CN116602617A

CN116602617A - 光纤记录系统

Info

Publication number: CN116602617A
Application number: CN202310061530.6A
Authority: CN
Inventors: 雷汉宏; 陈华贵
Original assignee: Rwd Life Science Co ltd
Current assignee: Rwd Life Science Co ltd
Priority date: 2022-12-30
Filing date: 2022-12-30
Publication date: 2023-08-18
Also published as: CN115969370A

Abstract

本发明实施例提供一种光纤记录装置，包括激发光模块，包括至少两个不同波长的激发光源，激发光模块照射预设位置以激发至少两个不同波长的荧光信号；分色成像模块，包括分色镜组和光电探测器，分色镜组将至少两个不同波长的荧光信号引导至光电探测器的不同区域，以转换为电信号；分析模块，根据电信号进行分析。本发明实施例的激发光模块包括至少两个不同波长的激发光源，照射预设位置激发至少两个不同波长的荧光信号，分色镜组将至少两个不同波长的荧光信号引导至光电探测器的不同区域，同时转换为电信号后进行分析，实现了一个光电探测器同步检测不同波长的荧光信号，提高了观测的准确性。

Description

光纤记录系统

技术领域

本发明涉及生物体内荧光信号检测技术领域，尤其涉及一种光纤记录装置。

背景技术

在神经科学研究中，对活体动物脑区的神经活动的实时观测和记录非常重要。GCaMP、RCaMP等是钙敏感荧光蛋白、一种新型的钙离子指示剂，对细胞或细胞器内的钙离子敏感，被激发后其荧光信号强度与钙离子浓度成正比，可用于观察钙离子介导的信号传递过程。通过基因技术，向活体动物脑区的靶器官注射含有GCaMP的载体病毒，并在靶器官内进行表达，从而在靶器官内产生GCaMP。然后使用激发光激发该靶器官内的GCaMP使其发出荧光信号，并同时检测该荧光信号的强度，从而对应该靶器官的特定靶细胞内钙离子浓度的变化、观测活体动物脑区的神经活动。光纤记录装置可进行GCaMP的荧光信号采集和分析，实现对活体动物脑区的神经活动的实时观测和记录。

现有的光纤记录装置在采集不同波长的荧光信号时，采用分时单光电探测器或者同时多光电探测器的方式。分时单光电探测器的方式，在采集不同波长的荧光信号上存在时间差，不能对比两种或者多种不同波长的荧光信号在同一时刻的强度；同时多光电探测器的方式，由于接收不同波长的荧光信号的光电探测器不相同，存在因光电探测器的差异性而影响荧光信号分析结果的情况。

发明内容

本发明实施例提供一种光纤记录装置，旨在解决现有技术中无法采用同一光电探测器同步分析不同波长的荧光信号的问题。

第一方面，提供一种光纤记录装置，包括：

激发光模块（1），包括至少两个不同波长的激发光源（11），激发光模块（1）照射预设位置以激发至少两个不同波长的荧光信号；

分色成像模块（2），包括分色镜组（21）和光电探测器（22），分色镜组（21）将至少两个不同波长的荧光信号引导至光电探测器（22）的不同区域，以转换为电信号；

分析模块（3），根据电信号进行分析。

本发明实施例的激发光模块包括至少两个不同波长的激发光源，照射预设位置激发至少两个不同波长的荧光信号，分色镜组将至少两个不同波长的荧光信号引导至光电探测器的不同区域，同时转换为电信号后进行分析，实现了一个光电探测器同步检测不同波长的荧光信号，提高了观测的准确性。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例一提供的光纤记录装置的示意图；

图2是本发明实施例一提供的激发光模块的结构示意图；

图3是本发明实施例一提供的分色成像模块的结构示意图；

图4是本发明实施例一提供的光电探测器感光面的示意图；

图5是本发明实施例一提供的分色成像模块的又一结构示意图；

图6是本发明实施例二提供的激发光模块和分色成像模块的结构示意图；

图7是本发明实施例二提供的多模光纤束端面的示意图；

图8是本发明实施例二提供的光电探测器感光面的又一示意图；

图9是本发明实施例三提供的光纤记录方法的流程图；

图10是本发明实施例三提供的光纤记录方法的又一流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

GCaMP、RCaMP等由于受到神经元活动中钙离子浓度的调控，其被激发后发出的荧光信号的强度会随着神经元活动的强弱而变化。而普通荧光蛋白被激发后发出的荧光信号的强度仅取决于激发光强度和蛋白表达密度，与神经元活动的强弱无关。在实验动物进行特定行为时，对照普通荧光蛋白发出的荧光信号的波动情况，从而去除运动信号和基底噪声，可判断GCaMP发出的荧光信号是否真实源自于其脑区的神经活动，使得观测更准确。这样的实验要求将不同波长的激发光照射到被测神经元上，使被测神经元上不同的荧光蛋白被激发而产生不同波长的荧光信号，然后通过光电探测器检测和记录。通常，使用410nm激发光源作为普通荧光蛋白的激发光，激发非钙荧光信号；使用560nm激发光源作为RCaMP的激发光，激发红色荧光信号或者作为普通荧光蛋白的激发光，激发非钙荧光信号；使用470nm激发光源作为GCaMP的激发光，激发绿色荧光信号。上述不同波长的激发光源是指其中心波长位于该数值附近，激发光源可以是发光二极管或者激光器等。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的光纤记录装置的结构示意图。如图1所示，该光纤记录装置包括激发光模块1、分色成像模块2和分析模块3。激发光模块1包括至少两个不同波长的激发光源11，激发光模块1发出激发光，照射实验动物特定神经元的预设位置以激发至少两个不同波长的荧光信号。分色成像模块2，包括分色镜组21和光电探测器22。分色镜组21将上述至少两个不同波长的荧光信号引导至光电探测器22的不同区域。光电探测器22可以为阵列光电传感器，如电荷耦合元件（CCD，charge couple device）图像传感器、互补金属氧化物半导体（CMOS，complementary metal-oxide-semiconductor）图像传感器或者电子倍增CCD（EMCCD，electron-multiplying CCD）图像传感器，优选高灵敏度低噪声的高速sCMOS面阵相机，将荧光信号转换为电信号。分析模块3根据电信号进行分析、显示，以观测神经元活动。

在本发明实施例中，至少两个不同波长的激发光源11包括第一激发光源111和第二激发光源112。图2是本发明实施例一提供的激发光模块的结构示意图。如图2所示，第一激发光源111和第二激发光源112发出的激发光分别经过与其对应的聚光镜、滤光片和二向色镜后汇聚成一束同光轴的双色光，照射预设位置后激发第一荧光信号和第二荧光信号。第一激发光源111可以为560nm激发光源，第二激发光源112可以为470nm激发光源。第一荧光信号和第二荧光信号的波长不重叠。

优选地，至少两个不同波长的激发光源11还包括第三激发光源113。第三激发光源113发出的激发光经过与其对应的聚光镜和滤光片后透射第一激发光源111的二向色镜和第二激发光源112的二向色镜，与第一激发光源111和第二激发光源112发出的激发光汇聚成一束同光轴的三色光，照射预设位置后激发第一荧光信号、第二荧光信号和第三荧光信号。第三激发光源113可以为410nm激发光源。第三荧光信号的波长与第一荧光信号、第二荧光信号的波长不重叠。

根据实验需要，至少两个不同波长的激发光源11还可包括更多的激发光源。各激发光源汇聚成一束照射预设位置后激发不同波长的荧光信号。采用现有技术可将各激发光源汇聚成一束，在此不再赘述。

图3是本发明实施例一提供的分色成像模块的结构示意图。在本发明实施例中，分色镜组21包括第一二向色镜211、第一分色支路212和第二分色支路213。第一二向色镜211将至少两个不同波长的荧光信号中的两个不同波长的荧光信号分别导向第一分色支路212和第二分色支路213，以将其引导至光电探测器22的不同区域。第一二向色镜211也可以是分色棱镜或者光栅等。

作为本发明的一个实施例，如图3所示，第一二向色镜211透射第一荧光信号、反射第二荧光信号，将两个不同波长的荧光信号分开。透射的第一荧光信号进入第一分色支路212，反射的第二荧光信号进入第二分色支路213。在本发明实施例中，各分色支路包括独立的成像镜组。第一分色支路212包括第一反射镜2121和第一成像镜组2122。第一荧光信号经过第一成像镜组2122后，被引导至光电探测器22的一个区域。第二分色支路213包括第二反射镜2131和第二成像镜组2132。第二荧光信号经过第二成像镜组2132后，被引导至光电探测器22的另一个区域。第一反射镜2121和第二反射镜2131也可以是棱镜或者光栅等。图4是本发明实施例一提供的光电探测器感光面的示意图。如图4所示，分色镜组21将第一荧光信号和第二荧光信号引导至光电探测器22感光面的不同区域（位于光电探测器22感光面的中线两侧），然后由光电探测器22同时将其转换为第一电信号和第二电信号。最后与光电探测器22连接的分析模块3根据第一电信号和第二电信号进行分析。优选地，第一分色支路212还包括第一滤光片2123，第二分色支路213还包括第二滤光片2133，滤除激发光、透过对应的荧光信号。

图5是本发明实施例一提供的分色成像模块的又一结构示意图。作为本发明的另一实施例，如图5所示，第一二向色镜211透射第一荧光信号、反射第二荧光信号，将两个不同波长的荧光信号分开。透射的第一荧光信号进入第一分色支路212，反射的第二荧光信号进入第二分色支路213。在本发明实施例中，各分色支路仅包括一些反射镜，将不同波长的荧光信号引导至合适的位置。同样，各分色支路可包括滤光片，滤除激发光、透过对应的荧光信号。在本发明实施例中，分色镜组21还包括统一成像镜组214。至少两个不同波长的荧光信号中的两个不同波长的荧光信号分别经过第一分色支路212和第二分色支路213后，通过统一成像镜组214成像于光电探测器22的不同区域。

根据实验需要，分色镜组21还可包括更多的分色支路。不同波长的荧光信号被分离进入不同的分色支路，以将其引导至光电探测器22的不同区域，光电探测器22同时将其转换为电信号。

实施例二

在本发明实施例中，与实施例一相同的各部件沿用与实施例一相同的标号，包括在实施例一中描述的全部特征，在此不再赘述。

图6是本发明实施例二提供的激发光模块和分色成像模块的结构示意图。如图2和图6所示，激发光模块1还包括第二二向色镜14、耦合镜组12和光纤13。第二二向色镜14将至少两个不同波长的激发光源11发出的激发光引导至耦合镜组12。耦合镜组12将至少两个不同波长的激发光源11发出的激发光，如第一激发光源111和第二激发光源112发出的激发光，耦合进入光纤13，以使激发光通过光纤13照射预设位置。激发的不同波长的荧光信号经过光纤13和耦合镜组12，透射第二二向色镜14后进入分色成像模块2。

为了实现多通道的光纤记录，在本发明实施例中，光纤13为多模光纤束，由多支多模光纤组成，每一支多模光纤即为一个通道。图7是本发明实施例二提供的多模光纤束端面的示意图。多支多模光纤的一端捆绑在一起，其端面位于耦合镜组12的焦面，多支多模光纤的另一端分散开，不同支的多模光纤可照射同一实验动物的不同神经元或者不同实验动物的神经元。各激发光源汇聚成的一束激发光经过耦合镜组12，在多模光纤束端面均匀进入每一支多模光纤，使得每个通道在相同的条件下可独立地进行实验。光电探测器22的感光面位于分色镜组21的后焦面，与多模光纤束的端面共轭。图8是本发明实施例二提供的光电探测器感光面的又一示意图。如图8所示，激发的同一通道不同波长的荧光信号进入不同的分色支路后成像于光电探测器22的不同区域。不同分支的多模光纤的端面成像于光电探测器22的不同区域、指定像素。然后光电探测器22同时将其转换为电信号，分析模块3根据各通道指定像素的映射关系，得到各通道的合并电信号，对各通道独立进行分析。

实施例三

在本发明实施例中，与实施例一和实施例二相同的各部件沿用与实施例一和实施例二相同的标号，包括在实施例一和实施例二中描述的全部特征，在此不再赘述。

激发光模块1包括第一激发光源111和第二激发光源112。第一激发光源111可以为560nm激发光源，激发第一荧光信号；第二激发光源112可以为470nm激发光源，激发第二荧光信号。第一荧光信号和第二荧光信号的波长不重叠。

图9是本发明实施例三提供的光纤记录方法的流程图。如图9所示，该光纤记录方法包括：

步骤S901：控制第一激发光源111和第二激发光源112同时发光。

步骤S902：将第一激发光源111和第二激发光源112发出的激发光引导至预设位置以激发第一荧光信号和第二荧光信号。

步骤S903：将第一荧光信号和第二荧光信号引导至光电探测器22的不同区域，以转换为第一电信号和第二电信号。

步骤S904：以第一电信号为对照，分析第二电信号。

在实验动物进行特定行为时，以第一激发光源111激发的第一荧光信号为对照，去除运动信号和基底噪声，可判断第二荧光信号是否真实源自于其脑区的神经活动，使得观测更准确。两个不同波长的激发光同时照射，解决了分时照射对荧光蛋白淬灭性的影响。同一光电探测器同时接收两个不同波长的荧光信号，避免了不同光电探测器的差异对观测带来的影响。

激发光模块1包括第一激发光源111、第二激发光源112和第三激发光源113。第一激发光源111可以为410nm激发光源，激发第一荧光信号；第二激发光源112可以为470nm激发光源，激发第二荧光信号；第三激发光源113可以为560nm激发光源，激发第三荧光信号。第三荧光信号的波长与第一荧光信号、第二荧光信号的波长不重叠。

图10是本发明实施例三提供的光纤记录方法的又一流程图。如图10所示，该光纤记录方法包括：

步骤S1001：控制第一激发光源111发光。

步骤S1002：将第一激发光源111发出的激发光引导至预设位置以激发第一荧光信号。

步骤S1003：将第一荧光信号引导至光电探测器22，以转换为第一电信号。

步骤S1004：控制第二激发光源112和第三激发光源113同时发光。

步骤S1005：将第二激发光源112和第三激发光源113发出的激发光引导至预设位置以激发第二荧光信号和第三荧光信号。

步骤S1006：将第二荧光信号和第三荧光信号引导至光电探测器22的不同区域，以转换为第二电信号和第三电信号。

步骤S1007：以第一电信号为对照，分析第二电信号和所述第三电信号。

在实验动物进行特定行为时，以第一激发光源111激发的第一荧光信号为对照，去除运动信号和基底噪声，可判断第二荧光信号和第三荧光信号是否真实源自于其脑区的神经活动，使得观测更准确。在两帧时间内完成三个不同波长的激发光的照射，激发的第一荧光信号与第二荧光信号和第三荧光信号仅相差一帧，观测误差小。在两帧时间内三个不同波长的激发光照射，解决了完全分时照射对荧光蛋白淬灭性的影响。同一光电探测器同时接收三个不同波长的荧光信号，避免了不同光电探测器的差异对观测带来的影响。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.光纤记录装置，其特征在于，包括：

激发光模块（1），包括第一激发光源（111）和第二激发光源（112），所述激发光模块（1）照射预设位置以激发第一荧光信号和第二荧光信号；

分色成像模块（2），包括分色镜组（21）和光电探测器（22），所述分色镜组（21）将所述第一荧光信号和所述第二荧光信号引导至所述光电探测器（22）的不同区域，以转换为第一电信号和第二电信号；

分析模块（3），根据所述第一电信号和所述第二电信号进行分析。

2.根据权利要求1所述的光纤记录装置，其特征在于，所述激发光模块（1）还包括耦合镜组（12）和光纤（13）；所述耦合镜组（12）将所述第一激发光源（111）和所述第二激发光源（112）发出的激发光耦合进入所述光纤（13），以使激发光通过所述光纤（13）照射所述预设位置。

3.根据权利要求2所述的光纤记录装置，其特征在于，所述光纤（13）为多支多模光纤。

4.根据权利要求3所述的光纤记录装置，其特征在于，所述多支多模光纤的端面位于所述耦合镜组（12）的焦面，所述光电探测器（22）的感光面位于所述分色镜组（21）的后焦面；不同分支的多模光纤的端面成像于所述光电探测器（22）的不同区域。

5.根据权利要求1-4任一项所述的光纤记录装置，其特征在于，所述激发光模块（1）还包括第三激发光源（113）。

6.光纤记录方法，其特征在于，由如权利要求1所述的光纤记录装置执行，所述光纤记录方法包括：

控制所述第一激发光源（111）和所述第二激发光源（112）同时发光；

将所述第一激发光源（111）和所述第二激发光源（112）发出的激发光引导至预设位置以激发第一荧光信号和第二荧光信号；

将所述第一荧光信号和所述第二荧光信号引导至所述光电探测器（22）的不同区域，以转换为第一电信号和第二电信号；

以所述第一电信号为对照，分析所述第二电信号。

7.光纤记录方法，其特征在于，由如权利要求5所述的光纤记录装置执行，所述光纤记录方法包括：

控制所述第一激发光源（111）发光；

将所述第一激发光源（111）发出的激发光引导至预设位置以激发第一荧光信号；

将所述第一荧光信号引导至所述光电探测器（22），以转换为第一电信号；

控制所述第二激发光源（112）和所述第三激发光源（113）同时发光；

将所述第二激发光源（112）和所述第三激发光源（113）发出的激发光引导至预设位置以激发第二荧光信号和第三荧光信号；

将所述第二荧光信号和所述第三荧光信号引导至所述光电探测器（22）的不同区域，以转换为第二电信号和第三电信号；

以所述第一电信号为对照，分析所述第二电信号和所述第三电信号。