CN111157500A - 利用光片晶格阵列照明的瞬态体成像显微系统 - Google Patents
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Abstract
用于对生物活体瞬态体成像的光片晶格照明荧光显微系统,该系统由照明部分和成像部分组成。照明部分的特点在于使用微轴锥镜阵列产生光片晶格阵列照明,与传统的使用柱状透镜产生光片照明的方法相比拥有更大的成像范围、更小的光漂白性和光毒性;成像部分的特点在于使用正六边形排布的微透镜阵列进行实时体成像,与传统的正四边形排布的微透镜阵列相比,拥有更高的采集频率,从而可以达到更高的成像速度。目前大部分光片显微系统都采用扫描光片对生物体的整体信息进行提取,不仅成像速度慢,无法对整个生物体实时成像而且对生物体损害极大,该系统成功地减弱了上述问题带来的影响,在细胞水平的生物机理研究等方面有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于光学、生命科学和仪器设计领域,涉及微光学器件加工、显微成像系统设计以及生物活体成像。其最大的特点是使用微轴锥镜阵列产生光片晶格阵列照明,以及使用正六边形排布的微透镜阵列进行实时体成像。该系统是针对微米级空间分辨率和毫秒级时间分辨率的细胞级别的生物活体研究所开发的瞬态体成像系统。该系统在显微照明、成像领域和生物活体实验领域有着重要的应用需求和潜力。
背景技术
光片荧光照明显微镜的基本工作原理是使用一层光束从样品侧面激发荧光样品,再从垂直照明光路的方向采集荧光信号。而对于体成像,目前所使用的技术主要是通过移动样品使入射光面激发不同的平面,改变光束的角度,对整个体进行扫描得到整个组织的3D图像,可以达到细胞水平的分辨率,相对于传统的显微技术,由于样品受激发的平面就是成像平面,所以可以将对生物样品光漂白和光学损伤大大降低。但是这样扫描层析成像得到的三维图像不是严格实时的,也即得到的三维图像的每一层都是在不同时间拍摄的,另外,对样品进行反复扫描依旧会对活体生物造成损伤,因此这一技术仍不能很好满足比如生物发育动力学等需要进行长时间观测的研究。因此,本系统摒弃扫描的方法,利用微光学元件实现对生物体的整体照明,同时使用改进的光场成像系统,在进一步减少了光漂白和光毒性的同时,可以得到某一时刻的整体三维图像,并且成像速度为毫秒量级,可以实现对活体生物的长时间瞬态体成像。
发明内容
本发明目的是为得到细胞水平的活体生物的三维图像,提供一种利用微光学元件降低光漂白和光毒性的方法来实现长时间对活体生物照明、改变照明和成像方式来实现瞬时体成像的显微系统。
本发明提供的光片晶格阵列照明荧光显微系统包含照明系统和成像系统,照明系统的核心器件是微轴锥镜阵列,该器件由以正四边形阵列排布的相同的微轴锥镜组成,每个微轴锥镜的数学表达式为
其中:该坐标系以底面圆圆心为原点,垂直底面方向为z轴,建立柱坐标系,ρ是任意点在底面的投影与原点的距离。h0是锥体的高度且k是微轴锥镜的非线性参数,当k=1时为线性的微轴锥镜,改变k值可以产生非线性的微轴锥镜。当入射光从底面入射到该器件后,由于折射、衍射和干涉的作用,会在出射区域形成相对于利用柱状透镜产生的高斯光片拥有更长工作距离,更均匀的强度分布和更扁平的光束形状的类贝塞尔光晶格阵列,微轴锥镜阵列中微轴锥镜的个数和产生的光片晶格阵列中光片的个数是一致的。设m×m的微轴锥镜阵列产生的光片晶格阵列在焦平面所照亮的面积为
S=((m-1)×d)2
m为光片晶格阵列每一行的光片个数,d=2R为单个微轴锥镜的底面直径。其中真正受到光直接照射的面积为
S0=m2×A
A为每个微轴锥镜在焦平面的光斑大小,由微轴锥镜的高度、底面直、材料和非线性系数决定。因此相对于不使用微轴锥镜阵列的情况,照明区域降低的比例可以表示为
照明区域降低的比例正比于光毒性和光漂白性提升的区域。调整微轴锥镜阵列中单元的结构参数,材料以及排布方式可以改变这一比例。
样品被光片晶格阵列照亮后,由于荧光剂的激发会发出荧光信号,经过滤波系统滤除入射光后,这些荧光信号将会被成像系统搜集。成像系统的核心器件是正六边形排布的微透镜阵列,同等条件下正六边形排布方式相对于正四边形的排布可以将采集效率提高15%左右。微透镜阵列中的每个透镜将对所有的荧光信号成像,这些像都会反映在高速相机的一个单元中,这样就可以在高速相机上得到荧光物体的角谱信息,通过计算机程序的复原即可得到物体在拍照时刻的三维图像。成像的速度取决于所使用高速相机的性能,目前高速成像的高速相机可以达到100fps,这就意味着每秒可以对目标体积内进行100次观测和记录,因此可以实现瞬态体成像。
为满足不同生物样品的需求,该系统的光源波长是可调节的,对应的滤波片也是可以调节的,使用者只需根据实际情况使用对应的荧光标记蛋白和光源即可。
本发明的优点和积极效果:
本发明提供的用于对生物活体瞬态体成像的光片晶格照明荧光显微系统,适用于对成像的空间分辨率在微米量级且对生物损失和时间分辨率的要求较高的情况。微轴锥镜阵列可以用来产生工作距离长、强度分布均匀、光片形状扁平的光片晶格阵列照明,实现体照明的同时极大降低了光漂白和光毒性,正六边形排布的微透镜阵列可以实现体成像并相对正四边形排布的微透镜阵列提高15%采集频率,这是本发明中最重要的两个创新点。
不同于传统的利用光片扫描实现体成像的显微系统,本发明提供的体成像显微成像系统拥有如下优点:1、光片晶格阵列照明极大的降低了光漂白和光毒性,可以使光源对于活体生物的损失大大降低,从而适用于长时间的动态过程的研究。2、光片晶格阵列照明可以同时激发生物体整体的荧光标记,无需使用扫描振镜即可激发三维体内的荧光标记,极大的降低了体成像的时间,也保证了体成像的实时性。3、改进为正六边形排布的微透镜阵列可以在光场显微成像技术的基础上更高效的采集角谱信息,更好地满足了本显微系统对于成像速度和成像质量的需求。
附图说明
图1是本发明提供的光片晶格照明荧光显微系统的光路图,其中1为激光器;2为微轴锥镜阵列,将高斯光束转换为光片晶格阵列照明;3为透镜1;4为透镜2;5为透镜3,上述三个透镜用于调整光斑大小;6为照明显微物镜;7为方形毛细管,样品放置在其内部;8为探测显微物镜;9为滤波片,滤除照明光;10为透镜4;11为正六边形排布的微透镜阵列;12为一对传递透镜组;13为高速相机。
图2是本发明提供的一种微轴锥镜阵列及一种正六边形排布的微透镜阵列的示意图,其中:(a)是微轴锥镜阵列的示意图;(b)是正六边形排布的微透镜阵列的示意图。
图3是本发明提供的微轴锥镜阵列产生的光片晶格阵列示意图,其中:(a)是模拟计算得到的焦平面上的光束强度分布图;(b)是模拟计算得到的沿着传播方向的光束强度分布图。
图4是利用本发明提供的光片晶格阵列照明荧光显微系统进行的荧光微球实验结果。荧光微球的直径为300nm,激发波长为532nm,放大倍数为10倍。其中:(a)是利用高斯光束照明的显微成像结果;(b)是利用光片晶格阵列照明的显微成像结果。
具体实施方式
实施实例1
本发明提供的微轴锥镜阵列以及正六边形排布的微透镜阵列的制作可采用光刻工艺和干法刻蚀技术来实现。其具体步骤如下:
1、利用激光直写/电子束直写方法在光敏介质上曝光,并通过显影制作非完全对称微介质轴锥镜相位器件。
2、利用反应离子刻蚀/电感耦合等离子体刻蚀技术将非完全对称微介质轴锥镜相位器件转移到光学玻璃上
具体应用实例1
利用光片晶格阵列照明的荧光显微系统进行荧光微球实验。实验步骤如下:
1、搭建如图1所示的实验系统。
2、调配浓度为0.002mg/mL激发波长为532nm,直径为300nm的荧光微球溶液,利用超声波将微球充分分散。
3、将上述溶液用琼脂固定,放入图1中7所示的样品台中。
4、打开电源,用4倍观测物镜选择某一区域。
5、切换到10倍显微物镜,利用高速相机拍摄图片。
6、分别在高斯光束照明的条件和光片晶格阵列照明的条件下进行步骤5,保持其他条件不变。得到的结果如图4所示。
图4表明,由于微轴锥镜阵列的应用,相同放大倍数下的显微视场明显增大,形成了阵列照明,同时每个光片的能量相对大幅降低,相应的会使对生物体的光毒性和光漂白大幅度降低。在高斯光照明的条件下未被照明的区域得到了照明,并且光束的工作距离提升,沿着传播方法的能量变化更加稳定。另外,在光片晶格阵列照明的情况下,荧光微球成像的清晰度和信噪比更高。
Claims (5)
1.一种利用光片晶格阵列照明的瞬态体成像显微系统,该系统由照明光路和成像光路组成,照明光路与成像光路互相垂直。其中照明光路利用微轴锥镜阵列将激光器产生的高斯光束转换为贝塞尔光束阵列,经过透镜组的调整和显微物镜的聚焦,在样品池中形成光片晶格阵列照明。样品中的荧光蛋白被光片晶格阵列激发,产生对应的荧光信号。成像光路利用显微物镜采集垂直于照明方向的荧光信号,并通过透镜调整后由正六边形排布的微透镜阵列转换为角谱信息,经过传递透镜组最终由高速相机采集。最终成像体积在立方毫米量级,成像分辨率在微米量级,单位体积成像速度在毫秒量级,可实现对活体生物样品细胞级别的高速成像。
3.根据权利要求1所述的成像光路中的正六边形排布的微透镜阵列,其特征在于区别于一般的正四边形排布的微透镜阵列,正六边形排布的微透镜阵列可以提高约15%的微透镜部分的占比,从而提升光场成像中的采集频率。
4.根据权利要求1所述的样品池,其特征在于使用方形毛细管达到折射率匹配,减少样品容器对入射光的散射和折射,保证入射光的波前仅被微光学元件调制。如果使用圆形毛细管则会导致上述问题。
5.根据权利要求2所述的微轴锥镜阵列和权利要求3所述的正六边形排布的微透镜阵列,其特征在于:所述的器件材料均为玻璃基底以及高分子塑料镜片,入射光波长为百纳米量级,入射时应垂直器件表面入射。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200515 |