CN107290279A - 一种基因分子荧光非直观显微成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基因分子荧光非直观显微成像装置。该装置包括计算机、电机驱动器、黑白CCD相机、检偏器、微型电机、1/4波片。方法为：将DNA微阵列样品放置于荧光显微镜的载物台，打开荧光显微镜的光源对载物台上的样品进行照明，同时由计算机驱动电机驱动器和黑白CCD相机，控制微型电机转动和黑白CCD采图，其中微型电机控制1/4波片进行周期性的转动，每转动固定角度黑白CCD相机通过波片和检偏器进行一次采图，多次采样得到多幅带有不同偏振信息的基因分子的荧光图，CCD相机所采集的带有不同偏振信息的基因分子的荧光图输入计算机进行处理，从而获得待测DNA微阵列中基因分子的荧光非直观图。本发明具有成本低、效率高和分辨率高的优点。
Description
技术领域
本发明属于基因检测光学成像技术领域，特别是一种基因分子荧光非直观显微成像装置及方法。
背景介绍
基因测组作为目前生物学领域最炙手可热的专业门类之一，近几年在国内外均得到了快速的发展，它不仅能够追踪传染病途径，还能预测个体化疾病风险，有效预测癌症、糖尿病、唐氏综合征等多种疾病，从而为后期的防御和治疗提供有效的帮助。
在当前所有的测序技术中，第三代测序技术处于领先地位，其中技术较为完善的是采用荧光成像光学检测方法的测序方法。然而由于红光的衍射极限，基因测序芯片上DNA纳米球间距只能控制在600纳米，而进一步提高这个方法的测量效率受到分辨力和测量速度的限制。因此基因测序需要采用能够突破衍射极限的光学超显微成像技术来进一步提高测量效率。在现有显微成像领域，传统光学显微受衍射极限影响，分辨率被限制在100nm左右。分辨率最高的是以电子和离子等非光学信息为载体的显微技术，如扫描电子显微镜(SEM)与原子力显微镜(AFM)等，能实现0.1nm级分辨，而扫描隧道显微镜(STM)则能实现0.01nm级分辨。但是，这些高分辨显微技术都有测量效率低、环境适应性差、易对试样造成损伤、制造和使用价格高等问题，满足不了基因测序的实际工程需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、效率高、分辨率高的基因分子荧光非直观显微成像装置及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基因分子荧光非直观显微成像装置，包括计算机、电机驱动器、荧光显微镜模块，其中荧光显微镜模块包括黑白CCD相机、微型电机、1/4波片和检偏器，其中1/4波片通过微型电机带动进行旋转，荧光显微镜的截止滤光片与黑白CCD相机之间设置微型电机，1/4波片置于微型电机中心处，1/4波片与黑白CCD相机之间设置检偏器；计算机通过电机驱动器接入微型电机，黑白CCD相机与计算机连接。
将待测DNA微阵列放置于荧光显微镜的载物台，打开荧光显微镜的高压汞灯对载物台上的样品进行照明，同时由计算机驱动电机驱动器和黑白CCD相机，控制微型电机转动和黑白CCD相机采图，其中微型电机控制1/4波片进行周期性的转动，每转动固定角度黑白CCD相机通过检偏器和波片进行一次采图，多次采样得到多幅带有不同偏振信息的基因分子的荧光图，CCD相机所采集的带有不同偏振信息的基因分子的荧光图输入计算机进行处理，从而获得待测DNA微阵列芯片上的基因分子的荧光非直观图像。
优选地，所述微型电机(6)采用伺服电机，伺服电机控制速度可在0-20°/s范围内变动，位置精度可达到0.02°。
优选地，所述检偏器(4)可透过可见光波段的光。
优选地，所述1/4波片(5)可对可见光波段的光进行相位延迟。
一种基于所述基因分子荧光非直观显微成像装置的基因分子荧光非直观显微成像方法，步骤如下：
步骤1，将经染色处理的DNA微阵列作为试样(10)置于荧光显微镜的载物台上；
步骤2，打开荧光显微镜的高压汞灯(12)对载物台上的DNA微阵列芯片(10)进行照明，利用荧光显微镜和黑白CCD相机(3)获得一幅基因分子的荧光光强图片，作为未被处理的原始图像并输入计算机(1)；
步骤3，通过电机驱动器(2)驱动微型电机(6)控制1/4波片(5)进行周期性的转动，并且通过黑白CCD相机(3)采集图像，获得多幅基因分子的荧光光强图并输入计算机(1)；
步骤4，计算机(1)根据步骤3输入的基因分子的荧光光强图以及1/4波片(5)的旋转角度计算得到基因分子的荧光光强图的相位差和方位角；
步骤5，通过软件将步骤4所得到的相位差、方位角值转化形成灰度图像，其中所成灰度图像的每一个像素点的值代表相位差或方位角的大小；然后根据灰度图像中像素值的大小赋予图像不同色彩，像素值相同的区域赋予相同的颜色，像素值不同则颜色不同，从而形成拥有更高对比度的假彩图像；
步骤6，根据步骤3得到的基因分子的多幅荧光光强图以及步骤4得到的相位差、方位角，由通过系统各个偏振元件的Mueller矩阵确定的Stokes矢量表达式计算出S0、S1、S2和S3四个Stokes参量，并使用步骤5中灰度图转换成假彩图像的方法得到Stokes参量的假彩图像。
进一步地，步骤6所述根据相位差、方位角，通过Mueller矩阵确定Stokes参量并进行Stokes参数非直观成像，所采用的公式为：
式中，Idp是像素点所在每幅图的平均光强信息，δ是相位差，是方位角，S0、S1、S2、S3是Stokes的四个参数。
由上述6个步骤最终得到拥有更高辨识度的相位差、方位角、S0、S1、S2和S3等非直观图像。
本发明与现有的技术相比，主要显著的有点有一下三个方面：(1)成本低：本发明的成本较低，主要是由光学元件构成，一台荧光显微镜，多个偏振器件，一台计算机，一个电机组成，视场较大，不需要扫描等。(2)分辨率高：由于该方法采用了非直观成像方法，利用偏振参数成像，通过计算多幅图像，对点扩散函数进行瘦身，从而绕开了衍射极限，获得高分辨率的假彩色图像。(3)效率高：本发明采用的是光学成像方法，成像速度快，获得各种偏振态下的图像过程可控制在5分钟以内。
附图说明
图1是本发明基因分子荧光非直观显微成像装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明利用荧光非直观光波参数图进行基因分子形貌结构分析，其中荧光非直观光波参数图是指利用成像光的相位差、位相角、Stokes参数进行成像。基因分子荧光非直观显微成像装置的优势在于通过测量拟合来强化光学显微系统的分辨。该装置主要是依据一台普通的荧光显微镜进行改造，所以大大降低了装置的设计难度。
包括计算机(1)、电机驱动器(2)和荧光显微镜模块，其中荧光显微镜模块包括黑白CCD相机(3)、检偏器(4)、1/4波片(5)、微型电机(6)，其中1/4波片(5)通过微型电机(6)带动进行旋转，微型电机(6)在电机驱动器(2)的驱动下工作，所述电机驱动器(2)在计算机(1)的控制下工作，荧光显微镜的截止滤光片(7)与黑白CCD相机(3)之间设置微型电机(6)，1/4波片(5)在微型电机(6)的中心处，1/4波片(5)与黑白CCD相机(3)之间设置检偏器(4)；计算机(1)通过电机驱动器(2)接入微型电机(6)，黑白CCD相机(3)与计算机(1)连接。
将待测DNA微阵列(10)放置于荧光显微镜的载物台，打开荧光显微镜的高压汞灯(12)对载物台上的样品(10)进行照明，同时由计算机驱动电机驱动器(2)和黑白CCD相机(3)，控制微型电机(6)转动和黑白CCD相机(3)采图，其中微型电机(6)控制1/4波片(5)进行周期性的转动，每转动固定角度黑白CCD相机通过检偏器(4)和1/4波片(5)进行一次采图，多次采样得到多幅带有不同偏振信息的基因分子的荧光图，CCD相机(3)所采集的带有不同偏振信息的基因分子的荧光图输入计算机(1)进行处理，从而获得待测DNA微阵列芯片(10)上的基因分子的荧光非直观图像。
所述微型电机(6)采用伺服电机，伺服电机控制速度可在0-20°/s范围内变动，位置精度可达到0.02°。
所述起检偏器(4)可透过可见光波段的光。
所述1/4波片(5)可对可见光波段的光进行相位延迟。
非直观算法的基本原理是：利用光的偏振信息进行成像，对于各向异性的样品进行成像，通过利用线性双折射的物理模型，获得多幅不同偏振态下的光强信息，通过光强表达式，通过利用计算傅里叶级数系数的方法，获得所需要的参数，从而获得所需要的参数图。
本发明基于权所述基因分子荧光非直观显微成像装置的基因分子荧光非直观显微成像方法，步骤如下：
步骤1，将经染色处理的DNA微阵列作为试样(10)置于荧光显微镜的载物台上；
步骤2，打开荧光显微镜的高压汞灯(12)对载物台上的DNA微阵列芯片(10)进行照明，利用荧光显微镜和黑白CCD相机(3)获得一幅基因分子的荧光光强图片，作为未被处理的原始图像并输入计算机(1)；
步骤3，通过电机驱动器(2)驱动微型电机(6)控制1/4波片(5)进行周期性的转动，并且通过黑白CCD相机(3)采集图像，获得多幅基因分子的荧光光强图并输入计算机(1)；
所述的微型电机(6)控制1/4波片(5)进行周期性旋转，可以获得不同相位延迟下的基因分子的荧光图像，为非直观光波参数成像提供足够的光强信息。
步骤4，计算机1根据输入的基因分子的荧光光强图确定光强图的相位差和方位角，具体如下：
根据Jones矩阵得到光强函数I(ω)，
其中I0是扣除系统和样品吸收后的光强，是系统透射率的最大值，通过多组光强函数的值拟合得到方位角和相位差δ，ω是起偏器旋转的角度。
步骤5，通过软件将步骤4所得到的相位差、方位角值转化形成灰度图像，其中所成灰度图像的每一个像素点的值代表相位差或方位角的大小；然后根据灰度图像中像素值的大小赋予图像不同色彩，像素值相同的区域赋予相同的颜色，像素值不同则颜色不同，从而形成拥有更高对比度的假彩图像；
步骤6，根据相位差、方位角，通过Mueller矩阵确定Stokes参量并进行Stokes参数非直观成像，所采用的公式为：
式中，Idp是像素点所在每幅图的平均光强信息，δ是相位差，是方位角，S0、S1、S2、S3是Stokes的四个参数。
本发明是利用偏振参数进行基因分子荧光成像。先利用偏振调制，得到多幅单偏振状态下的基因分子的荧光图像，从中进行参数提取，得到利用各参数值进行成像的基因分子的荧光图像。与直接利用远场的荧光光强进行成像相比，偏振参数对于物体结构各项异性的变化更加的灵敏，更为重要的是通过利用均方根拟合，筛选出拟合度高于95％的像素点，使得PSF宽度变窄，这样就可以突破光学成像的衍射极限，大大提高了成像的分辨率。因此，本发明提供了一种新的基因检测光学显微成像的方法，该方法基于非直观参数成像技术，突破了衍射极限，获得了高分辨率图像。
综合探测方法和所采用的微型电机，伺服电机能够快速而精确的控制起偏器的旋转与定位，从而实现不同偏振状态的精确调制，且提高了成像的分辨率，该方法的优势是不需要进行扫描，大大提高了成像效率并降低了成本。
综上，本发明主要有三大优势：(1)成像速度快，(2)成本低，(3)成像的分辨率高。
实施例1
下面结合附图详细介绍该发明装置进行光波参数成像的步骤。
(1)结合附图详细介绍该发明装置：
结合图1，本发明利用荧光非直观光波参数图进行基因分子结构分析的装置，包括计算机(1)、电机驱动器(2)和荧光显微镜模块，其中荧光显微镜模块包括黑白CCD相机(3)、检偏器(4)、1/4波片(5)、微型电机(6)，其中1/4波片(5)通过微型电机(6)带动进行旋转，微型电机(6)在电机驱动器(2)的驱动下工作，所述电机驱动器(2)在计算机(1)的控制下工作，荧光显微镜的截止滤光片(7)与黑白CCD相机(3)之间设置微型电机(6)，1/4波片(5)在微型电机(6)的中心处，1/4波片(5)与黑白CCD相机(3)之间设置检偏器(4)；计算机(1)通过电机驱动器(2)接入微型电机(6)，黑白CCD相机(3)与计算机(1)连接；
将待测DNA微阵列(10)放置于荧光显微镜的载物台，打开荧光显微镜的高压汞灯(12)对载物台上的样品(10)进行照明，同时由计算机驱动电机驱动器(2)和黑白CCD相机(3)，控制微型电机(6)转动和黑白CCD相机(3)采图，其中微型电机(6)控制1/4波片(5)进行周期性的转动，每转动固定角度黑白CCD相机通过检偏器(4)和1/4波片(5)进行一次采图，多次采样得到多幅带有不同偏振信息的基因分子的荧光图，伺服电机控制速度可在0-20°/s范围内变动，位置精度可达到0.02°。检偏器(4)可透过可见光波段的光。1/4波片(5)可对可见光波段的光进行相位延迟。微型电机(6)控制1/4波片(5)进行周期性旋转，可以获得不同偏振状态下的基因分子的图像，为非直观光波参数成像提供足够的荧光光强信息。计算机(1)中的算法集成软件，可以将所获得多幅光强图进行非直观算法的计算，最终获得各种参数图像，也就是非直观光波参数图像。
(2)实现对该装置的光波参数成像方法的具体步骤如下：
步骤1，将经染色处理的DNA微阵列作为试样(10)置于荧光显微镜的载物台上；
步骤2，打开荧光显微镜的高压汞灯(12)对载物台上的DNA微阵列芯片(10)进行照明，利用荧光显微镜和黑白CCD相机(3)获得一幅基因分子的荧光光强图片，作为未被处理的原始图像并输入计算机(1)；
步骤3，通过电机驱动器(2)驱动微型电机(6)控制1/4波片(5)进行周期性的转动，并且通过黑白CCD相机(3)采集图像，获得多幅基因分子的荧光光强图并输入计算机(1)；
步骤4，计算机(1)根据步骤3输入的基因分子的荧光光强图以及1/4波片(5)的旋转角度计算得到基因分子的荧光光强图的相位差和方位角；
步骤5，通过软件将步骤4所得到的相位差、方位角值转化形成灰度图像，其中所成灰度图像的每一个像素点的值代表相位差或方位角的大小；然后根据灰度图像中像素值的大小赋予图像不同色彩，像素值相同的区域赋予相同的颜色，像素值不同则颜色不同，从而形成拥有更高对比度的假彩图像；
步骤6，根据步骤3得到的多幅基因分子的荧光光强图以及步骤4得到的相位差、方位角，由通过系统各个偏振元件的Mueller矩阵确定的Stokes矢量表达式计算出S0、S1、S2和S3四个Stokes参量，并使用步骤5中灰度图转换成假彩图像的方法得到Stokes参量的假彩图像。
对获得的图像进行处理，可以获得分辨率较高的图像。主要是采用了参数的非直观算法，通过点扩散函数的瘦身，从而打破了分辨率的极限，从而获得了较高的分辨率成像。非直观算法的基本原理主要是利用光的偏振信息进行成像，对于各向异性的样品进行成像，通过利用线性双折射的物理模型，获得多幅不同偏振态下的光强信息，通过光强表达式，可以通过利用计算傅里叶级数系数的方法，获得我们所需要的参数，从而获所需要的参数图。
除了可以将计算出来的位相差，偏振方位角等参数进行成像，还可以利用通过Mueller矩阵计算出的Stokes参量进行参数成像，如下式所示：
式中，Idp是像素点所在每幅图的平均光强信息，δ是相位差，是方位角，S0、S1、S2、S3是Stokes的四个参数。
综上，本发明通过在普通的荧光显微镜的改造，增加了荧光非直观光波参数成像的核心部件，通过多次测量不同偏振态下的光强图，反演计算获得分辨率比原光强图更好的效果图，同时由于非直观算法对于散射光更加的敏感。相对于传统的光学成像方法具有分辨率高的优势，相较于传统基因检测光学显微成像器械具有成本低，速度快的优势。
Claims (6)
1.一种基因分子荧光非直观显微成像装置，其特征在于，包括计算机(1)、电机驱动器(2)和荧光显微镜模块，其中荧光显微镜模块包括黑白CCD相机(3)、检偏器(4)、1/4波片(5)、微型电机(6)，其中1/4波片(5)通过微型电机(6)带动进行旋转，微型电机(6)在电机驱动器(2)的驱动下工作，所述电机驱动器(2)在计算机(1)的控制下工作，荧光显微镜的截止滤光片(7)与黑白CCD相机(3)之间设置微型电机(6)，1/4波片(5)在微型电机(6)的中心处，1/4波片(5)与黑白CCD相机(3)之间设置检偏器(4)；计算机(1)通过电机驱动器(2)接入微型电机(6)，黑白CCD相机(3)与计算机(1)连接；
荧光显微镜的高压汞灯(12)发出光线通过激发滤光片(11)选择出与DNA纳米微阵列(10)染色试剂波长相匹配的激发光由分束镜(8)反射经过荧光显微镜的物镜(9)后入射到DNA纳米微阵列(10)并激发出相应基因分子染色试剂对应的荧光，荧光由物镜(9)收集后经分束镜(8)进入截止滤光片(7)，滤除激发光后的荧光依次通过1/4波片(5)、检偏器(4)，最后由黑白CCD相机(3)采集。
2.根据权利要求1所述的基因分子荧光非直观显微成像装置，其特征在于，所述微型电机(6)采用伺服电机，伺服电机控制速度可在0-20°/s范围内变动，位置精度可达到0.02°。
3.根据权利要求1所述的基因分子荧光非直观显微成像装置，其特征在于，所述检偏器(4)可透过可见光波段的光。
4.根据权利要求1所述的基因分子荧光非直观显微成像装置，其特征在于，所述1/4波片(5)可对可见光波段的光进行相位延迟。
5.一种基于权利要求1所述基因分子荧光非直观显微成像装置基因分子荧光非直观显微成像方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1，将经染色处理的DNA微阵列作为试样(10)置于荧光显微镜的载物台上；
步骤2，打开荧光显微镜的高压汞灯(12)对载物台上的DNA微阵列芯片(10)进行照明，利用荧光显微镜和黑白CCD相机(3)获得一幅基因分子的荧光光强图片，作为未被处理的原始图像并输入计算机(1)；
步骤3，通过电机驱动器(2)驱动微型电机(6)控制1/4波片(5)进行周期性的转动，并且通过黑白CCD相机(3)采集图像，获得多幅基因分子的荧光光强图并输入计算机(1)；
步骤4，计算机(1)根据步骤3输入的基因分子的荧光光强图以及1/4波片(5)的旋转角度计算得到基因分子的荧光光强图的相位差和方位角；
步骤5，通过软件将步骤4所得到的相位差、方位角值转化形成灰度图像，其中所成灰度图像的每一个像素点的值代表相位差或方位角的大小；然后根据灰度图像中像素值的大小赋予图像不同色彩，像素值相同的区域赋予相同的颜色，像素值不同则颜色不同，从而形成拥有更高对比度的假彩图像；
步骤6，根据步骤3得到的多幅基因分子的荧光光强图以及步骤4得到的相位差、方位角，由通过系统各个偏振元件的Mueller矩阵确定的Stokes矢量表达式计算出S0、S1、S2和S3四个Stokes参量，并使用步骤5中灰度图转换成假彩图像的方法得到Stokes参量的假彩图像；
由上述6个步骤最终得到拥有更高辨识度的相位差、方位角、S0、S1、S2和S3等基因分子的荧光非直观图像。
6.根据权利要求4所述的基因分子荧光非直观显微成像方法，其特征在于，步骤6所述根据相位差、方位角，通过Mueller矩阵确定Stokes参量并进行Stokes参数非直观成像，所采用的公式为：
式中，Idp是像素点所在每幅图的平均光强信息，δ是相位差，是方位角，S0、S1、S2、S3是Stokes的四个参数。
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- 2017-06-30 CN CN201710527806.XA patent/CN107290279A/zh active Pending
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