CN111524539B - 一种实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法，步骤包括：取第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白混合；采用第一光束和第二光束将目标点处激发至荧光态；采用第三光束和第四光束对目标点处的环形区域进行辐照，使其由荧光态转换为非荧光态，且中央区域为荧光态；控制所述第五光束和第六光束的辐照时间对所述中央区域进行辐照，使所述中央区域内形成四种荧光混合态；采用所述第一光束和第二光束将除所述中央区域以外的区域转换为荧光态。本发明通过引入两种不同的可逆开关荧光蛋白，对目标点进行标记时，将不同的可逆开关荧光蛋白进行漂白并产生四种荧光混合态，实现波长复用的超分辨多维光学存储，提高了光学存储维度。

Description

一种实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法
技术领域
本发明涉及光学存储领域，特别是一种实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法。
背景技术
近年来，数字信息技术极大地促进了世界经济和社会的发展，随着人工智能以及大数据的发展，各行各业对信息数据存储的要求与日俱增，据估计，各个部门产生的信息数据量每年几乎翻一番。当前，光学数据存储技术由于具有能耗低、数据安全性高等优势，光学存储技术日益成熟，然而其数据存储容量受到光学衍射极限的极大制约。因此光学数据存储主要在超分辨和多维两个方面发展以此来提升光学数据存储的容量。
近年来，包括“受激辐射损耗显微成像技术(STED)”及其衍生技术“可逆饱和光学荧光转化显微技术(RESOLFT)”等多种超分辨成像技术利用荧光基团标记分子实现了超越衍射极限的成像，RESOLFT技术能够实现超分辨的标记进行数据存储。现有技术中的单STED技术需要应用高功率损耗光，在进行超分辨成像过程中不可避免地会带来光损伤问题，同时关于光学数据存储的维度方面也存在较大局限性，难以满足多维度光学数据存储的需求。故需要提出一种新的光学存储方法用于解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法，用于解决现有技术中的光学数据存储方法难以满足多维度光学数据存储的需求的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法，其特征在于，其步骤包括：取第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白，并均匀混合；采用第一光束和第二光束先后对目标点处辐照，分别将第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白激发至各自的荧光态；采用第三光束和第四光束先后对目标点处的环形区域进行辐照，分别使环形区域内的第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白由荧光态转换为非荧光态，且环形区域所包围的中央区域表现为两种可逆开关荧光蛋白的荧光态；采用第五光束和第六光束对中央区域进行辐照，控制第五光束和第六光束的辐照时间，分别使中央区域内的第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白由各自的荧光态转换为不同程度的漂白态，并于中央区域构成四种荧光混合态；采用第一光束和第二光束对除中央区域以外的区域进行辐照，分别使第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白由非荧光态转换为荧光态，用于配合中央区域的四种荧光混合态以实现波长复用的超分辨多维光学存储。
其中，第一可逆开关荧光蛋白与第二可逆开关荧光蛋白所发射荧光不同，两者永久漂白的波长不同；第一可逆开关荧光蛋白在进行状态切换时的波长和能量不会对第二可逆开关荧光蛋白产生影响。
其中，第一光束和第二光束为两种不同的高斯光束，第一光束辐照第一可逆开关荧光蛋白后使其转换为荧光态，第二光束辐照第二可逆开关荧光蛋白后使其转换为荧光态。
其中，第三光束和第四光束为两种不同的拉盖尔高斯光束，第三光束辐照第一可逆开关荧光蛋白后使其由荧光态转换为非荧光态，第四光束辐照第二可逆开关荧光蛋白后使其由荧光态转换为非荧光态。
其中，第五光束和第六光束为两种不同的高斯光束，第五光束辐照第一可逆开关荧光蛋白后使其由荧光态转换为漂白态，第六光束辐照第二可逆开关荧光蛋白后使其由荧光态转换为漂白态。
其中，四种荧光混合态中的一种荧光混合态的产生步骤为：第五光束的辐照时间不为0，且第六光束的辐照时间为0，于中央区域内，第一可逆开关荧光蛋白由荧光态转换为漂白态，第二可逆开关荧光蛋白呈荧光态。
其中，四种荧光混合态中的一种荧光混合态的产生步骤为：第五光束的辐照时间为0，且第六光束的辐照时间不为0，于中央区域内，第一可逆开关荧光蛋白呈荧光态，第二可逆开关荧光蛋白由荧光态转换为漂白态。
其中，四种荧光混合态中的一种荧光混合态的产生步骤为：第五光束和第六光束的辐照时间均不为0，于中央区域内，第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白由各自的荧光态转换为漂白态。
其中，四种荧光混合态中的一种荧光混合态的产生步骤为：第五光束和第六光束的辐照时间均为0，于中央区域内，第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白呈各自的荧光态。
其中，中央区域为小于衍射极限的区域。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法，通过引入两种不同的可逆开关荧光蛋白，在对目标点进行标记过程中，将不同的可逆开关荧光蛋白进行漂白并产生四种荧光混合态，仅需控制不同波长、能量或辐照时间即可对应不同的编码，实现波长复用的超分辨多维光学存储，提高了光学存储维度。
附图说明
图1是本发明中实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法一实施方式的流程图；
图2是本发明中实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法一实施方式在应用时的装置示意图；
图3是本发明中实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法一实施方式中两种可逆开光荧光蛋白的状态转换示意图；
图4是本发明中实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法一实施方式的标记过程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
请参阅图1～2，图1是本发明中实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法一实施方式的流程图，图2是本发明中实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法一实施方式在应用时的装置示意图。本发明中实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法的步骤包括：
S1：取第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白，并均匀混合。本实施方式中，所选择的第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白两者所发射荧光不同，永久漂白的波长也不同，同时第一可逆开关荧光蛋白在进行状态切换时的波长和能量不会对第二可逆开关荧光蛋白产生影响，即所选择的两种可逆开关荧光蛋白是互不影响的荧光蛋白，且两者均可以在荧光态与非荧光态之间进行相互切换，为了区别，可以将第一可逆开关荧光蛋白在荧光态下所发射荧光记为荧光1，将第二可逆开关荧光蛋白在荧光态下所发射荧光记为荧光2。
S2：采用第一光束和第二光束先后对目标点处辐照，分别将第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白激发至各自的荧光态。本步骤中，第一光束和第二光束为两种不同的高斯光束，第一光束辐照第一可逆开关荧光蛋白后使其转换为荧光态，第二光束辐照第二可逆开关荧光蛋白后使其转换为荧光态，第一光束和第二光束分别经过双色镜和物镜后，到达两种可逆开关荧光蛋白的目标点处，使目标点处的第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白激发至各自的荧光态，即此时处于荧光1与荧光2叠加的状态。
S3：采用第三光束和第四光束先后对目标点处的环形区域进行辐照，分别使环形区域内的第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白由荧光态转换为非荧光态，且环形区域所包围的中央区域表现为两种可逆开关荧光蛋白的荧光态。本步骤中，第三光束和第四光束为两种不同的拉盖尔高斯光束，第三光束辐照第一可逆开关荧光蛋白后使其由荧光态转换为非荧光态，第四光束辐照第二可逆开关荧光蛋白后使其由荧光态转换为非荧光态，第三光束和第四光束分别经过双色镜和物镜后，到达两种可逆开关荧光蛋白的目标点处，使环形区域内的第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白由荧光态转换为非荧光态，而环形区域所包围的中央区域仍保持荧光1与荧光2叠加的状态；由此在拉盖尔高斯光束的环形辐照后，在中央区域形成了一个小于衍射极限的点，且中央区域与环形区域呈现出了荧光态与非荧光态两种状态。
S4：采用第五光束和第六光束对中央区域进行辐照，控制第五光束和第六光束的辐照时间，分别使中央区域内的第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白由各自的荧光态转换为不同程度的漂白态，并于中央区域构成四种荧光混合态。此处的四种荧光混合态分别包括四种产生过程，具体如下：(1)第五光束的辐照时间不为0，且第六光束的辐照时间为0，于中央区域内，第一可逆开关荧光蛋白由荧光态转换为漂白态，第二可逆开关荧光蛋白呈荧光态，即此时中央区域表现为荧光2；(2)第五光束的辐照时间为0，且第六光束的辐照时间不为0，于中央区域内，第一可逆开关荧光蛋白呈荧光态，第二可逆开关荧光蛋白由荧光态转换为漂白态，即此时中央区域表现为荧光1；(3)第五光束和第六光束的辐照时间均不为0，于中央区域内，第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白由各自的荧光态转换为漂白态，即此时中央区域表现为无荧光；(4)第五光束和第六光束的辐照时间均为0，于中央区域内，第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白呈各自的荧光态，即此时中央区域表现为荧光1与荧光2叠加的状态。
本步骤中，第五光束和第六光束为两种不同的高斯光束，第五光束辐照第一可逆开关荧光蛋白后使其由荧光态转换为漂白态，第六光束辐照第二可逆开关荧光蛋白后使其由荧光态转换为漂白态，即第五光束和第六光束分别对第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白起漂白作用；通过控制第五光束和第六光束的辐照时间使中央区域可以呈现四种不同的荧光混合态，而这四种不同的荧光混合态主要表现为进行漂白的荧光蛋白种类以及漂白程度的不同组合，可根据实际的编码需求来选择相应的组合方式，从而控制不同波长或能量的光束开关即可对应不同的编码，建立波长复用的映射关系。
S5：采用第一光束和第二光束对除中央区域以外的区域进行辐照，分别使第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白由非荧光态转换为荧光态，用于配合中央区域的四种荧光混合态以实现波长复用的超分辨多维光学存储。本步骤中，中央区域超越衍射极限的点仍为S4步骤后所形成的荧光混合态，而中央区域以外的部分由非荧光态转换为荧光态，从而完成了对某一目标点的标记过程，在对多个目标点进行标记时，可通过重复上述步骤S2～S5的操作来实现多点标记过程，在此不做赘述。
进一步地，结合上述对本发明中实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法，对其原理进行描述，请参阅图3～4，图3是本发明中实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法一实施方式中两种可逆开光荧光蛋白的状态转换示意图，图4是本发明中实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法一实施方式的标记过程图。如图3所示，对于本实施方式来说，第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白均具有非荧光态、荧光态和漂白态这三种状态，且在非荧光态与荧光态之间转换时具有可逆性，而由荧光态转换为漂白态时不具有可逆性；但是对第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白来说，第一可逆开关荧光蛋白在荧光态的表现记为荧光1，第二可逆开关荧光蛋白在荧光态的表现记为荧光2，在进行状态切换时的波长和能量并不相同，且互不影响，换易言之，当第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白混合应用时，构成了两套相对独立的状态转换机制，通过两种独立机制的排列组合来进行合理的编码，能够提高光学存储的维度。
如图4所示，表示了实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法在实施过程中的各时刻所呈现的标记状态，图中过程1～4分别对应体现了上述S2～S5步骤，在S4步骤中对应第五光束和第六光束的辐照时间的控制是根据实际的编码需求来进行选择的，可以在中央区域呈现出图中所示的荧光1与荧光2叠加、荧光1、荧光2、无荧光四种荧光混合态，由于中央区域为超越衍射极限的区域，则S4步骤后所形成的荧光混合态可沿用至S5步骤，从而使目标点的标记能够灵活调控，而由此形成的与编码之间的映射关系能够很好地实现波长复用的超分辨多维光学存储。
需要指出的是，所选用的可逆开关荧光蛋白、光束波长、转换状态这三者之间具有紧密的对应关系，可根据实际的编码需求对可逆开关荧光蛋白、光束波长、转换状态进行选择，在此不做限定。
区别于现有技术的情况，本发明提供了一种实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法，通过引入两种不同的可逆开关荧光蛋白，在对目标点进行标记过程中，将不同的可逆开关荧光蛋白进行漂白并产生四种荧光混合态，仅需控制不同波长、能量或辐照时间即可对应不同的编码，实现波长复用的超分辨多维光学存储，提高了光学存储维度。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，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 (9)

1.一种实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法，其特征在于，其步骤包括：
取第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白，并均匀混合；
采用第一光束和第二光束先后对目标点处辐照，分别将所述第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白激发至各自的荧光态；
采用第三光束和第四光束先后对目标点处的环形区域进行辐照，分别使所述环形区域内的所述第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白由荧光态转换为非荧光态，且所述环形区域所包围的中央区域表现为两种可逆开关荧光蛋白的荧光态，所述中央区域为小于衍射极限的区域；
采用第五光束和第六光束对所述中央区域进行辐照，控制所述第五光束和第六光束的辐照时间，分别使所述中央区域内的所述第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白由各自的荧光态转换为不同程度的漂白态，并于所述中央区域构成四种荧光混合态；
采用所述第一光束和第二光束对除所述中央区域以外的区域进行辐照，分别使所述第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白由非荧光态转换为荧光态，用于配合所述中央区域的所述四种荧光混合态以实现波长复用的超分辨多维光学存储。
2.根据权利要求1中所述的实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法，其特征在于，所述第一可逆开关荧光蛋白与第二可逆开关荧光蛋白所发射荧光不同，两者永久漂白的波长不同；
所述第一可逆开关荧光蛋白在进行状态切换时的波长和能量不会对所述第二可逆开关荧光蛋白产生影响。
3.根据权利要求2中所述的实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法，其特征在于，所述第一光束和第二光束为两种不同的高斯光束，所述第一光束辐照所述第一可逆开关荧光蛋白后使其转换为荧光态，所述第二光束辐照所述第二可逆开关荧光蛋白后使其转换为荧光态。
4.根据权利要求2中所述的实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法，其特征在于，所述第三光束和第四光束为两种不同的拉盖尔高斯光束，所述第三光束辐照所述第一可逆开关荧光蛋白后使其由荧光态转换为非荧光态，所述第四光束辐照所述第二可逆开关荧光蛋白后使其由荧光态转换为非荧光态。
5.根据权利要求2中所述的实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法，其特征在于，所述第五光束和第六光束为两种不同的高斯光束，所述第五光束辐照所述第一可逆开关荧光蛋白后使其由荧光态转换为漂白态，所述第六光束辐照所述第二可逆开关荧光蛋白后使其由荧光态转换为漂白态。
6.根据权利要求5中所述的实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法，其特征在于，所述四种荧光混合态中的一种荧光混合态的产生步骤为：
所述第五光束的辐照时间不为0，且所述第六光束的辐照时间为0，于所述中央区域内，所述第一可逆开关荧光蛋白由荧光态转换为漂白态，所述第二可逆开关荧光蛋白呈荧光态。
7.根据权利要求5中所述的实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法，其特征在于，所述四种荧光混合态中的一种荧光混合态的产生步骤为：
所述第五光束的辐照时间为0，且所述第六光束的辐照时间不为0，于所述中央区域内，所述第一可逆开关荧光蛋白呈荧光态，所述第二可逆开关荧光蛋白由荧光态转换为漂白态。
8.根据权利要求5中所述的实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法，其特征在于，所述四种荧光混合态中的一种荧光混合态的产生步骤为：
所述第五光束和第六光束的辐照时间均不为0，于所述中央区域内，所述第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白由各自的荧光态转换为漂白态。
9.根据权利要求5中所述的实现波长复用的超分辨多维的光学存储方法，其特征在于，所述四种荧光混合态中的一种荧光混合态的产生步骤为：
所述第五光束和第六光束的辐照时间均为0，于所述中央区域内，所述第一可逆开关荧光蛋白和第二可逆开关荧光蛋白呈各自的荧光态。
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大容量光存储的维度扩展;陈韦良，张静宇;《光电工程》;20190301;第46卷(第3期);180571 *

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