CN115236038A - 一种精子顶体空泡太赫兹成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种精子顶体空泡太赫兹成像方法，属于太赫兹近场生物成像领域，主要解决精子样本顶体空泡的无染色快速成像问题。在太赫兹近场成像系统中，太赫兹波激发原子力显微镜的探针，经探针照射到精子样本顶体位置，精子样本顶体反射的太赫兹近场波被探针接收并转化为远场波传播出去，结合原子力的信号处理和显示系统，可以清晰的对精子样本顶体内部的空泡进行成像。采取太赫兹波进行近场成像，太赫兹对非极性材料的穿透性，可以对精子样本顶体进行内部成像，可以清晰的对精子样本顶体的空泡进行成像。基于太赫兹近场系统的原子力显微镜系统，精度可以达到纳米级。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹近场生物成像领域，具体涉及一种精子顶体空泡太赫兹成像方法。
背景技术
精子顶体是位于精子头部的溶酶体，在精子和卵子的受精过程中起着重要作用。精子与卵细胞相遇时，顶体释放蛋白水解酶，溶解并水解透明带和辐射冠，使精子细胞与卵细胞质膜融合，使精子穿过透明带到达卵子表面受精。鉴于顶体在受精过程中的重要作用，精子顶体完整率的检测常作为评价精子受精障碍、畸形精子等精子异常导致男性不育的重要指标之一。空泡在精子顶体位置普遍存在，其中WHO《人类精液检查与处理实验室手册》(第五版)规定精子头部空泡顶体区不能多于2个小空泡、单个空泡面积不得大于头部面积的20％。
目前实验室对空泡的高精度成像手段是采样电镜染色、切片进行成像处理，费事费力，在精液诊断检查时不太适用。医院精液诊断检查时有时对精子进行特异抗体染色，再采取荧光显微镜进行放大成像观察。这些方法需要对精子进行染色，需要耗费比较长的时间，同时成像仅仅是平面像或者表面像。
太赫兹波通常是指频率为100GHz～10THz，波长为30～3000μm的电磁波，在电磁波谱中位于毫米波和远红外射线之间，具有低辐射、强穿透性、以及与生物、半导体材料易产生共振的光学属性，这些特点使得太赫兹近场成像技术被广泛地应用于安检安防、化学品鉴定、医学成像、质量控制等领域。
发明内容
为解决精子顶体空泡的无染色快速成像问题，本发明提供一种精子顶体空泡太赫兹成像方法，其利用太赫兹波的穿透性，结合太赫兹近场系统使用，可以得到空泡表面和内部的结构，不需要对精子进行染色处理，也不需要对精子进行切片损坏处理，可有效对精子顶体空泡处进行表面和内部直接进行快速无损坏成像。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种精子顶体空泡太赫兹成像方法，利用太赫兹近场成像系统进行成像，原子力探针的运动方式为轻敲模式，大功率的太赫兹源发射的太赫兹波经过光路传播到探针的针尖位置，太赫兹信号通过探针作为发射源对精子样本的头部顶体进行照射；利用太赫兹波对非极性材料的穿透性，太赫兹波穿透精子样本的头部顶体，穿透镜子样本的顶体内部的空泡；所述顶体、空泡对接收的太赫兹波进行反射，反射的太赫兹波携带近场信息形成近场波，被探针转化为远场波传播出去；结合太赫兹近场成像系统中的原子力显微镜的信号处理和显示功能，对精子样本的顶部进行成像扫描，得到精子形貌图和精子样本的顶体内部空泡图。
进一步地，大功率的太赫兹源的频率为100±10GHz，功率大于40mW。
进一步地，将远场波中的近场信息进行解调和滤波，提取近场信号，其中锁相放大器显示傅里叶变换的一阶信号幅值大于2mV。
进一步地，对太赫兹近场成像系统进行扫描设置，其中扫描范围第一次设置在20μm，包含精子样本的头部顶体尺寸，分辨率为256，点击扫描按钮进行初扫；待第一次扫描结束，调解并缩小扫描范围至10μm，移动探针的位置保证精子样本的头部在扫描范围内并尽量缩小扫描范围，分辨率设置为1024，点击扫描按钮。
本发明的优点是：利用太赫兹的穿透性，对精子顶体部分进行太赫兹穿透，提取太赫兹穿透信号的信息进行成像，可以得到空泡表面和内部的结构，不需要对精子进行染色处理，也不需要对精子进行切片损坏处理，可直接进行快速无损坏成像。本发明结合太赫兹近场系统，可得到和电镜精度相当分辨率的表面和内部图像，操作简单、快速。
附图说明
图1是本发明的精子顶体空泡太赫兹成像方法示意图；
图2是太赫兹成像精子的形貌图；
图3是太赫兹成像精子顶体空泡的内部图。
其中：1是探针，2是精子样本，3是太赫兹源发射的太赫兹波，4是远场波，5是近场波。
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，以下结合附图及实施例，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的精子顶体空泡太赫兹成像方法，利用太赫兹近场成像系统进行成像，将精子样本2固定在低阻硅片上，将带有精子样本2的低阻硅片固定在太赫兹近场成像系统的磁片底座上，磁片底座吸附在太赫兹近场成像系统的载物台上。
打开太赫兹近场成像系统的控制软件，打开激光器，调解好激光器和接收四象限位置，使激光红点位于中心位置。将太赫兹近场成像系统中的探针采取自动下针模式，利用纳米精度的探针1和精子样本2之间的原子力将探针1放置在待测的精子样本2的头部顶体位置。所述探针1为原子力探针。
在太赫兹近场成像系统中设置探针1的运动方式为轻敲模式，打开大功率的太赫兹源，其频率为100±10GHz，功率大于40mW。太赫兹源发射的太赫兹波3经过光路传播到探针1的针尖位置。太赫兹信号通过探针1作为发射源对精子样本2的头部顶体进行照射。利用太赫兹波对非极性材料的穿透性，太赫兹波穿透精子样本2的头部顶体，穿透精子样本2的顶体内部的空泡。太赫兹波甚至到达底部的低阻硅片上，低阻硅片、顶体、空泡等对接收的太赫兹波进行反射，反射的太赫兹波携带近场信息形成近场波5。探针1接收含有近场信息的太赫兹，转化为远场波4传播出去。
结合太赫兹近场系统中的原子力显微镜的信号处理和显示功能，将远场波4中的近场信息进行解调和滤波，提取近场信号，其中锁相放大器显示傅里叶变换的一阶信号、二阶信号、三阶信号等等。其中一阶信号幅值要大于2mV，二阶信号幅值要大于500μV。信号阶数越多，信号幅值越大，成像越清晰。
对太赫兹近场成像系统进行扫描设置，其中扫描范围第一次设置在20μm，包含精子样本2的头部顶体尺寸，分辨率为256，设置扫描频率为0.2Hz，参考点为0.85。积分增益为300，比例增益为200。点击扫描按钮进行初扫。由于探针1的尖端为几十纳米精度，成像精度能达到纳米级精度，但成像分辨率为256，精度不够，需要提高分辨率再次扫描。
待第一次扫描结束，调解并缩小扫描范围至10μm，移动探针1的位置保证精子样本2的头部在扫描范围内并尽量缩小扫描范围，分辨率设置为1024，点击扫描按钮，进行第二次扫描，成像精度可达到几十纳米精度。扫描结束则得到如图2所示的精子的形貌图和如图3所示的精子样本2的顶体空泡的内部图。图3中左下顶部浅色部分为空泡。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种精子顶体空泡太赫兹成像方法，其特征在于：利用太赫兹近场成像系统进行成像，原子力探针的运动方式为轻敲模式，大功率的太赫兹源发射的太赫兹波经过光路传播到探针的针尖位置，太赫兹信号通过探针作为发射源对精子样本的头部顶体进行照射；利用太赫兹波对非极性材料的穿透性，太赫兹波穿透精子样本的头部顶体，穿透镜子样本的顶体内部的空泡；所述顶体、空泡对接收的太赫兹波进行反射，反射的太赫兹波携带近场信息形成近场波，被探针转化为远场波传播出去；结合太赫兹近场成像系统中的原子力显微镜的信号处理和显示功能，对精子样本的顶部进行成像扫描，得到精子形貌图和精子样本的顶体内部空泡图。
2.根据权利要求1所述的一种精子顶体空泡太赫兹成像方法，其特征在于：大功率的太赫兹源的频率为100±10GHz，功率大于40mW。
3.根据权利要求1所述的一种精子顶体空泡太赫兹成像方法，其特征在于：将远场波中的近场信息进行解调和滤波，提取近场信号，其中锁相放大器显示傅里叶变换的一阶信号幅值大于2mV。
4.根据权利要求1所述的一种精子顶体空泡太赫兹成像方法，其特征在于：对太赫兹近场成像系统进行扫描设置，其中扫描范围第一次设置在20μm，包含精子样本的头部顶体尺寸，分辨率为256，点击扫描按钮进行初扫；待第一次扫描结束，调解并缩小扫描范围至10μm，移动探针的位置保证精子样本的头部在扫描范围内并尽量缩小扫描范围，分辨率设置为1024，点击扫描按钮。
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