置用于基于随机荧光漂白的双色超分辨显微(针对标记了两种荧光染料的样品，且要求两种荧光样品发出的荧光波长不同)。图4与图3相比，在激发光端放入另一激发光模块，包括附加激光器18，附加单模光纤19，附加光纤准直器20和与两激发光波长匹配的附加二色镜21，附加二色镜21的作用是使两激发光空间上重合；同时相应的在探测端添加一探测模块，包括附加PMT25，附加透镜24和附加滤色片23和与两探测荧光匹配的探测二色镜22，探测二色镜的作用是将本来共路的两探测光分开探测，其他步骤与实施例1相同。双色系统中，单个PMT采集的图像叠堆或者视频的处理方法与实例1相同，即两个PMT最终分别获得一幅超分辨图像，通过两个超分辨图叠加获得最终双色的超分辨图。

Claims

1.一种基于随机荧光漂白的超分辨显微方法，其特征在于，包括以下步骤：

2)收集所述待测样品发出的荧光，得到荧光强度信息；

2.如权利要求1所述的基于随机荧光漂白的超分辨显微方法，其特征在于，所述荧光强度信息为反映荧光强度变化的视频。

3.如权利要求1所述的基于随机荧光漂白的超分辨显微方法，其特征在于，所述荧光强度信息为反映荧光强度变化的多幅图像。

4.如权利要求3所述的基于随机荧光漂白的超分辨显微方法，其特征在于，所述步骤3)中采用光电倍增管收集所述的荧光强度信息。

5.如权利要求4所述的基于随机荧光漂白的超分辨显微方法，其特征在于，通过对比两幅图像中荧光分子的强度变化量，根据强度变化量在图片中的位置得到相应荧光分子的位置信息。

6.一种基于随机荧光漂白的超分辨显微装置，其特征在于，包括沿激光光束光路依次布置的激光器、扫描振镜系统、显微物镜和用于放置待测样品的样品台；

以及用于对所述荧光强度信息进行比较分析的计算机。

7.如权利要求6所述的基于随机荧光漂白的超分辨显微装置，其特征在于，所述的探测器为光电倍增管。

8.如权利要求6所述的基于随机荧光漂白的超分辨显微装置，其特征在于，所述激光器和扫描振镜系统之间设有二色镜，所述二色镜用于透过激光器发出的激光光束，并反射待测样品发出的荧光。

9.如权利要求8所述的基于随机荧光漂白的超分辨显微装置，其特征在于，所述二色镜和探测器之间设有用于滤去待测样品发出荧光中的杂散光的滤光片。

10.如权利要求9所述的基于随机荧光漂白的超分辨显微装置，其特征在于，所述激光器包括发出不同波长激光光束的第一激光器和第二激光器，所述探测器为分别与所述第一激光器和第二激光器对应的第一探测器和第二探测器。