CN104568710B - 一种高时空分辨光学检测与显微成像方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高时空分辨光学检测与显微成像方法与装置，该装置包括：一激光器系统，用来产生和发射一束或两束的激光光束；一光束传输和控制相关光电元器件，其包含第一光路光电元器件、第二光路光电元器件以及两光路耦合传输光电元器件组成，所述第一光路光电元器件用来传输和控制第一光路的激光光束，所述第二光路光电元器件用来传输和控制第二光路的激光光束；一光学显微镜，利用一路或耦合后的两路激光光束进行样品照射、检测并成像；以及一微弱信号光电探测器件，用来对图像中预定区域实现单通道或双通道的时间相关光谱计数与检测。本发明不仅可以在活细胞上开展相关研究，也可以拓展应用到活体小动物或离体组织的高时空分辨光学检测与显微成像。

Description

一种高时空分辨光学检测与显微成像方法与装置

技术领域

本发明涉及一种高时空分辨光学检测与显微成像方法与装置。

背景技术

成像技术是当前乃至今后相当长一段时期生命科学，包括生物学医学及其相关交叉学科研究中的重用技术和手段，其地位犹如基因重组和DNA测序技术一样重要。特别地，以活细胞、单分子为主要研究对象的分子影像新技术，近年来在细胞和分子水平上对生物过程开展在体测量与表征上不断取得新的发展与突破，其发展趋势是更高的空间分辨率、更快的速度以及动态生物信息获取等。光学成像技术由于具有无损伤、非侵入性、快速获取等特点，在活细胞成像方面具有其它技术无法替代的优势，因此，光学显微成像新技术成为当前分子影像新技术发展的前沿与热点。

由于受到光学衍射极限的限制，传统光学显微镜只能达到波长量级的横向空间分辨率(约为200多纳米)，该尺度远大于蛋白质等生物分子的尺寸；为了突破此空间分辨率限制，近年来，各国科学家发展了多种超越衍射极限的荧光光学显微成像技术，如受激辐射耗损显微术(STED)、光激活定位显微术(PALM)和随机光学重构显微术(STORM)等。这些超越衍射极限分辨能力的光学显微成像技术目前有的已经可以达到10-50nm的横向空间分辨能力，从而可以对诸如细胞突触囊泡的输运和胞呑或胞吐等重要生物学问题开展研究。然而，虽然这些光学超分辨成像技术已经具备了分子水平的空间分辨能力，但它们只是提供细胞生命活动过程某一时刻的静态状态，即使是每秒可达14帧以上的视频图像，也仅是分子一系列动力学过程的综合反映，而无法揭示或显示分子之间实时、快速的相互作用过程，因为这些过程的时间尺度一般是ms量级或者更快。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有超越衍射极限空间分辨能力和时间快速获取的高时空分辨光学检测与显微成像方法与装置，实现对活细胞膜上特定微区（几十纳米）中相关分子事件如分子间相互作用过程等进行实时、动态的观察和研究。

为了实现上述目的，本发明提出了一种技术方案：一种高时空分辨光学检测与显微成像装置，包括：

一激光器系统，用来产生和发射一束或两束的激光光束；

一光束传输和控制相关光电元器件，其包含第一光路光电元器件、第二光路光电元器件以及两光路耦合传输光电元器件组成，所述第一光路光电元器件用来传输和控制第一光路的激光光束，所述第二光路光电元器件用来传输和控制第二光路的激光光束，所述两光路耦合传输光电元器件用来耦合和传输两路的激光光束；

一光学显微镜，利用一路或耦合后的两路激光光束照射样品、检测与成像；以及

一微弱信号光电探测器件，用来对图像中预定区域实现单通道或双通道的时间相关光谱计数与检测。

进一步的，所述第一光路光电元器件包括沿第一光路传输方向依次设置的光开关、第一1/2玻片、偏振分光片、脉冲展宽部件、第一反射镜、时间延迟单元、第二反射镜、第二1/2玻片、偏振片、第三反射镜、会聚透镜、单模保偏光纤、低倍率物镜、第五反射镜以及涡旋相位板。

进一步的，所述第二光路光电元器件包括沿第二光路传输方向依次设置的光学参量振荡器、第四反射镜以及陷波滤光片。

进一步的，所述两光路耦合传输光电元器件包括沿两光路耦合传输方向依次设置的第一二色镜、第六反射镜、第三1/2玻片、1/4玻片以及第二二色镜，所述第一光路的激光光束经第一二色镜透射至第六反射镜，所述第二光路的激光光束经第一二色镜反射至第六反射镜。

进一步的，所述光学显微镜由样品台、成像物镜、激光扫描单元、第三二色镜、第三带通滤光片以及光电倍增管组成，所述第二二色镜反射出的激光光束进入激光扫描单元，并经第三二色镜反射后，通过成像物镜照射在样品台上面的样品上；所述样品上出射的后向双光子荧光信号返回通过成像物镜，并经第三二色镜透射后，通过第三带通滤光片被光电倍增管所检测成像。

进一步的，所述微弱信号光电探测器件包括路由器、第一带通滤光片、第二带通滤光片、第一光电探测器、第二光电探测器、时间相关光子计数器以及数据采集与分析设备，所述第一带通滤光片和第一光电探测器组成了第一通道，所述第二带通滤光片和第二光电探测器组成了第二通道。

为了实现上述目的，本发明提出了另一种技术方案：一种高时空分辨光学检测与显微成像方法，包括以下两种工作模式：

（1）单光束的双光子成像工作模式：当光开关处于关闭状态时，激光器系统仅出射一束超短脉冲激光，激光光束经过光学参量振荡器实现波长的调节与控制后，接着依次经过第四反射镜、陷波滤光片、第一二色镜、第六反射镜、第三1/2玻片、1/4玻片和第二二色镜，然后反射进入光学显微镜的激光扫描单元，并经第三二色镜反射通过成像物镜，最后照射在样品台上面的样品上；样品上出射的后向双光子荧光信号返回经过成像物镜，并经第三二色镜透射通过第三带通滤光片，最后被光电倍增管所检测，从而获得样品中相关物质的高分辨双光子荧光图像；选择荧光图像中的预定区域，对此区域中的预定分子进行标记，并让激光扫描单元的工作方式为点扫描，此时区域中被标记的预定分子的快速动力学过程包括相互作用过程的相关信号依次经过成像物镜、第三二色镜、激光扫描单元、第二二色镜、路由器、第一带通滤光片和/或第二带通滤光片、第一光电探测器和/或第二光电探测器以及时间相关光子计数器，最后到达数据采集与分析设备，从而实现高空间分辨预定区域相关生物信息的快速获取与检测；

（2）双光束的超越衍射极限工作模式：当光开关处于打开状态时，激光系统出射两束超短脉冲激光，其中第一激光光束依次经过第一1/2玻片、偏振分光片、脉冲展宽部件、第一反射镜、时间延迟单元、第二反射镜、第二1/2玻片、偏振片、第三反射镜、会聚透镜、单模保偏光纤、低倍率物镜、第五反射镜和涡旋相位板后，获得预定光强分布的圆偏振光；而第二激光光束经过光学参量振荡器实现波长的调节与控制后，接着依次经过第四反射镜和陷波滤光片；两激光光束在第一二色镜上进行时间和空间上的同步耦合，并依次经过第六反射镜、第三1/2玻片、1/4玻片和第二二色镜，然后反射进入光学显微镜的激光扫描单元，并经第三二色镜反射通过成像物镜，最后照射在样品台上面的样品上；样品上出射的后向超越衍射极限的荧光信号返回经过成像物镜，并经第三二色镜透射通过第三带通滤光片，最后被光电倍增管所检测，从而获得样品中相关物质的高分辨双光子荧光图像；选择荧光图像中的预定区域，对此区域中的预定分子进行标记，并让激光扫描单元的工作方式为点扫描，此时区域中被标记的预定分子的快速动力学过程包括相互作用过程的相关信号依次经过成像物镜、第三二色镜、激光扫描单元、第二二色镜、路由器、第一带通滤光片和/或第二带通滤光片、第一光电探测器和/或第二光电探测器以及时间相关光子计数器，最后到达数据采集与分析设备，从而实现高空间分辨预定区域相关生物信息的快速获取与检测。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：主要由激光器系统、光束传输和控制相关光电元器件、光学显微镜和微弱信号光电探测器件等组成，两路的光束可以实现受激耗损超越衍射极限的工作模式，如果只选择下方一束光路，则为双光子成像工作模式，不仅可以在活细胞上开展相关研究，也可以拓展应用到活体小动物或离体组织的高时空分辨光学检测与显微成像。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的阐述。

附图说明

图1为本发明实施例的原理示意图。

图中标记：1-激光器系统，2-光开关，3-第一1/2玻片，4-偏振分光片，5-脉冲展宽部件，6-第一反射镜，7-时间延迟单元，8-第二反射镜，9-第二1/2玻片，10-偏振片，11-第三反射镜，12-会聚透镜，13-光学参量振荡器，14-第四反射镜，15-单模保偏光纤，16-陷波滤光片，17-低倍率物镜，18-第五反射镜，19-涡旋相位板，20-第一二色镜，21-第六反射镜，22-第三1/2玻片，23-1/4玻片，24-样品台，25-成像物镜，26-激光扫描单元，27-第二二色镜，28-路由器，29-第一带通滤光片，30-第二带通滤光片，31-第一光电探测器，32-第二光电探测器，33-时间相关光子计数器，34-数据采集与分析设备，35-第三二色镜，36-第三带通滤光片，37-光电倍增管。

具体实施方式

如图1所示，一种高时空分辨光学检测与显微成像装置，包括：

一激光器系统1，用来产生和发射一束或两束的激光光束；

一光束传输和控制相关光电元器件，其包含第一光路光电元器件、第二光路光电元器件以及两光路耦合传输光电元器件组成，所述第一光路光电元器件用来传输和控制第一光路的激光光束，所述第二光路光电元器件用来传输和控制第二光路的激光光束，所述两光路耦合传输光电元器件用来耦合和传输两路的激光光束；

一光学显微镜，利用一路或耦合后的两路激光光束照射样品、检测与成像；以及

一微弱信号光电探测器件，用来对图像中预定区域实现单通道或双通道的时间相关光谱计数与检测。

在本实施例中，所述第一光路光电元器件包括沿第一光路传输方向依次设置的光开关2、第一1/2玻片3、偏振分光片4、脉冲展宽部件5、第一反射镜6、时间延迟单元7、第二反射镜8、第二1/2玻片9、偏振片10、第三反射镜11、会聚透镜12、单模保偏光纤15、低倍率物镜17、第五反射镜18以及涡旋相位板19。

在本实施例中，所述第二光路光电元器件包括沿第二光路传输方向依次设置的光学参量振荡器13、第四反射镜14以及陷波滤光片16。

在本实施例中，所述两光路耦合传输光电元器件包括沿两光路耦合传输方向依次设置的第一二色镜20、第六反射镜21、第三1/2玻片22、1/4玻片23以及第二二色镜27，所述第一光路的激光光束经第一二色镜20透射至第六反射镜21，所述第二光路的激光光束经第一二色镜20反射至第六反射镜21。

在本实施例中，所述光学显微镜由样品台24、成像物镜25、激光扫描单元26、第三二色镜35、第三带通滤光片36以及光电倍增管37（PMT）组成，所述第二二色镜27反射出的激光光束进入激光扫描单元26，并经第三二色镜35反射后，通过成像物镜25照射在样品台24上面的样品上；所述样品上出射的后向双光子荧光信号返回通过成像物镜25，并经第三二色镜35透射后，通过第三带通滤光片36被光电倍增管37所检测成像。

在本实施例中，所述微弱信号光电探测器件包括路由器28、第一带通滤光片29、第二带通滤光片30、第一光电探测器31（APD）、第二光电探测器32、时间相关光子计数器33以及数据采集与分析设备34，所述第一带通滤光片29和第一光电探测器31组成了第一通道，所述第二带通滤光片30和第二光电探测器32组成了第二通道，所述第一通道和第二通道在单通道信号时择一工作、在双通道信号时同时工作。

请参照图1，一种高时空分辨光学检测与显微成像方法，包括以下两种工作模式：

（1）单光束的双光子成像工作模式：当上方光束的光开关2处于关闭状态时，激光器系统1仅出射下方一束超短脉冲（fs）激光，激光光束经过光学参量振荡器13实现波长的调节与控制后，接着依次经过第四反射镜14、陷波滤光片16、第一二色镜20、第六反射镜21、第三1/2玻片22、1/4玻片23和第二二色镜27，然后反射进入光学显微镜的激光扫描单元26，并经第三二色镜35反射通过成像物镜25，最后照射在样品台24上面的样品上；样品上出射的后向双光子荧光信号返回经过成像物镜25，并经第三二色镜35透射通过第三带通滤光片36，最后被光电倍增管37所检测，从而获得样品中相关物质（取决于荧光染料或样品的自体荧光色团）的高分辨双光子荧光图像（此时横向的空间分辨率大约为200nm）；选择荧光图像中的预定区域（200nm的空间微区），对此区域中的预定分子（蛋白质分子或脂分子等）进行标记，并让激光扫描单元26的工作方式为点扫描，此时区域中被标记的预定分子的快速动力学过程包括相互作用过程的相关信号依次经过成像物镜25、第三二色镜35、激光扫描单元26、第二二色镜27、路由器28、第一带通滤光片29和/或第二带通滤光片30、第一光电探测器31和/或第二光电探测器32以及时间相关光子计数器33，最后到达数据采集与分析设备34，从而实现高空间分辨预定区域相关生物信息的快速获取与检测；

（2）双光束的超越衍射极限工作模式：当光开关2处于打开状态时，激光系统出射上下两束超短脉冲（fs）激光，其中第一激光光束（上方光束）依次经过第一1/2玻片3和偏振分光片4实现功率调节，接着经过脉冲展宽部件5展宽为ps激光，再依次经过第一反射镜6、时间延迟单元7（调节与第二激光光束的时间同步）、第二反射镜8、第二1/2玻片9、偏振片10（光束线偏振调节）、第三反射镜11、会聚透镜12（将光束会聚进入光纤）、单模保偏光纤15、低倍率物镜17（光纤出射的光线为平行光）、第五反射镜18和涡旋相位板19后，获得预定光强分布的圆偏振光；而第二激光光束（下方光束）经过光学参量振荡器13实现波长的调节与控制后，接着依次经过第四反射镜14和陷波滤光片16；两激光光束在第一二色镜20上进行时间和空间上的同步耦合，并依次经过第六反射镜21、第三1/2玻片22、1/4玻片23和第二二色镜27，然后反射进入光学显微镜的激光扫描单元26，并经第三二色镜35反射通过成像物镜25，最后照射在样品台24上面的样品上；样品上出射的后向超越衍射极限的荧光信号（此信号的空间分辨率可以达到30-100nm之间，且可以通过调节上方光束的激光功率，对空间分辨率进行调节），返回经过成像物镜25，并经第三二色镜35透射通过第三带通滤光片36，最后被光电倍增管37所检测，从而获得样品中相关物质（取决于荧光染料或样品的自体荧光色团）的高分辨双光子荧光图像（此时横向的空间分辨率大约为几十纳米，超越衍射极限）；选择荧光图像中的预定区域（几十纳米的微区），对此区域中的预定分子（蛋白质分子或脂分子等）进行标记，并让激光扫描单元26的工作方式为点扫描，此时区域中被标记的预定分子的快速动力学过程包括相互作用过程的相关信号依次经过成像物镜25、第三二色镜35、激光扫描单元26、第二二色镜27、路由器28、第一带通滤光片29和/或第二带通滤光片30、第一光电探测器31和/或第二光电探测器32以及时间相关光子计数器33，最后到达数据采集与分析设备34，从而实现高空间分辨预定区域相关生物信息的快速获取与检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种高时空分辨光学检测与显微成像装置，其特征在于，包括：

一激光器系统，用来产生和发射一束或两束的激光光束；

一光束传输和控制相关光电元器件，其包含第一光路光电元器件、第二光路光电元器件以及两光路耦合传输光电元器件组成，所述第一光路光电元器件用来传输和控制第一光路的激光光束，所述第二光路光电元器件用来传输和控制第二光路的激光光束，所述两光路耦合传输光电元器件用来耦合和传输两路的激光光束；

一光学显微镜，利用一路或耦合后的两路激光光束照射样品、检测与成像；以及

一微弱信号光电探测器件，用来对图像中预定区域实现单通道或双通道的时间相关光谱计数与检测；所述第一光路光电元器件包括沿第一光路传输方向依次设置的光开关、第一1/2玻片、偏振分光片、脉冲展宽部件、第一反射镜、时间延迟单元、第二反射镜、第二1/2玻片、偏振片、第三反射镜、会聚透镜、单模保偏光纤、低倍率物镜、第五反射镜以及涡旋相位板。

2.根据权利要求1所述的高时空分辨光学检测与显微成像装置，其特征在于：所述第二光路光电元器件包括沿第二光路传输方向依次设置的光学参量振荡器、第四反射镜以及陷波滤光片。

3.根据权利要求2所述的高时空分辨光学检测与显微成像装置，其特征在于：所述两光路耦合传输光电元器件包括沿两光路耦合传输方向依次设置的第一二色镜、第六反射镜、第三1/2玻片、1/4玻片以及第二二色镜，所述第一光路的激光光束经第一二色镜透射至第六反射镜，所述第二光路的激光光束经第一二色镜反射至第六反射镜。

4.根据权利要求3所述的高时空分辨光学检测与显微成像装置，其特征在于：所述光学显微镜由样品台、成像物镜、激光扫描单元、第三二色镜、第三带通滤光片以及光电倍增管组成，所述第二二色镜反射出的激光光束进入激光扫描单元，并经第三二色镜反射后，通过成像物镜照射在样品台上面的样品上；所述样品出射的后向双光子荧光信号返回通过成像物镜，并经第三二色镜透射后，通过第三带通滤光片被光电倍增管所检测成像。

5.根据权利要求4所述的高时空分辨光学检测与显微成像装置，其特征在于：所述微弱信号光电探测器件包括路由器、第一带通滤光片、第二带通滤光片、第一光电探测器、第二光电探测器、时间相关光子计数器以及数据采集与分析设备，所述第一带通滤光片和第一光电探测器组成了第一通道，所述第二带通滤光片和第二光电探测器组成了第二通道。

6.一种高时空分辨光学检测与显微成像方法，其特征在于：包括以下两种工作模式：

（1）单光束的双光子成像工作模式：当光开关处于关闭状态时，激光器系统仅出射一束超短脉冲激光，激光光束经过光学参量振荡器实现波长的调节与控制后，接着依次经过第四反射镜、陷波滤光片、第一二色镜、第六反射镜、第三1/2玻片、1/4玻片和第二二色镜，然后反射进入光学显微镜的激光扫描单元，并经第三二色镜反射通过成像物镜，最后照射在样品台上面的样品上；样品上出射的后向双光子荧光信号返回经过成像物镜，并经第三二色镜透射通过第三带通滤光片，最后被光电倍增管所检测，从而获得样品中相关物质的高分辨双光子荧光图像；选择荧光图像中的预定区域，对此区域中的预定分子进行标记，并让激光扫描单元的工作方式为点扫描，此时区域中被标记的预定分子的快速动力学过程包括相互作用过程的相关信号依次经过成像物镜、第三二色镜、激光扫描单元、第二二色镜、路由器、第一带通滤光片和/或第二带通滤光片、第一光电探测器和/或第二光电探测器以及时间相关光子计数器，最后到达数据采集与分析设备，从而实现高空间分辨预定区域相关生物信息的快速获取与检测；

（2）双光束的超越衍射极限工作模式：当光开关处于打开状态时，激光系统出射两束超短脉冲激光，其中第一激光光束依次经过第一1/2玻片、偏振分光片、脉冲展宽部件、第一反射镜、时间延迟单元、第二反射镜、第二1/2玻片、偏振片、第三反射镜、会聚透镜、单模保偏光纤、低倍率物镜、第五反射镜和涡旋相位板后，获得预定光强分布的圆偏振光；而第二激光光束经过光学参量振荡器实现波长的调节与控制后，接着依次经过第四反射镜和陷波滤光片；两激光光束在第一二色镜上进行时间和空间上的同步耦合，并依次经过第六反射镜、第三1/2玻片、1/4玻片和第二二色镜，然后反射进入光学显微镜的激光扫描单元，并经第三二色镜反射通过成像物镜，最后照射在样品台上面的样品上；样品上出射的后向超越衍射极限的荧光信号返回经过成像物镜，并经第三二色镜透射通过第三带通滤光片，最后被光电倍增管所检测，从而获得样品中相关物质的高分辨双光子荧光图像；选择荧光图像中的预定区域，对此区域中的预定分子进行标记，并让激光扫描单元的工作方式为点扫描，此时区域中被标记的预定分子的快速动力学过程包括相互作用过程的相关信号依次经过成像物镜、第三二色镜、激光扫描单元、第二二色镜、路由器、第一带通滤光片和/或第二带通滤光片、第一光电探测器和/或第二光电探测器以及时间相关光子计数器，最后到达数据采集与分析设备，从而实现高空间分辨预定区域相关生物信息的快速获取与检测。