CN113670880A - 一种荧光显微成像装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及显微成像技术领域，尤其涉及一种荧光显微成像装置，包括：荧光载物台，荧光载物台包括载玻片、夹持架以及调节装置，其中载玻片用于承载荧光样本，夹持架用于固定载玻片，调节装置用于调节载玻片的高度；成像模块，设置于荧光载物台的下方，用于采集荧光样本的显微图像，成像模块包括图像传感器芯片，图像传感器芯片与载玻片对应设置，此外，图像传感器芯片的表面设有一层超构透镜；光源模块，设置于载玻片的上方，用于向荧光样本提供光源。本发明的有益效果：在保证大视场、高分辨的同时，又具有对被观测目标高度的专一性和灵敏性的优点。

Description

一种荧光显微成像装置及成像方法

技术领域

本发明涉及显微成像技术领域，尤其涉及一种荧光显微成像装置及成像方法。

背景技术

对于显微成像装置来说，同时实现大视场、高分辨率成像是光学显微技术发展至今不断追求的永恒目标。而传统光学显微镜由于其光学设计原理限制，空间带宽积总是限制在百万像素量级，从而无法同时兼顾高分辨率与大视场。另一方面，复杂的光学系统也使显微镜变得日趋昂贵、笨重、复杂且难以维护，极大地限制了其推广和应用。荧光显微在光学显微中已经有了很长的发展，荧光显微形式多种多样，诸如自发荧光、延迟荧光、荧光染料染色、诱发荧光等等。正因为其形式的多种多样，荧光显微技术在生物医学分析、免疫学、细胞生物学、新型药物研发临床试验以及细胞培养筛选等方面有着极其广泛的应用。然而传统的光学透镜的荧光显微镜成本高，体积大，设备复杂，很大程度限制了其应用与推广。

因此，在解决上述技术问题的同时，提供一种仍然保持荧光显微技术的优点，且成本不高、结构简化、轻薄的显微成像装置就显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种荧光显微成像装置及成像方法，不仅解决了系统空间带宽积限制的技术问题，在保持分辨率的情况下拓宽成像视场，还拥有着荧光成像的应用面极其广泛的优点。

具体技术方案如下：

本发明包括一种荧光显微成像装置，包括：

荧光载物台，所述荧光载物台包括载玻片、夹持架以及调节装置，其中所述载玻片用于承载荧光样本，所述夹持架用于固定所述载玻片，所述调节装置用于调节所述载玻片的高度；

成像模块，设置于所述荧光载物台的下方，用于采集所述荧光样本的显微图像，所述成像模块包括图像传感器芯片，所述图像传感器芯片与所述载玻片对应设置，此外，所述图像传感器芯片的表面设有一层超构透镜；

光源模块，设置于所述载玻片的上方，用于向所述荧光样本提供光源。

可选的，所述调节装置包括位移杠杆和调节旋钮，所述位移杠杆分别连接所述夹持架、所述调节旋钮；

所述成像模块内设有与所述位移杠杆相匹配的滑动槽，通过所述调节旋钮可驱动所述位移杠杆于所述滑动槽内上下移动，从而调整所述载玻片与所述图像传感器芯片之间的距离。

可选的，所述位移杠杆上设有多个凸块，所述多个凸块平行设置；

所述调节旋钮连接所述位移杠杆的一端设有齿轮，所述齿轮与所述多个凸块形成齿轮传动机构。

可选的，所述滑动槽内设有滑轨，通过所述调节旋钮可驱动所述位移杠杆于所述滑轨内移动。

可选的，所述夹持架的一端设有凹槽，并通过所述凹槽夹持载玻片；

或者所述夹持架通过螺钉固定所述载玻片。

可选的，所述光源模块可调节光源波长，其包括紫外LED光源，或配合反光和聚光镜的汞灯，或配合窄带滤色片使用的单个光源以及光源阵列。

可选的，所述载玻片的表面镀有滤色片。

可选的，所述荧光样本包括利用荧光微球处理的荧光样本和/或自发荧光样本。

可选的，所述位移杠杆的截面包括圆形或方形，并且所述滑动槽的形状与所述位移杠杆的形状适配。

可选的，所述图像传感器芯片的单个感光像素尺寸≤1.67μm×1.67μm，并且所述图像传感器芯片具有的感光像素数目≥6400万。

可选的，所述成像模块还包括可编程逻辑门阵列、所述图像传感器芯片的外围电路以及散热风扇，所述可编程逻辑门阵列对所述图像传感器芯片进行控制和数据传输，所述散热风扇用于散发所述可编程逻辑门阵列产生的热量。

本发明还包括一种荧光显微成像装置的成像方法，包括：

将待观测的样本置于试管中，加入荧光染料进行染色，再加入背景抑制剂和抗淬灭试剂，以制备成荧光样本；

将制备好的所述荧光样本滴加在所述载玻片上，并于所述荧光样本上贴盖玻片；

打开所述光源模块，对所述荧光样本进行荧光激发；

根据所述图像传感器芯片采集的显微图像调节所述载玻片与所述图像传感器芯片之间的距离，直至所述图像传感器芯片采集到清晰的所述显微图像。

本发明的技术方案具有如下优点或有益效果：提供一种荧光显微成像装置及成像方法，利用激发荧光的方式结合超构透镜显微的技术，在保证大视场、高分辨的同时，又具有对被观测目标高度的专一性和灵敏性的优点；此外，荧光载物台可调节样本与成像模块之间的距离，有利于图像传感器芯片在采集过程中对焦，确保显微图像的清晰度。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1为本发明实施例中荧光显微成像装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中光源模块的结构示意图；

图3为本发明实施例中紫外线LED光源的光路示意图；

图4为本发明实施例中汞灯光源的光路示意图；

图5为本发明实施例中第一种荧光载物台的结构示意图；

图6为本发明实施例中第二种荧光载物台的结构示意图；

图7为本发明实施例中具有齿轮传动机构的荧光载物台的结构示意图；

图8为本发明实施例中具有超构透镜的图像传感器芯片的结构示意图；

图9为本发明实施例中的成像方法的步骤流程图。

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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明包括一种荧光显微成像装置，如图1所示，包括：

荧光载物台1，荧光载物台1包括载玻片101、夹持架102以及调节装置103，其中载玻片101用于承载荧光样本，夹持架102用于固定载玻片101，调节装置103用于调节载玻片101的高度；

成像模块2，设置于荧光载物台1的下方，用于采集荧光样本的显微图像，成像模块2包括图像传感器芯片201，图像传感器芯片201与载玻片101对应设置，此外，图像传感器芯片201的表面设有一层超构透镜202；

光源模块3，设置于载玻片101的上方，用于向荧光样本提供光源。

具体地，在本实施例中，图像传感器芯片201的表层经过光学刻蚀，集成了一层超构透镜201，超构透镜是近年来新出现的一种光学透镜，其超薄、超轻和平板的结构特征，非常有利于设计出低成本、轻薄的光学系统。超构透镜201可以将荧光载物台上的荧光样本成像到图像传感器芯片201的传感器像元上，进行一定距离的成像。此外，由于荧光载物台1具备调节装置103，可以手动调节载玻片101的高度，即荧光样本与图像传感器芯片201之间的距离，有利于图像传感器芯片201对焦，采集到清晰度最佳的显微图像。光源模块3的激发光可以调节，能够针对不同荧光染料标记的荧光样本发出其所需的波长。

本实施例中的荧光样本包括利用荧光微球处理的荧光样本、自发荧光样本等。具体采用荧光染料的激发光波长以及荧光波长根据所需要观察的样本形式确定，选择准则以最大程度避开背景荧光为准，以此保证荧光显微图的高信噪比。

作为一种可选的实施方式，如图5和6所示，调节装置103包括位移杠杆1031和调节旋钮1032，位移杠杆1031分别连接夹持架102、调节旋钮1032；

如图1所示，成像模块2内设有与位移杠杆1031相匹配的滑动槽203，通过调节旋钮1032可驱动位移杠杆1031于滑动槽203内上下移动，从而调整载玻片101与图像传感器芯片201之间的距离；

如图5所示的第一种位移杠杆1031为圆柱形，其截面为圆形，或如图6所示的第二种位移杠杆1031的截面为方形，上述仅为圆形截面或方形截面仅为一种较优的实施例，位移杠杆1031也可以选用其他形状的截面，滑动槽203的形状与位移杠杆1031的形状适配即可。进一步地，位移杠杆1031的一端连接夹持架102，夹持架102与水平面平行设置，调节旋钮1032一端连接位移杠杆1031，用于驱动位移杠杆1031上下移动。

作为一种可选的实施方式，如图7所示，位移杠杆1031上设有多个凸块，多个凸块平行设置；调节旋钮1032连接位移杠杆1031的一端设有齿轮，齿轮与多个凸块形成齿轮传动机构。

具体地，在本实施例中，调节装置采用的是齿轮传动机构。多个凸块的尺寸相等，凸块之间的间距也相等，便于用户调节。凸块的数量根据实际所需的调节精度来定。

作为另一种可选的实施方式，如图1所示，滑动槽203内设有滑轨，通过调节旋钮1032可驱动位移杠杆1031于滑轨内移动。需要说明的是，本发明包括但不限于滑轨和齿轮传动两种调节方式，还包括其他任何可以调节荧光载物台1与成像模块2之间距离的调节装置。通过调节装置可带动载玻片101进行直接的上下位移，从而实现精准对焦，保证最后成像模块2可采集到清晰完整的荧光显微图像。

作为一种可选的实施方式，如图5和6所示，夹持架102的一端设有凹槽，并通过凹槽夹持载玻片101；或者夹持架102通过螺钉固定载玻片101。夹持架102包括但不限于以上两种固定载玻片101的方式。

作为一种可选的实施方式，如图2所示，光源模块3可调节光源波长，其包括图3所示的紫外LED光源3A，或图4所示的配合反光和聚光镜的汞灯3B，或配合窄带滤色片使用的单个光源以及光源阵列。光源模块3可以根据荧光样本的种类切换不同的波长。

作为一种可选的实施方式，载玻片101的表面镀有滤色片。可调荧光载物台1所夹持的载玻片101镀有针对荧光样本的滤色片，滤色片可保证对光源模块3发出的激发光具有高阻断性和对荧光样本发出的荧光具有高透过性。具体滤色片的性能要求可根据荧光样本的荧光波长等特征进行定制后镀到载玻片101的表面。该系统的光路结构包括：从光源模块3出发，通过光源前设置的窄带滤光片得到窄带激发光，再通过反光镜到达荧光样本进行荧光激发，而后激发光被紫外滤色片滤除；由荧光样本发出的荧光经过线偏振片后得到线偏振荧光，再通过四分之一波片与超构透镜阵列最终到达CMOS图像传感器。

作为一种可选的实施方式，成像模块2除了包括图像传感器芯片201、超构透镜202、滑动槽203，还包括可编程逻辑门阵列(图中未显示出)、图像传感器芯片的外围电路204以及散热风扇(图中未显示出)，外围电路204负责图像传感器芯片与FPGA模块(FieldProgrammable Gate Array，可编程逻辑门阵列)的通讯，可编程逻辑门阵列对图像传感器芯片进行控制和数据传输，散热风扇用于散发可编程逻辑门阵列产生的热量。

图像传感器芯片201可感知荧光信号收集图像，型号包括但不限于CCD图像传感器、CMOS图像传感器、半浮栅晶体管。图像传感器芯片201的单个感光像素尺寸≤1.67μm×1.67μm，并且图像传感器芯片具有的感光像素数目≥6400万。本系统的分辨率可以通过缩小像元尺寸来提升，视场可以通过提升感光像素数目来增大，所以对于成像结果来讲，图像传感器芯片201的像素尺寸越小，像素数目越多，最终得到的荧光显微图质量越好。

本发明还提供一种荧光显微成像装置的成像方法，如图9所示，包括：

步骤S1，将待观测的样本置于试管中，加入荧光染料进行染色，再加入背景抑制剂和抗淬灭试剂，以制备成荧光样本；

步骤S2，将制备好的荧光样本滴加在载玻片上，并于荧光样本上贴盖玻片；

步骤S3，打开光源模块，对荧光样本进行荧光激发；

步骤S4，根据图像传感器芯片采集的显微图像调节载玻片与图像传感器芯片之间的距离，直至图像传感器芯片采集到清晰的显微图像。

具体地，本发明的成像方法具体包括：

(1)制备荧光样本，将待观测的样本置于试管中，加入荧光染料进行30分钟的染色标记，然后去除标记溶液并使用新鲜配制的培养基冲洗，再加入背景抑制剂和抗淬灭试剂，以最大程度去掉背景荧光信号的干扰，实现尽量高的信噪比；

(2)添加荧光样本，将制备好的荧光样本用滴管吸取滴加少量在荧光载物台1的载玻片101中心，贴上盖玻片保证荧光样本能够在载玻片101上均匀摊开；

(3)荧光激发，为装置接通电源，打开光源模块3使得光线照射在荧光样本上，对荧光样本进行充分的荧光激发；

(4)荧光观察，将装置连接至计算机，FPGA模块发出指令收集到荧光显微图像并实时传输到电脑屏幕上，对于不同类型的荧光染料，由于染料激发出的荧光波长不同，此时计算机显示的荧光显微图像可能不够清晰，此时可以通过调节荧光载物台1的纵向高度进行物距调整，对焦完毕即可得到最终清晰完整的荧光显微图像；

(5)关闭装置，先关闭光源模块3保证光源寿命，然后停止图像采集使FPGA模组停止工作，此时不要对整个装置立即断电，等待一段时间散热风扇将模组内热量全部排出后再对装置进行彻底断电，最后按照实验室要求处理样品以及废液以供下次使用。

本发明的技术方案具有如下优点或有益效果：提供一种荧光显微成像装置及成像方法，利用激发荧光的方式结合超构透镜显微的技术，在保证大视场、高分辨的同时，又具有对被观测目标高度的专一性和灵敏性的优点；此外，荧光载物台可调节样本与成像模块之间的距离，有利于图像传感器芯片在采集过程中对焦，确保显微图像的清晰度。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种荧光显微成像装置，其特征在于，包括：

荧光载物台，所述荧光载物台包括载玻片、夹持架以及调节装置，其中所述载玻片用于承载荧光样本，所述夹持架用于固定所述载玻片，所述调节装置用于调节所述载玻片的高度；

成像模块，设置于所述荧光载物台的下方，用于采集所述荧光样本的显微图像，所述成像模块包括图像传感器芯片，所述图像传感器芯片与所述载玻片对应设置，此外，所述图像传感器芯片的表面设有一层超构透镜；

光源模块，设置于所述载玻片的上方，用于向所述荧光样本提供光源。

2.根据权利要求1所述的荧光显微成像装置，其特征在于，所述调节装置包括位移杠杆和调节旋钮，所述位移杠杆分别连接所述夹持架、所述调节旋钮；

所述成像模块内设有与所述位移杠杆相匹配的滑动槽，通过所述调节旋钮可驱动所述位移杠杆于所述滑动槽内上下移动，从而调整所述载玻片与所述图像传感器芯片之间的距离。

3.根据权利要求2所述的荧光显微成像装置，其特征在于，所述位移杠杆上设有多个凸块，所述多个凸块平行设置；

所述调节旋钮连接所述位移杠杆的一端设有齿轮，所述齿轮与所述多个凸块形成齿轮传动机构。

4.根据权利要求2所述的荧光显微成像装置，其特征在于，所述滑动槽内设有滑轨，通过所述调节旋钮可驱动所述位移杠杆于所述滑轨内移动。

5.根据权利要求1或2所述的荧光显微成像装置，其特征在于，所述夹持架的一端设有凹槽，并通过所述凹槽夹持载玻片；

或者所述夹持架通过螺钉固定所述载玻片。

6.根据权利要求1所述的荧光显微成像装置，其特征在于，所述光源模块可调节光源波长，其包括紫外LED光源，或配合反光和聚光镜的汞灯，或配合窄带滤色片使用的单个光源以及光源阵列。

7.根据权利要求1所述的荧光显微成像装置，其特征在于，所述载玻片的表面镀有滤色片。

8.根据权利要求1所述的荧光显微成像装置，其特征在于，所述荧光样本包括利用荧光微球处理的荧光样本和/或自发荧光样本。

9.根据权利要求2所述的荧光显微成像装置，其特征在于，所述位移杠杆的截面包括圆形或方形，并且所述滑动槽的形状与所述位移杠杆的形状适配。

10.根据权利要求1所述的荧光显微成像装置，其特征在于，所述图像传感器芯片的单个感光像素尺寸≤1.67μm×1.67μm，并且所述图像传感器芯片具有的感光像素数目≥6400万。

11.根据权利要求1所述的荧光显微成像装置，其特征在于，所述成像模块还包括可编程逻辑门阵列、所述图像传感器芯片的外围电路以及散热风扇，所述可编程逻辑门阵列对所述图像传感器芯片进行控制和数据传输，所述散热风扇用于散发所述可编程逻辑门阵列产生的热量。

12.一种荧光显微成像装置的成像方法，其特征在于应用于如权利要求1-11中任一所述的荧光显微成像装置，包括：

将待观测的样本置于试管中，加入荧光染料进行染色，再加入背景抑制剂和抗淬灭试剂，以制备成荧光样本；

将制备好的所述荧光样本滴加在所述载玻片上，并于所述荧光样本上贴盖玻片；

打开所述光源模块，对所述荧光样本进行荧光激发；

根据所述图像传感器芯片采集的显微图像调节所述载玻片与所述图像传感器芯片之间的距离，直至所述图像传感器芯片采集到清晰的所述显微图像。

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