CN111624180B - 捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统及方法 - Google Patents
捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111624180B CN111624180B CN202010439624.9A CN202010439624A CN111624180B CN 111624180 B CN111624180 B CN 111624180B CN 202010439624 A CN202010439624 A CN 202010439624A CN 111624180 B CN111624180 B CN 111624180B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- macromolecules
- micro
- fluid
- channel
- microchannel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
- G01N21/6456—Spatial resolved fluorescence measurements; Imaging
- G01N21/6458—Fluorescence microscopy
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/36—Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
- G02B21/365—Control or image processing arrangements for digital or video microscopes
- G02B21/367—Control or image processing arrangements for digital or video microscopes providing an output produced by processing a plurality of individual source images, e.g. image tiling, montage, composite images, depth sectioning, image comparison
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Immunology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Pathology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Microscoopes, Condenser (AREA)
Abstract
一种捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统及方法,该系统由流动快速滞止和急速冷冻系统、显微镜系统、摄像系统和图像处理系统组成;流动快速滞止和急速冷冻系统,用于准确固定原流动条件下的大分子形态,同时有效增强被染色大分子的荧光强度;显微镜系统与摄像系统相结合,实现对冷冻固化后的大分子进行三维显微成像,对于长度较长的大分子,进行分段扫描;图像处理系统通过对捕获的大分子图像进行三维重构,最终还原微通道内大分子在运动状态下的形态;本发明对于自由状态下的微纳米目标物显微成像有着极其重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种显微成像方法。具体涉及一种用于捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统及方法。
背景技术
微通道内运动大分子的形态测量在生物医学、化学工程等领域有着重要的价值。如人体中存在着大量的微米尺度通道,构成了血液流动的微通道。血液表现出粘弹性流体性质,其主要原因在于血浆中存在着蛋白质大分子。蛋白质大分子在微血管中的形态及分布等特征直接影响血液动力学特性,与某些疾病(如血栓)的发生直接相关。因此,通过捕获微通道内运动大分子的形态及分布等微观细节特征,有助于揭示疾病发生的机理,对于疾病的预防和治疗有着重要的意义。目前未见相关测量手段报道,其难点在于运动大分子在微通道内会发生形态改变,利用常规的激光共聚焦显微镜等手段无法准确捕获其形态。其次,大分子链长较长,可达数十微米,给运动大分子全链长三维捕获带来很大难度。最后,大分子径向尺寸较小,为纳米甚至更小尺度,无法用常规荧光显微镜捕获。因此,微通道内运动大分子形态捕获是显微成像领域研究中的一个难题,急需发展新手段予以解决。
发明内容
为解决上述问题,本发明目的在于提供一种用于捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统及方法,具有精度高、能实现对微通道内运动大分子形态进行三维捕获等优点,在生物医学、化学工程等领域,具有巨大的应用潜力。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统,包括流动快速滞止和急速冷冻系统、显微镜系统7、摄像系统8以及图像处理系统9;流动快速滞止和急速冷冻系统,实现微通道内流动的快速滞止和流体的急速冷冻固化,从而保持原流动状态下的大分子形态,同时增强染色大分子的荧光强度;显微镜系统7与摄像系统8相结合用于对冷冻固化后的大分子进行三维显微成像,图像处理系统9通过对捕获的大分子图像进行三维重构,最终还原微通道内大分子在运动状态下的形态。
所述流动快速滞止和急速冷冻系统中,入口1与实验段微通道5相连,再经三通阀6和出口3相连,实验段微通道5放置于低温液体储液池4中;并联微通道2与入口1及三通阀6相连;通过三通阀6和并联微通道2的共同作用,实现对实验段微通道5内流体流动的快速滞止;低温液体储液池4使实验段微通道5中的流体急速冷冻,从而固化大分子的形态,同时增强荧光强度。
所述的捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统的工作方法,将大分子溶于流体中,初始状态时,在三通阀6的作用下,实验段微通道5与入口1和出口3相连通,并联微通道2中无流体流动;待达到所需的流体条件后,三通阀6快速动作,使实验段微通道5中的流体流动快速滞止;入口1继续流入的流体经并联微通道2流至出口3;向低温液体储液池4快速加入低温流体,使实验段微通道5中的流体急速冷冻,从而固化流体中大分子的形态,同时增强荧光强度;显微镜系统7与摄像系统8相结合,实现对冷冻固化后的大分子进行三维显微成像,对于长度较长的大分子,进行分段扫描;图像处理系统9通过对捕获的大分子图像进行三维重构,最终还原微通道内大分子在运动状态下的形态。
本发明解决了微通道内运动大分子形态捕获的关键难题,具有如下优点:
1)通过流动快速滞止和急速冷冻系统,有效保持微通道内原流动状态下大分子的形态,解决了大分子继续发生形态改变的难题;
2)通过冷冻固化,可有效增强被染色大分子的荧光强度,使利用光学显微镜捕获大分子的形态成为可能;
3)通过结合流动快速滞止和急速冷冻系统、显微镜系统、摄像系统与图像处理系统,可实现对运动大分子全链长的三维捕获,在生物医学、化学工程等领域有着巨大的应用价值。
附图说明
图1为本发明系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明:
一种捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统,包括流动快速滞止和急速冷冻系统、显微镜系统7、摄像系统8以及图像处理系统9;流动快速滞止和急速冷冻系统,实现微通道内流动的快速滞止和流体的急速冷冻固化,从而保持原流动状态下的大分子形态,同时增强染色大分子的荧光强度;显微镜系统7与摄像系统8相结合用于对冷冻固化后的大分子进行三维显微成像,图像处理系统9通过对捕获的大分子图像进行三维重构,最终还原微通道内大分子在运动状态下的形态。
作为本发明的优选实施方式,所述流动快速滞止和急速冷冻系统中,入口1与实验段微通道5相连,再经三通阀6和出口3相连,实验段微通道5放置于低温液体储液池4中;并联微通道2与入口1及三通阀6相连。通过三通阀6和并联微通道2的共同作用,实现对实验段微通道5内流体流动的快速滞止。低温液体储液池4使实验段微通道5中的流体急速冷冻,从而固化大分子形态,同时增强荧光强度。
作为本发明的优选实施方式,所述低温液体储液池4中的低温流体为液氮。
作为本发明的优选实施方式,本发明中大分子所处的实验段微通道5可由玻璃等不易变形透明材料加工制作。
作为本发明的优选实施方式,本发明中大分子经荧光染色,以实现对较小径向尺寸大分子形态的准确捕获。
所述的捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统的工作方法,将大分子溶于流体中,初始状态时,在三通阀6的作用下,实验段微通道5与入口1和出口3相连通,并联微通道2中无流体流动;待达到所需的流体条件后,三通阀6快速动作,使实验段微通道5中的流体流动快速滞止;入口1继续流入的流体经并联微通道2流至出口3;向低温液体储液池4快速加入低温流体,使实验段微通道5中的流体急速冷冻,从而固化流体中大分子的形态,同时增强荧光强度;显微镜系统7与摄像系统8相结合,实现对冷冻固化后的大分子进行三维显微成像,对于长度较长的大分子,进行分段扫描;图像处理系统9通过对捕获的大分子图像进行三维重构,最终还原微通道内大分子在运动状态下的形态。
下面以一实施例说明本发明的实施过程:
以对微通道内长链蛋白质大分子三维形态捕获为例,经染色后的长链蛋白质大分子在实验段微通道5中流动。初始状态时,在三通阀6的作用下,实验段微通道5与入口1和出口3相连通,并联微通道2中无流体流动。待达到所需的流体条件后,三通阀6快速动作,使实验段微通道5中的流体流动快速滞止。入口1继续流入的流体经并联微通道2流至出口3。向低温液体储液池4快速加入液氮等低温流体,使实验段微通道5中的流体急速冷冻,从而固化长链蛋白质大分子的形态,同时增强气荧光强度。显微镜系统7与摄像系统8相结合,实现对冷冻固化后的长链蛋白质大分子进行三维显微成像,对于链长较长的蛋白质大分子,进行分段扫描。利用图像处理系统9对捕获的蛋白质大分子图像进行三维重构,最终还原微通道内蛋白质大分子在运动状态下的形态。综上,本发明解决了微通道内运动大分子形态捕获的难题,提供了一种新的显微成像系统和方法,在生物医学、化学工程等领域具有巨大的应用潜力。
Claims (4)
1.一种捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统,其特征在于:包括流动快速滞止和急速冷冻系统、显微镜系统(7)、摄像系统(8)以及图像处理系统(9);流动快速滞止和急速冷冻系统,实现微通道内流动的快速滞止和流体的急速冷冻固化,从而保持原流动状态下的大分子形态,同时增强染色大分子的荧光强度;显微镜系统(7)与摄像系统(8)相结合用于对冷冻固化后的大分子进行三维显微成像,图像处理系统(9)通过对捕获的大分子图像进行三维重构,最终还原微通道内大分子在运动状态下的形态;
所述流动快速滞止和急速冷冻系统中,入口(1)与实验段微通道(5)相连,再经三通阀(6)和出口(3)相连,实验段微通道(5)放置于低温液体储液池(4)中;并联微通道(2)与入口(1)及三通阀(6)相连;通过三通阀(6)和并联微通道(2)的共同作用,实现对实验段微通道(5)内流体流动的快速滞止;低温液体储液池(4)使实验段微通道(5)中的流体急速冷冻,从而固化大分子的形态,同时增强荧光强度。
2.根据权利要求1所述的捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统,其特征在于:所述实验段微通道(5)采用不易变形透明材料加工制作。
3.权利要求1或2所述的捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统的工作方法,其特征在于:将大分子溶于流体中,初始状态时,在三通阀(6)的作用下,实验段微通道(5)与入口(1)和出口(3)相连通,并联微通道(2)中无流体流动;待达到所需的流体条件后,三通阀(6)快速动作,使实验段微通道(5)中的流体流动快速滞止;入口(1)继续流入的流体经并联微通道(2)流至出口(3);向低温液体储液池(4)快速加入低温流体,使实验段微通道(5)中的流体急速冷冻,从而固化流体中大分子的形态,同时增强荧光强度;显微镜系统(7)与摄像系统(8)相结合,实现对冷冻固化后的大分子进行三维显微成像;图像处理系统(9)通过对捕获的大分子图像进行三维重构,最终还原微通道内大分子在运动状态下的形态。
4.根据权利要求3所述的捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统的工作方法,其特征在于:所述大分子经荧光染色,以实现对大分子形态的准确捕获。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010439624.9A CN111624180B (zh) | 2020-05-22 | 2020-05-22 | 捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010439624.9A CN111624180B (zh) | 2020-05-22 | 2020-05-22 | 捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统及方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN111624180A CN111624180A (zh) | 2020-09-04 |
CN111624180B true CN111624180B (zh) | 2021-06-22 |
Family
ID=72271108
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202010439624.9A Active CN111624180B (zh) | 2020-05-22 | 2020-05-22 | 捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统及方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN111624180B (zh) |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2273301A1 (en) * | 2008-02-22 | 2011-01-12 | Nikon Corporation | Laser scanning microscope |
CN103278631A (zh) * | 2013-04-03 | 2013-09-04 | 中国农业科学院油料作物研究所 | 黄曲霉毒素b1流动滞后免疫时间分辨荧光速测试剂盒及其应用 |
CN104142302A (zh) * | 2014-07-28 | 2014-11-12 | 中国科学院生物物理研究所 | 一种光镜电镜关联成像用光学真空冷台 |
CN104215580A (zh) * | 2014-09-23 | 2014-12-17 | 中国科学技术大学 | 用于冷冻光电关联显微成像的方法和装置 |
CN105556279A (zh) * | 2013-07-16 | 2016-05-04 | 普里米欧姆遗传学(英国)有限公司 | 微流体芯片 |
CN106707489A (zh) * | 2017-03-09 | 2017-05-24 | 中国科学院生物物理研究所 | 冷冻显微镜用超低温样品台 |
CN109459846A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-03-12 | 西安交通大学 | 一种用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置及方法 |
CN110108690A (zh) * | 2019-06-10 | 2019-08-09 | 中国科学院生物物理研究所 | 一种超低温可换样显微成像系统及其工作方法 |
CN110864940A (zh) * | 2018-08-28 | 2020-03-06 | 国家纳米科学中心 | 一种透射电镜的原位光-电显微镜关联检测的样品预处理方法及应用 |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3928102C2 (de) * | 1989-08-25 | 2000-12-14 | Perkin Elmer Bodenseewerk Zwei | Vorrichtung zur Überführung einer flüchtigen Meßprobe mittels eines Trägergases in die Meßanordnung eines Atomspektrometers |
EP2481815B1 (en) * | 2006-05-11 | 2016-01-27 | Raindance Technologies, Inc. | Microfluidic devices |
EP2224800B1 (en) * | 2007-11-20 | 2013-01-09 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Ultra-rapid freezing device and method |
JP2009264908A (ja) * | 2008-04-24 | 2009-11-12 | Olympus Corp | 自動分析装置 |
CN103424386B (zh) * | 2012-05-24 | 2015-11-04 | 中国科学院物理研究所 | 一种单分子荧光装置及其使用方法 |
CN106215985B (zh) * | 2016-07-26 | 2018-08-21 | 西安交通大学 | 一种用于流体快速混合及检测的微流控芯片 |
CN110337706B (zh) * | 2016-12-06 | 2022-05-31 | 布兰迪斯大学 | 用于低温电子显微镜的可冻结流体单元 |
CN111057770A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-04-24 | 重庆师范大学 | 一种松材线虫的形态和分子联合检测方法 |
-
2020
- 2020-05-22 CN CN202010439624.9A patent/CN111624180B/zh active Active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2273301A1 (en) * | 2008-02-22 | 2011-01-12 | Nikon Corporation | Laser scanning microscope |
CN103278631A (zh) * | 2013-04-03 | 2013-09-04 | 中国农业科学院油料作物研究所 | 黄曲霉毒素b1流动滞后免疫时间分辨荧光速测试剂盒及其应用 |
CN105556279A (zh) * | 2013-07-16 | 2016-05-04 | 普里米欧姆遗传学(英国)有限公司 | 微流体芯片 |
CN104142302A (zh) * | 2014-07-28 | 2014-11-12 | 中国科学院生物物理研究所 | 一种光镜电镜关联成像用光学真空冷台 |
CN104215580A (zh) * | 2014-09-23 | 2014-12-17 | 中国科学技术大学 | 用于冷冻光电关联显微成像的方法和装置 |
CN106707489A (zh) * | 2017-03-09 | 2017-05-24 | 中国科学院生物物理研究所 | 冷冻显微镜用超低温样品台 |
CN110864940A (zh) * | 2018-08-28 | 2020-03-06 | 国家纳米科学中心 | 一种透射电镜的原位光-电显微镜关联检测的样品预处理方法及应用 |
CN109459846A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-03-12 | 西安交通大学 | 一种用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置及方法 |
CN110108690A (zh) * | 2019-06-10 | 2019-08-09 | 中国科学院生物物理研究所 | 一种超低温可换样显微成像系统及其工作方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
"In situ Microfluidic Cryofixation for Cryo Focused Ion Beam Milling and Cryo Electron Tomography;Marie Fuest等;《nature》;20191213;正文第1页第1段-第5页第3段、第8页第5段-第8段和图1- * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN111624180A (zh) | 2020-09-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110618131B (zh) | 一种大视场超分辨流体显微成像系统及其实现方法 | |
DE102015015497A1 (de) | Verschiedene Anwendungen von auf hochauflösenden fluoreszenz-basierten Mikroskopiemethoden (RESOLFT/STED u.a.) basierende Verfahren, wie beispielsweise fluoreszenz-basierte Nanostrukturierung | |
CN111624180B (zh) | 捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统及方法 | |
Aloi et al. | Super-resolution microscopy on single particles at fluid interfaces reveals their wetting properties and interfacial deformations | |
Wang et al. | A high-resolution minimicroscope system for wireless real-time monitoring | |
Jiang et al. | Quasi-two-dimensional diffusion in adherent cells revealed by three-dimensional single quantum dot tracking | |
Fu et al. | Observation of intracellular interactions between DNA origami and lysosomes by the fluorescence localization method | |
He et al. | Temporal compressive super-resolution microscopy at frame rate of 1200 frames per second and spatial resolution of 100 nm | |
Li et al. | Physicochemical hydrodynamics of the phase segregation in an evaporating binary microdroplet | |
CN108398371A (zh) | 一种血细胞剪应力流变观测装置及血细胞剪应力流变规律的分析和流变过程的再现方法 | |
Akbaridoust et al. | Simultaneous micro-PIV measurements and real-time control trapping in a cross-slot channel | |
CN109459846B (zh) | 一种用于捕获目标物运动全过程的显微成像装置及方法 | |
KR101554385B1 (ko) | 형광 공명 에너지 전이(fret)를 이용한 초고해상도 형광 물질 영상화 방법 및 장치 | |
Cai et al. | Programmable Aperture Light‐Field Microscopy | |
Kozubek et al. | Automated microaxial tomography of cell nuclei after specific labelling by fluorescence in situ hybridisation | |
Park et al. | Three-dimensional microfluidic measurements using optical sectioning by confocal microscopy: Flow around a moving air bubble in a micro-channel | |
Bissardon et al. | Light sheet fluorescence microscope for microfluidic chip | |
Ping et al. | Isotropic super-resolution imaging of thick samples with multi-view sub-voxel-resolved light-sheet microscopy | |
Yang et al. | When Super‐Resolution Microscopy Meets Microfluidics: Enhanced Biological Imaging and Analysis with Unprecedented Resolution | |
He et al. | High throughput three-dimensional imaging cytometry based on single-shot optical diffraction tomography system | |
Bujak et al. | Interferometric scattering (iSCAT) microscopy for high fidelity tracking at microseconds timescales | |
Baria et al. | Imaging of human urothelial carcinoma samples using multimodal multiphoton microscopy | |
US20220229050A1 (en) | Methods and systems for immobilizing a biological specimen for microscopic imaging | |
Mochalov et al. | Ultrastructural 3D Microscopy for Biomedicine: Principles, Applications, and Perspectives | |
Villegas-Hernández et al. | Photonic chip-based multimodal super-resolution microscopy for histopathological assessment of cryopreserved tissue sections |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |