CN110543003A - 微球透镜探针组件及微球透镜显微成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微球透镜探针组件，其包括探针、第一微球透镜、第二微球透镜以及光学胶体；所述光学胶体的顶部与所述探针的头部粘接；所述第二微球透镜与所述第一微球透镜并排设置；且所述第一微球透镜以及所述第二微球透镜的顶端均嵌在所述光学胶体的底面。上述微球透镜探针组件，将两个不同直径大小的微球透镜集成在一个探针上，根据不同直径大小的微球透镜的成像特性，特别适用于对于某些只需要对特定部位进行超分辨成像的样品，可以首先利用大直径微球透镜找到需要进行超分辨观测的局部位置，再利用小直径微球透镜对该局部位置进行超分辨成像，这样可以提高微球透镜的成像的效率。本发明还公开了一种微球透镜显微成像系统。
Description
技术领域
本发明属于显微成像技术领域，涉及一种微球透镜探针组件、微球透镜显微成像系统。
背景技术
自第一台显微镜发明到现在的三百多年中，人们提出了各种提高成像效果和系统分辨率的方法，研制出了基于不同机制和原理的各式显微镜。对于成像分辨率达到纳米级甚至是原子级的电子显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜而言，虽然分辨率很高，但是对成像条件和样品有严格的限制，特别是无法对活的生物样品成像，限制了在生物医学方面的应用。由于光学显微镜可以直接实时地观测样品并附带有丰富的功能成像信息(如颜色、透明度等)等特点，在生物医学等显微成像领域仍然具有不可替代的作用。随着现代生物技术的发展，人们需要观察的生物样品已经由生物个体，延伸到器官、组织、细胞、乃至单个分子水平。尤其随着核酸和蛋白质的化学分析技术的进一步发展，生命科学逐步转向分子生物学、分子免疫学、分子细胞学和分子遗传学等领域。这些技术研究对显微镜的分辨能力以及成像条件提出了更高的要求，因此探索能从根本上突破衍射极限、获取更高分辨能力的光学超分辨成像方法，尤其是远场光学显微成像方法，已然成为生物医学领域一个非常关键的技术问题。在近几十年中，一些新型的光学超分辨显微方法和技术被提出，并取得了突破性的进展，为纳米级生物样品的观测和研究带来了曙光。
2011年英国曼彻斯特大学的王增波小组搭建了在白光下用透明介质微球实现超分辨显微成像的模型，并指出能够实现超分辨的二氧化硅介质微球的直径需要在2-9微米之间，将微球直接放置于待测样品的表面之上，即可在普通光学显微镜下实现超分辨成像。显微镜工作在白光模式，在透射模式下，采用直径为4.74um的透明介质微球，成功对50nm直径和间隔孔的鱼网镀金阳极氧化铝膜样品进行了成像；在反射模式下，通过二氧化硅微球清晰的看到了蓝光DVD光盘保护膜表面100纳米宽的纹，成功打破了衍射极限的限制。
微球透镜结合光学显微镜可以实现超分辨成像。但是，目前微球透镜显微成像，微球透镜的成像视野小，若欲对观测样品的特定细节进行成像时，需要花费较长时间，即大大降低了显微镜的成像效率。
发明内容
针对上述不足，有必要提供一种新的微球透镜探针组件。
一种微球透镜探针组件，包括：
探针；
第一微球透镜；
第二微球透镜；所述第二微球透镜的直径小于所述第一微球透镜的直径；
以及光学胶体，用将所述第一微球透镜以及所述第二微球透镜粘接在所述探针上；
所述光学胶体的顶部与所述探针的头部粘接；
所述第二微球透镜与所述第一微球透镜并排设置；且所述第一微球透镜以及所述第二微球透镜的顶端均嵌在所述光学胶体的底面。
上述微球透镜探针组件，将两个不同直径大小的微球透镜集成在一个探针上，根据不同直径大小的微球透镜的成像特性，对于大直径微球透镜而言，其成像视野大，成像分辨率低，可以先对样品整体结构进行放大观察；对于小直径微球透镜而言，其成像视野小，但是成像的分辨率以及成像的对比度高，可以后对对样品局部细节结构进行观测。特别适用于对于某些只需要对特定部位进行超分辨成像的样品，可以首先利用大直径微球透镜找到需要进行超分辨观测的局部位置，再利用小直径微球透镜对该局部位置进行超分辨成像，这样可以提高微球透镜的成像的效率。
优选地，所述第一微球透镜的直径大于等于100μm；所述第二微球透镜的直径小于等于50μm。
优选地，所述第一微球透镜的直径为100μm-300μm；所述第二微球透镜的直径为10μm-50μm。
优选地，所述第一微球透镜以及所述第二微球透镜的下端在同一水平面内。
优选地，所述光学胶体的下表面为平面。
优选地，所述第一微球透镜为钛酸钡玻璃透镜。
优选地，所述第二微球透镜为钛酸钡玻璃透镜。
优选地，所述第一微球透镜以及所述第二微球透镜之间的间隔50μm-100μm。
本发明还提供了一种微球透镜显微成像系统。
一种微球透镜显微成像系统，包括：
微球透镜探针组件；所述微球透镜探针组件为本发明所提供的微球透镜探针组件；
样品承载台，位于所述微球透镜探针组件的下方；
微操作机械手，用于带动所述微球透镜探针组件移动；
以及显微镜，位于所述微球透镜探针组件的上方。
上述微球透镜显微成像系统，由于采用本发明所提供的微球透镜探针组件，故而成像效率高。
优选地，所述微操作机械手包括：
探针加长杆，与所述微球透镜探针组件的探针的末端固定连接；
角度调节机构，用于调节所述探针加长杆的角度；
第一调节机构，用于调节所述探针加长杆在第一方向的平移；
第二调节机构，用于调节所述探针加长杆在第二方向的平移；
以及第三调节机构，用于调节所述探针加长杆在第三方向的平移；
所述第一方向、第二方向、以及第三方向两两相互垂直。
优选地，所述样品承载台具有两个方向的自由度。
附图说明
图1为本发明一实施例的微球透镜探针组件的截面示意图。
图2为本发明一实施例的微球透镜显微成像系统的结构示意图。
图3为图2中样品承载台的结构示意图。
图4为图2中微操作机械手的结构示意图。
图5为图4中角度调节机构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
参见图1，本发明一实施例的微球透镜探针组件100，包括第一微球透镜1、第二微球透镜2、探针3、以及光学胶体4。
其中，第一微球透镜1以及第二微球透镜2是微球透镜探针组件100的核心部件。第二微球透镜2的直径小于第一微球透镜1的直径。也就是说，第一微球透镜1是大微球透镜，而第二微球透镜2是小微球透镜。
其中，探针3的主要作用是，支撑第一微球透镜1以及第二微球透镜2，带动第一微球透镜1以及第二微球透镜2移动。
其中，光学胶体4的主要作用是，将第一微球透镜1以及第二微球透镜2粘接在探针3上。也就是说，第一微球透镜1以及第二微球透镜2通过光学胶体4固定在探针3上，从而实现探针3带动第一微球透镜1以及第二微球透镜2移动。同时，光学胶体4还对第一微球透镜1以及第二微球透镜2实现半浸没，有利于提高成像效果。
具体地，光学胶体4的顶部与探针3的头部粘接；光学胶体的底部与第一微球透镜1以及第二微球透镜2的顶部粘结，从而光学胶体4将第一微球透镜1以及第二微球透镜2与探针3粘结在一起。第二微球透镜2与第一微球透镜1并排设置；且第一微球透镜1以及第二微球透镜2的顶端均嵌在光学胶体4的底面。
由于第二微球透镜2与第一微球透镜1并排设置，这样样品的发射光，经过第一微球透镜1的放大作用后，直接进入显微镜，最后进入人眼或其它设备成像；同样地，样品的发射光，经过第二微球透镜2的放大作用后，直接进入显微镜，最后进入人眼或其它设备成像。第二微球透镜2与第一微球透镜1在光路中并列，而不是级联的关系。
上述微球透镜探针组件，将两个不同直径大小的微球透镜集成在一个探针上，根据不同直径大小的微球透镜的成像特性，对于大直径微球透镜而言，其成像视野大，成像分辨率低，可以先对样品整体结构进行放大观察；对于小直径微球透镜而言，其成像视野小，但是成像的分辨率以及成像的对比度高，可以对样品局部细节结构进行观测。特别适用于对于某些只需要对特定部位进行超分辨成像的样品，可以首先利用大直径微球透镜找到需要进行超分辨观测的局部位置，再利用小直径微球透镜对该局部位置进行超分辨成像，这样可以提高微球透镜的成像的效率。
在一优选具体实施例中，第一微球透镜的直径大于等于100μm；第二微球透镜的直径小于等于50μm。这样既可以保证具有良好的分辨率，又可以保证良好的成像视野。
更进一步优选地，第一微球透镜的直径为100μm-300μm；第二微球透镜的直径为10μm-50μm。这样可以实现超分辨成像，最高分辨率可以达到60纳米；同时成像视野大，可以提高成像效率。
优选地，所述第一微球透镜为钛酸钡玻璃透镜。优选地，所述第二微球透镜为钛酸钡玻璃透镜。
可以理解的是，第一微球透镜与第二微球透镜选择同一种微球透镜，亦可以选择不同的微球透镜。
优选地，所述第一微球透镜以及所述第二微球透镜的下端在同一水平面内。由于两个微球透镜的下端在同一水平面内，从而在两个微球透镜切换时，可以不用调节，即可保证两个微球透镜都与样品表面接触。
优选地，所述第一微球透镜以及所述第二微球透镜之间间隔50μm-100μm，也就是说，第一微球透镜表面与第二微球透镜表面的最小距离为50μm-100μm，也即第一、第二微球透镜之间的间隙的宽度为50μm-100μm。这样可以有效避免两个微球透镜之间成像干扰。当然，可以理解的是，本发明对此没有特殊限制，亦可以是两个微球紧挨着。
在一具体实施例中，光学胶体为紫外光固化光学胶。当然，可以理解的是，本发明并不局限于此，还可以是环氧树脂光学胶。
在一具体实施例中，光学胶体的下表面为平面。由于光学胶体的下表面是平面，这样在粘球时操作比较方便，便于观察两个球的底部是否在同一水平面；同时在扫描样品时，平面更加方便对样品的扫描操作，保持下表面与样品表面平行。
以下对上述微球透镜探针组件的制备方法进行阐述，以便帮助理解。
首先，将紫外固化光学胶微滴滴在硅油纸的表面上，然后将探针的头部移动到微滴的内部，再移除探针，此时探针的头部将粘有少量的紫外固化光学胶胶水。接着，将探针移动到平整的硅油纸表面上，利用紫外光灯照射微滴进行预固化。再接着移动探针，微滴将固定在探针的尖端，且微滴的下表面为平面。然后将微滴分别移动到两个微球透镜的上方，再向下移动微滴，大小微球透镜将分别嵌入到微滴中，最后进行固化。
本发明还提供了一种微球透镜显微成像系统。
参见图2，本发明一实施例的微球透镜显微成像系统，包括微球透镜探针组件100、样品承载台300、微操作机械手700、以及显微镜500。
其中，显微镜500的主要作用是，用于将样品放大。显微镜500位于微球透镜探针组件100的上方。样品的反射光经过微球透镜探针组件，然后进入显微镜中。显微镜的主要部件为目镜、物镜、反光镜、遮光器、聚光器、光阑等。显微镜的具体结构，本领域技术人员可以根据实际情况设置，在此不再赘述。
其中，样品承载台300的主要作用是，承载样品9。也就是说，在成像时，样品9放在样品承载台300上。样品承载台300位于微球透镜探针组件100的下方。
参见图3，在一优选实施例中，样品承载台300具有两个方向的自由度。具体地，样品承载台300在X轴和Y轴方向可以调节移动，这样方便调节样品观察位置。具体地，X轴与Y轴通过千分尺调节移动，通过旋转X和Y方向的千分尺，可以精确的移动观测样品的位置，方便对样品不同区域的观测。
其中，微操作机械手700的主要作用是，用于带动微球透镜探针组件100移动。微操作机械手700位于微球透镜探针组件的一侧。
参见图4，优选地，微操作机械手700包括探针加长杆705、角度调节机构740、第一调节机构710、第二调节机构720、以及第三调节机构730。
其中，探针加长杆705与微球透镜探针组件100的探针的末端固定连接，这样通过控制探针加长杆705的移动，即可控制探针以及微球透镜的移动。
其中，角度调节机构740用于调节探针加长杆705的角度。角度调节机构直接于探针加长杆705连接。角度调节机构的具体结构参见图5。通过旋转角度调节机构的角度调节旋钮可以使探针加长杆705改变倾斜角度，从而达到合适的倾斜角度，进而保证微球透镜底部能够接触到样品的表面。
其中，第一调节机构710用于调节探针加长杆705在第一方向的平移；第二调节机构720于调节探针加长杆705在第二方向的平移；第三调节机构730用于调节探针加长杆705在第三方向的平移；所述第一方向、第二方向、以及第三方向两两相互垂直。也即微操作机械手由两个水平(X轴、Y轴)移动平台、一个垂直(Z轴)移动平台组成的三维操作平台；再加上角度调节机构740，即可实现可以使探针到达空间中的任意位置。
上述微球透镜显微成像系统，由于采用本发明所提供的微球透镜探针组件，故而成像效率高。
以下对上述微球透镜显微成像系统进行简要阐述。
首先将微球透镜探针组件安装在探针加长杆的前端，旋转角度调节器的调节旋钮，使光学胶体的底部平面与样品表面平行。利用微操作机械手调整微球透镜的高度，使微球透镜接触到样片的表面。继续调整微操作机械手，将第一微球透镜移动到显微镜的视野的中央。移动样品承载台，利用第一微球透镜，对样品的整体结构进行观察。在某些需要超分辨观测的局部特征处，利用微操作机械手将第二微球透镜移动到显微镜视野的中央，进行细节的观测。由于第一、第二微球透镜的彼此位置是固定的，因此可以先测量出两个微球透镜之间的距离，再利用微操作机械手的电机自动切换两个微球透镜的位置来作为成像透镜。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种微球透镜探针组件，其特征在于，包括：
探针；
第一微球透镜；
第二微球透镜；所述第二微球透镜的直径小于所述第一微球透镜的直径；
以及光学胶体，用将所述第一微球透镜以及所述第二微球透镜粘接在所述探针上；
所述光学胶体的顶部与所述探针的头部粘接；
所述第二微球透镜与所述第一微球透镜并排设置；且所述第一微球透镜以及所述第二微球透镜的顶端均嵌在所述光学胶体的底面。
2.根据权利要求1所述的微球透镜探针组件，其特征在于，所述第一微球透镜的直径大于等于100μm；所述第二微球透镜的直径小于等于50μm。
3.根据权利要求2所述的微球透镜探针组件，其特征在于，所述第一微球透镜的直径为100μm-300μm；所述第二微球透镜的直径为10μm-50μm。
4.根据权利要求1所述的微球透镜探针组件，其特征在于，所述第一微球透镜以及所述第二微球透镜的下端在同一水平面内。
5.根据权利要求1所述的微球透镜探针组件，其特征在于，所述光学胶体的下表面为平面。
6.根据权利要求1所述的微球透镜探针组件，其特征在于，所述第一微球透镜为钛酸钡玻璃透镜；所述第二微球透镜为钛酸钡玻璃透镜。
7.根据权利要求1所述的微球透镜探针组件，其特征在于，所述第一微球透镜以及所述第二微球透镜之间间隔50μm-100μm。
8.一种微球透镜显微成像系统，其特征在于，包括：
微球透镜探针组件；所述微球透镜探针组件为权利要求1-5任一项所述的微球透镜探针组件；
样品承载台，位于所述微球透镜探针组件的下方；
微操作机械手，用于带动所述微球透镜探针组件移动；
以及显微镜，位于所述微球透镜探针组件的上方。
9.根据权利要求8所述的微球透镜显微成像系统，其特征在于，所述微操作机械手包括：
探针加长杆，与所述微球透镜探针组件的探针的末端固定连接；
角度调节机构，用于调节所述探针加长杆的角度；
第一调节机构，用于调节所述探针加长杆在第一方向的平移；
第二调节机构，用于调节所述探针加长杆在第二方向的平移；
以及第三调节机构，用于调节所述探针加长杆在第三方向的平移；
所述第一方向、第二方向、以及第三方向两两相互垂直。
10.根据权利要求8所述的微球透镜显微成像系统，其特征在于，所述样品承载台具有两个方向的自由度。
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