CN116930140B - 一种基于金刚石nv色心的单分子定位方法、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于金刚石NV色心的单分子定位装置，通过在金刚石基板的预设区域的上表面设置NV色心阵列，以及在该NV色心阵列区域设置微波波导结构，使得添加了磁标记的单分子在被置于该区域内时，可以使NV色心在磁场的作用下产生不同程度的能级分裂，再通过激光将NV色心阵列调制到基态，以及通过微波操控NV色心阵列中每个色心的量子态，最后通过激光激发NV色心发光，并采集该NV色心阵列发光强度的荧光图像，利用基于荧光图像训练完的模型，确定单分子在该区域的位置。既可以避免现有定位方式需要大量采集图像，导致耗时较长的问题，又可以避免强激光直接对目标物(即添加荧光标记的单分子)的激发，达到快速无损的单分子定位。
Description
技术领域
本申请涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于金刚石NV色心的单分子定位方法、设备及介质。
背景技术
目前，单分子定位(Single-Molecule Localization，SML)技术主要是指基于荧光显微技术的高分辨率成像方法，通过利用单个荧光分子的闪烁信号来定位样品中的单个分子，得到极高空间分辨率的光学图像。由于其高分辨率和高灵敏度，单分子定位技术已经成为生物学、化学、材料科学等多个领域中重要的研究工具。
但是，现有基于荧光显微技术的单分子定位的方法，由于荧光标记的分子会随机闪烁，因此需要较长时间持续进行激发，通过采集的大量光信号，进行高斯拟合，得到每个荧光分子的精准定位信息。由于需要多次采集的光信号进行叠加，最终重建出一张单分子定位超分辨图像，导致无法实时定位。并且，由于一般通过强激光来激发荧光标记的分子，可能会导致该分子出现缺陷或者损坏，导致原位测试难以继续。
基于此，本说明书提供一种基于金刚石NV色心的单分子定位方法。
发明内容
本申请提供一种基于金刚石NV色心的单分子定位方法、设备及介质，以部分的解决现有技术存在的上述问题。
本申请采用下述技术方案：
本申请提供了一种基于金刚石NV色心的单分子定位装置，
所述定位装置包括：处理器、金刚石基板、激光器、微波控制装置、图像传感器，永磁铁，其中，所述金刚石基板的预设区域的上表面设置有NV色心阵列，所述预设区域周围设置有微波波导结构，添加磁标记的待定位的单分子置于所述预设区域中，其中：
所述处理器，用于根据所述磁标记，确定发射策略以及确定训练完成的定位模型，根据所述发射策略向所述激光器发送第一控制信号，根据所述发射策略向所述微波控制装置发送第二控制信号，以及在接收到所述图像传感器采集的荧光图像时，将所述荧光图像输入所述定位模型，得到所述待定位的单分子在所述预设区域的坐标；
所述激光器，用于接收所述处理器发送的第一控制信号，在进行定位前发射初始化激光，使所述预设区域中的NV色心处于基态，以及在定位时发射读取激光，使所述预设区域中的NV色心跃迁发光；
所述微波控制装置，用于接收所述处理器发送的第二控制信号，在所述NV色心处于基态时，通过所述微波波导结构调控所述NV色心处于叠加态，在所述NV色心与磁场进行一段时间相互作用之后，再通过所述微波波导结构调控所述NV色心的量子态；
所述图像传感器，用于采集所述预设区域中的NV色心跃迁发光的荧光图像，并将所述荧光图像返回所述处理器‘
所述永磁铁，用于在垂直于所述NV色心阵列的方向上施加一个固定的磁场。
可选地，所述处理器，用于根据所述磁标记的磁场强度，以及所述NV色心阵列中NV色心的间距；根据所述磁场强度以及所述间距，在训练完成的各定位模型中，确定匹配的定位模型，以及根据所述磁场强度，确定所述发射策略，其中，所述发射策略包括激光发射时间间隔序列，所述发射时间间隔序列中各项的差值与所述磁场强度负相关。
可选地，所述定位装置还包括：二向色镜，其中，所述激光器、所述二向色镜以及所述预设区域之间形成第一光路，所述预设区域、所述二向色镜以及所述图像传感器之间形成第二光路；
所述二向色镜，用于将所述激光器发射的激光，通过所述第一光路反射至所述预设区域，以及用于将从所述预设区域中的NV色心跃迁发光，通过所述第二光路透射到所述图像传感器。
可选地，所述激光器，用于根据所述第一控制信号发射指定频率的脉冲激光。
可选地，所述处理器，用于根据所述发射策略在向所述激光器发送第一控制信号后，向所述微波控制装置，发送所述第二控制信号；
所述微波控制装置，用于接收所述第二控制信号，并根据所述第二控制信号，按照所述根据所述发射策略的微波调整间隔，通过所述微波波导结构，控制所述预设区域内的NV色心的量子态，依次绕布洛赫坐标系的x轴旋转两次；其中，每次旋转角度为90度。
可选地，所述处理器，在向所述激光器发送第二控制信号时，向所述图像传感器发送采集信号；
所述图像传感器，根据接收到的所述采集信号，采集NV色心跃迁发光构成的荧光图像，其中，NV色心阵列中的NV色心发光在所述不同时间参数的荧光图像中成像的光强，与所述NV色心与所述待定位的单分子距离相关。
本申请提供了一种基于金刚石NV色心的单分子定位方法，所述方法应用于定位装置，添加磁标记的待定位的单分子置于所述定位装置的金刚石基板的预设区域，所述预设区域的上表面设置有NV色心阵列，所述预设区域周围设置有微波波导结构，所述方法包括：
根据所述磁标记，确定发射策略以及确定训练完成的定位模型；
根据所述发射策略，向所述NV色心阵列发射初始化激光，使所述预设区域中的NV色心处于基态；
根据所述发射策略，通过所述微波波导结构调控所述NV色心的量子态；
根据所述发射策略，向所述NV色心阵列发射读取激光，使所述预设区域中的NV色心跃迁发光，并采集跃迁发光的荧光图像；
将所述荧光图像输入所述定位模型，确定所述待定位的单分子在所述预设区域的坐标。
可选地，根据所述发射策略，通过所述微波波导结构调控所述NV色心的量子态，具体包括：
根据所述发射策略，通过所述微波波导结构，向所述预设区域发送微波控制信号，使所述预设区域内的NV色心的量子态绕布洛赫坐标系的x轴旋转90度，处于x-y平面；
确定在经过微波调整间隔后，向所述预设区域发送微波控制信号，使所述预设区域内的NV色心的量子态绕布洛赫坐标系的x轴再次旋转90度，处于叠加态。
可选地，所述方法还包括：
针对每种磁场强度，采用下述方法生成用于训练该磁场强度对应的定位模型的训练样本，其中：
在仿真环境中，确定设置该磁场强度的磁标记的单分子，并置于所述预设区域中，以及确定所述单分子在所述预设区域的坐标，作为样本标注；
确定当前采用的发射策略，并根据所述发射策略，确定激光发射间隔以及微波调整间隔；
根据所述激光发射间隔以及所述微波调整间隔，向所述预设区域依次发射初始化激光、调控微波以及读取激光，以采集所述预设区域中的NV色心跃迁发光的荧光图像；
判断采集的荧光图像是否达到预设第一数量；
若是，则根据采集的各时间参数的荧光图像进行平均，确定所述发射策略的训练样本；
若否，则重新向所述预设区域依次发射初始化激光、调控微波以及读取激光，继续采集荧光图像，直至达到所述预设数量为止。
可选地，所述方法还包括：
判断确定出的训练样本数量是否达到预设第二数量；
若是，则确定得到不同单分子坐标标注的训练样本，并确定未添加磁标记的单分子的荧光图像，作为负样本；
若否，则根据改变单分子的坐标，重新确定发射策略以及采集荧光图像，以继续确定训练样本，直至得到所述第二数量的训练样本为止。
采用下述方法训练该磁场强度对应的定位模型，其中：
将所述训练样本输入待训练的定位模型，得到输出的单分子的位置坐标的概率分布；
以所述训练样本的标注与所述概率分布，确定损失，并以损失最小为优化目标调整所述待训练的定位模型。
本申请提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，通过上述单分子定位装置实现上述基于金刚石NV色心的单分子定位方法。
本申请采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
通过在金刚石基板的预设区域的上表面设置NV色心阵列，以及在该NV色心阵列区域设置微波波导结构，使得添加了磁标记的单分子在被置于该区域内时，可以使NV色心在磁场的作用下产生不同程度的能级分裂，再通过激光将NV色心阵列调制到基态，以及通过微波控制NV色心阵列中色心的量子态，最后通过激光激发NV色心发光，并采集该NV色心阵列发光强度的荧光图像，基于荧光图像通过训练完成的模型，确定单分子在该区域的位置。
既可以避免现有定位方式需要多次采集，导致耗时较长的问题，又可以避免强激光直接对目标物(即添加荧光标记的单分子)的激发，达到快速无损的单分子定位。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例提供的为本申请中提供的一种基于金刚石NV色心的单分子定位装置示意图；
图2为本申请实施例提供的为本申请中提供的一种基于金刚石NV色心的单分子定位装置示意图；
图3为本申请实施例提供的本说明书提供的脉冲方案的示意图；
图4为本申请实施例提供的为本说明书提供的NV色心阵列与待测磁标记位置示意图；
图5为本申请实施例提供的基于金刚石NV色心的单分子定位方法的流程示意图；
图6为本申请实施例提供的训练样本生成过程示意图；
图7为本申请实施例提供的训练样本荧光图像序列示意图；
图8为本申请实施例提供的定位模型结构示意图；
图9为本申请实施例提供的一种对应于图5的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本申请中提供的一种基于金刚石NV色心的单分子定位装置示意图，该定位装置包括：处理器100、金刚石基板101、激光器102、微波控制装置103、图像传感器104以及永磁铁107。其中，该金刚石基板101的预设区域的上表面设置有NV色心阵列105，该预设区域周围设置有微波波导结构106，添加磁标记的待定位的单分子置于该预设区域中。
其中，该装置的处理器100，用于根据该磁标记，确定发射策略以及确定训练完成的定位模型，根据该发射策略向该激光器102发送第一控制信号，根据该发射策略向该微波控制装置103发送第二控制信号，以及在接收到该图像传感器104采集的图像时，将该图像输入该定位模型，得到该待定位的单分子在该预设区域的坐标。
而受该处理器100的控制，该激光器102，微波控制装置103以及图像传感器104分别执行对应的操作。
具体的，该激光器102，用于接收该处理器100发送的第一控制信号，在进行定位前发射初始化激光，使所述预设区域中的NV色心处于基态，以及在定位时发射读取激光，使该预设区域中的NV色心跃迁发光。
该微波控制装置103，用于接收该处理器100发送的第二控制信号，并通过该微波波导结构106调控该NV色心所处的量子态，在NV色心与磁场进行一段时间相互作用之后，再通过微波波导结构106调控NV色心的量子态；
该图像传感器104，用于采集该预设区域中的NV色心跃迁发光的荧光图像，并将该荧光图像返回该处理器100。
永磁铁107，用于在垂直于NV色心阵列105的方向上施加一个固定的磁场。需要说明的是，该NV色心阵列105可视为一个二维平面结构，因此该永磁铁107是在NV色心阵列105平面的垂直方向上，施加固定的磁场。
可见，该单分子定位装置通过激光器102实现控制NV色心阵列105中的NV色心电子的跃迁，而由于添加磁标记的待定位的单分子置于NV色心阵列105中，使得NV色心阵列105中不同位置的NV色心受到的磁场强度不同，使得不同位置的NV色心的产生的能级分裂程度不同。而通过微波波导结构106的微波信号，控制各NV色心处于|0>和|1>的叠加态，该量子态在与外磁场的相互作用中积累相位并通过第二个微波脉冲将相位信息转移到量子态振幅上，从而在再次被激光激发时，发射不同强度的荧光。使得图像传感器104得到的荧光图像中光强度的分布，与添加磁标记的待定位的单分子的位置的相关。则该处理器100可以根据该荧光图像确定该待定位的单分子在该NV色心阵列105中的位置，也就是在该金刚石基板101的预设区域中的位置。
需要说明的是，本说明书实施例中当然还可能包括用于保证光路准确、减少能量损耗等功能的其他光学器件，例如物镜等。对上述其他光学器件的省略，并不影响本说明书实施例的实现。
当然，图1仅为本说明书提供的单分子定位装置结构的一种示意图，该激光器102入射激光应与该金刚石基板101垂直，以避免光程差带来的误差。同时，该图像传感器104的受光面也应与该与该金刚石基板101垂直，以避免角度差导致定位不准确的问题。
于是，本说明书实施例还提供一种基于金刚石NV色心的单分子定位装置，如图2所示。该单分子定位装置还包括：二向色镜108。该激光器102、该二向色镜108以及该预设区域的NV色心阵列105之间形成第一光路，该预设区域的NV色心阵列105、该二向色镜108以及该图像传感器104之间形成第二光路。
该二向色镜108，用于将该激光器102发射的激光，通过该第一光路反射至该预设区域的NV色心阵列105上，以及用于将从该预设区域中的NV色心阵列105的NV色心跃迁发光，通过该第二光路透射到该图像传感器104。
由于该第一光路传输的是该激光器102发射的激光，该激光为脉冲激光，因此该第一光路射入NV色心阵列105的路径，与该第二光路射出NV色心阵列105的路径可以保持重叠。减少平行光路或者光路存在角度等情况导致的误差。
在本说明书一个或多个实施例中，该单分子定位装置区别与目前的定位装置，并非是使待定位的单分子受激发射荧光，而是金刚石基板101上的NV色心阵列105发射荧光，避免了在生物或者化学场景中，待定位的单分子被激光照射导致结构或者性状发生变化的情况。在不破坏样本的前提下实现对单分子的定位，使得对单分子进行原位实验成为可能。
另外，在本说明书中该单分子定位装置在设置好之后，第一光路和第二光路就是固定的，因此即使产生误差也是可预测的。于是，为了进一步提高定位精度，在本说明书一个或多个实施例中，该处理器100在接收到图像传感器104返回的荧光图像后，还可将该荧光图像输入通过机器学习训练得到的定位模型，根据该定位模型输出，确定该待定位的单分子在该预设区域的坐标。
进一步地，在本说明书一个或多个实施例中，并不限制该单分子定位装置的金刚石基板101的参数，因此可根据需要的不同设置不同的金刚石基板101。也就是说，在本说明书中该金刚石基板101预设区域的大小可以根据需要设置，而该NV色心阵列105的中NV色心的间距也可根据需要设置。而在其他参数不变的情况下，NV色心阵列105的中NV色心的间距的不同，会导致荧光图像产生差异。而通过机器学习训练得到的定位模型，可以识别出这种差异，并输出准确的位置坐标。因此，该处理器100还可确定NV色心阵列105的中NV色心的间距，并根据该间距，从训练完成的各定位模型中，确定与该间距匹配的定位模型。
当然，当待定位的单分子的磁标记的磁场强度不同时，激发的荧光图像也可能产生不同，因此该处理器100也可根据加磁标记的磁场强度以及该NV色心阵列105的中NV色心的间距，从训练完成的各定位模型中，确定与该间距匹配的定位模型。
需要说明是的，上述处理器100在匹配定位模型时，可根据训练定位模型采用的训练样本的生成环境，确定与当前间距以及磁标记相似度最高的训练样本训练得到的定位模型，作为匹配的模型。因此，该处理器100中可存储有每个定位模型对应的训练样本的各参数，参数至少包括采用的定位装置的NV色心的间距以及磁标记的磁场强度。其中，训练样本包括荧光图像，以在荧光图像中标注的单分子的位置。
类似的，当待定位的单分子的磁标记的磁场强度不同时，激发的荧光图像也可能产生不同，并且处理器100发送第一控制信号和第二控制信号的间隔也会不同。假设，在单分子上添加磁标记的磁场强度较强，可能导致与该单分子距离在一定范围内的NV色心产生相近程度的能级分裂。则荧光图像可能出现类似“过曝”的区域，导致定位准确度下降。
于是，在本说明书中，该处理器100可以在控制激光器102、微波控制装置103和图像传感器104进行单位子定位之前，先确定该磁标记。具体来说，确定该磁标记的磁场强度。然后，根据该磁场强度，确定激光器102的激光以及微波控制装置103的微波信号的发射策略，以及从训练完成的各定位模型中，确定与该磁场强度对应的定位模型，作为后续定位采用的模型。
在本说明书一个或多个实施例中，该发射策略采用Ramsey脉冲方案，可改变的参数为发射时间间隔t。该激光器102，用于根据该第一控制信号，按照Ramsey脉冲方案发射指定频率的脉冲激光。该激光器102根据第一控制信号供发射两次激光，其中首次发射的激光为初始化激光，用于使该NV色心阵列105的中NV色心激发并回落至基态，得到统一都处于基态的NV色心。则第二次发射的激光为读取激光，可激发与磁标记经过一段时间相互作用并积累信息的NV色心阵列105的中大部分NV色心跃迁发光，得到荧光图。
图3为本说明书提供的Ramsey脉冲方案的示意图，其中，上方为激光器102发射间隔，下方为微波控制装置103发射微波脉冲信号的发射间隔。其中，可见可调参数为时间间隔t。
其中，该指定频率对应的激光波长为532nm±20nm的范围，具体采用哪种波长可以根据需要设置。当然，通常采用532nm的激光，其激发效率较高，使得成像的荧光图像定位准确度更高。
进一步地，该处理器100在向激光器102发送第一控制信号后，该向该微波控制装置103，发送该第二控制信号。该微波控制装置103，用于接收该第二控制信号，并根据该第二控制信号，按照该发射策略调控微波间隔，通过该微波波导结构106，控制该预设区域内的NV色心，依次绕布洛赫坐标系的x轴旋转两次。其中，每次旋转角度为90度。
具体的，该微波控制装置103通过该微波波导结构106，对NV色心阵列105中的NV色心施加π/2的微波脉冲信号，该微波脉冲信号作用为使每个NV色心的量子态绕x轴旋转90度，使其处于x-y平面中。
之后，在之后的t时长内，该定位装置的各部分均不执行操作，使该NV色心阵列105中的NV色心在待测的单分子的电子自旋的作用下进行演化。根据该发射策略，该微波控制装置103经过t时长后，再次通过该微波波导结构106，对NV色心阵列105中的NV色心施加π/2的微波脉冲信号，使每个NV色心的量子态绕x轴再旋转90度。
图4为本说明书提供的NV色心阵列与待测磁标记位置示意图，图中可见上方为添加磁标记的单分子，下方阵列排布的是金刚石的NV色心。
在NV色心的量子态绕x轴再旋转90度之后，该激光器102根据发射策略，发射该读取激光，此时NV色心阵列105中的NV色心的量子态受激发到高能级。并在其量子态跃迁回低能级的过程中会发出红光。其光强大小与其在激发前所处的能级状态有关。
于是，通过该图像传感器104对该NV色心阵列105发出的荧光进行成像，得到荧光图像。具体的，该图像传感器104，根据接收到的处理器100发送的该采集信号，采集NV色心跃迁发光构成的荧光图像。其中，NV色心阵列105中的NV色心发光在该荧光图像中成像的光强，与该NV色心与该待定位的单分子距离相关。而通过重复上述过程，可以确定多张荧光图像组成的荧光图像序列。荧光图像序列中成像的光强，与该NV色心与该待定位的单分子距离相关。则通过训练得到的定位模型，可以基于荧光图像确定单分子的坐标。训练该定位模型的过程，即学习在不同参数条件下，荧光图像序列中成像的光强，与该NV色心与该待定位的单分子距离的函数关系。
基于上述基于金刚石NV色心的单分子定位方法，通过在金刚石基板的预设区域的上表面设置NV色心阵列，以及在该NV色心阵列区域设置微波波导结构，使得添加了磁标记的单分子在被置于该区域内时，可以使NV色心在磁场的作用下产生不同程度的能级分裂，再通过激光将NV色心阵列调制到基态，以及通过微波操控NV色心阵列中色心的量子态，最后通过激光激发NV色心发光，并采集该NV色心阵列发光强度的荧光图像，基于荧光图像通过训练完成的模型，确定单分子在该区域的位置。
既可以避免现有定位方式需要多次采集，导致耗时较长的问题，又可以避免强激光直接对目标物(即添加荧光标记的单分子)的激发，达到快速无损的单分子定位。
以上为本说明书的一个或多个实施的方法，基于同样的思路，本说明书还提供了相应的基于金刚石NV色心的单分子定位方法，由该装置的处理器执行，如图5所示。
图5为本说明书提供的一种基于金刚石NV色心的单分子定位方法的流程示意图，该方法应用于图1或图2所示装置的处理器，具体步骤包括：
S200：根据所述磁标记，确定发射策略以及确定训练完成的定位模型。
在本说明书一个或多个实施例中，该处理器100可先确定该磁标记。具体来说，确定该磁标记的磁场强度。然后，根据该磁场强度，确定激光器102的激光以及微波控制装置103的微波信号的发射策略，以及从训练完成的各定位模型中，确定与该磁场强度对应的定位模型，作为后续定位采用的模型。该发射策略采用Ramsey脉冲方案，可改变的参数为发射时间间隔t。
S202：根据所述发射策略，向所述NV色心阵列发射初始化激光，使所述预设区域中的NV色心处于基态。
在说明书一个或多个实施例中，该处理器100可根据发射策略控制该激光器102发射初始化激光，用于使该NV色心阵列105的中NV色心激发并回落至基态，得到统一都处于基态的NV色心。其中，激光器102发射指定频率的激光，该指定频率对应的激光波长为532nm±20nm的范围，具体采用哪种波长可以根据需要设置。当然，通常采用532nm的激光，其激发效率较高，使得成像的荧光图像定位准确度更高。
S204：根据所述发射策略，通过所述微波波导结构调控所述NV色心的量子态。
在说明书一个或多个实施例中，处理器100在向激光器102发送第一控制信号后，该向该微波控制装置103，发送该第二控制信号。该微波控制装置103，用于接收该第二控制信号，并根据该第二控制信号，按照该根据该发射策略的微波调整间隔，通过该微波波导结构106，控制该预设区域内的NV色心，依次绕自旋方向的x轴旋转两次。其中，每次旋转角度为90度。
具体的，该微波控制装置103通过该微波波导结构106，对NV色心阵列105中的NV色心施加π/2的微波脉冲信号，该微波脉冲信号作用为使每个NV色心的量子态绕x轴旋转90度，使其处于x-y平面中。
之后，在之后的t时长内，该定位装置的各部分均不执行操作，使该NV色心阵列105中的NV色心待测的单分子的电子自旋的作用下进行演化。根据该发射策略，该微波控制装置103经过t时长后，再次通过该微波波导结构106，对NV色心阵列105中的NV色心施加π/2的微波脉冲信号，使每个NV色心的量子态绕x轴再旋转90度。
S206：根据所述发射策略，向所述NV色心阵列发射读取激光，使所述预设区域中的NV色心跃迁发光，并采集跃迁发光的荧光图像。
在本说明书一个或多个实施例中，在NV色心的量子态绕x轴再旋转90度之后，该激光器102根据发射策略，发射该读取激光，此时NV色心阵列105中的NV色心的量子态受激发到高能级。并在其量子态跃迁回低能级的过程中会发出红光。其光强大小与其在激发前所处的能级状态有关。
于是，通过该图像传感器104对该NV色心阵列105发出的荧光进行成像，得到荧光图像。具体的，该图像传感器104，根据接收到的处理器100发送的该采集信号，采集NV色心跃迁发光构成的荧光图像。其中，NV色心阵列105中的NV色心发光在该荧光图像序列中成像的光强，与该NV色心与该待定位的单分子距离相关。
S208：将所述荧光图像输入所述定位模型，确定所述待定位的单分子在所述预设区域的坐标。
最后，在本说明书一个或多个实施例中，该处理器100在获取荧光图像后，可将该荧光图像输入步骤S200确定的定位模型，根据该定位模型输出，确定该待定位的单分子在该预设区域的坐标。
基于图5所示的基于金刚石NV色心的单分子定位方法，通过在金刚石基板的预设区域的上表面设置NV色心阵列，以及在该NV色心阵列区域设置微波波导结构，使得添加了磁标记的单分子在被置于该区域内时，可以使NV色心在磁场的作用下产生不同程度的能级分裂，再通过激光将NV色心阵列调制到基态，以及通过微波控制NV色心阵列中的色心的量子态，最后通过激光激发NV色心发光，并采集该NV色心阵列发光强度的荧光图像，基于荧光图像通过训练完成的模型，确定单分子在该区域的位置。
既可以避免现有定位方式需要多次采集，导致耗时较长的问题，又可以避免强激光直接对目标物(即添加荧光标记的单分子)的激发，达到快速无损的单分子定位。
另外，在本说明书一个或多个实施例中，对应不同的磁场强度可训练不同的定位模型，则需要对应为训练不同的定位模型，生成对应的训练样本。可采用下述方式获取训练该定位模型的训练样本，如图6所示。
图6为本说明书实施例提供的训练样本生成过程示意图，包括步骤：
S300：针对每种磁场强度，在仿真环境中，确定设置该磁场强度的磁标记的单分子，并置于所述预设区域中，以及确定所述单分子在所述预设区域的坐标，作为样本标注。
S302：确定当前采用的发射策略，根据并根据所述发射策略，确定激光发射间隔以及微波调整间隔。
S304：根据所述激光发射间隔以及所述微波调整间隔，向所述预设区域依次发射初始化激光、调控微波以及读取激光，以采集所述预设区域中的NV色心跃迁发光的荧光图像。
在本说明书中，上述步骤S300～S304与前述定位过程类似，只是不需要输入定位模型得到定位结果，而是生成作为训练样本的荧光图像。于是，对于上述过程本说明书不在赘述，详细内容请参考说明书前述内容。
S306：判断采集的荧光图像是否达到预设第一数量，若是则执行步骤S308，否则执行步骤S310。
S308：根据采集的各时间参数的荧光图像进行平均，确定所述发射策略的训练样本。
S310：重新向所述预设区域依次发射初始化激光、调控微波以及读取激光，继续采集荧光图像，直至达到所述预设数量为止。
在本说明书一个或多个实施例中，需要说明的是上述过程是在仿真环境中实现的，则各步骤的执行主体可以为服务器，或者计算终端，本说明书对此不做限制。为了方便描述以服务器执行各步骤为例进行说明。
具体的，该服务器在确定荧光图像之后，可判断当前发射策略的激光发射间隔以及微波调整间隔，采集的荧光图像的数量是否达到预设的第一数量，若是，则说明以Ramsey脉冲方案，当前采集到的t荧光图像序列已经足够。则可根据采集的各荧光图像序列按照相同的时间t进行图像平均处理，确定该发射策略的训练样本。
当然，若数量未达到预设的第一数量，则需要继续向采集直至才到足够数量的荧光图像为止。
进一步地，在步骤S308之后，该服务器还可继续改变单分子的坐标，确定不同的训练样本，具体包括以下步骤：
S312：判断确定出的训练样本数量是否达到预设第二数量，若是，则确定得到不同单分子坐标标注的训练样本，并确定未添加磁标记的单分子的荧光图像，作为负样本，若否，则改变单子分子坐标，重新确定发射策略以及采集荧光图像，以继续确定训练样本，直至得到所述第二数量的训练样本为止。
通过步骤S312，确定若干训练样本。如图7所示。图中每张图片的像素尺寸为100×100，共20张图片对应于20个时间参数。坐标分布为10×10的二维数列，利用设定的坐标计算其分子位于这100个格点中的位置，在该位置处值为1，其他格点处为0。荧光图像和坐标分布图构成一条数据。在计算机仿真环境中改变单子分子坐标，例如，在NV色心阵列上重新随机放置添加磁标记的单分子，执行上述步骤S300～S310，通过相同操作可得另一条训练样本。
则通过循环重复上述过程，可以通过计算机模拟产生大量的训练样本，用于该定位模型进行训练和测试。当然，具体还可划分为训练集以及验证集进行定位模型的训练，或者按照分组训练定位模型，本说明书不做限制。
在本说明书一个实施例中，该定位模型的结构如图8所示，其中该定位模型可为深度神经网络，从左至右分别包括：三维卷积层、ReLU激活函数层、三维池化层、三维卷积层、ReLU激活函数层、三维池化层、全连接层、全连接层、全连接层、SoftMax层。并且通过图8可见，训练模型时可以采用正样本或者负样本输入训练模型，以提高模型的鲁棒性。图8中训练样本模型输出的为坐标概率分布。其中，输出的图像中，白色部分表示根据坐标概率分布预测的单分子坐标。输入的图像中白色部分表示标注的单分子坐标。
当然，本说明书并不限制该定位模型的结构，具体采用何种结构也可根据需要设置，图8仅为一种示例。
本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该存储介质存储有计算机程序，计算机程序可用于执行上述说明书提供的一种基于金刚石NV色心的单分子定位方法。
本申请还提供了图9所示的一种对应于图5的电子设备的示意结构图。如图9所示，在硬件层面，该电子设备包括处理器、内部总线、网络接口、内存以及非易失性存储器，当然还可能包括其他业务所需要的硬件。处理器从非易失性存储器中读取对应的计算机程序到内存中然后运行，以实现上述图5所述的基于金刚石NV色心的单分子定位方法。
当然，除了软件实现方式之外，本申请并不排除其他实现方式，比如逻辑器件抑或软硬件结合的方式等等，也就是说以下处理流程的执行主体并不限定于各个逻辑单元，也可以是硬件或逻辑器件。
在20世纪90年代，对于一个技术的改进可以很明显地区分是硬件上的改进(例如，对二极管、晶体管、开关等电路结构的改进)还是软件上的改进(对于方法流程的改进)。然而，随着技术的发展，当今的很多方法流程的改进已经可以视为硬件电路结构的直接改进。设计人员几乎都通过将改进的方法流程编程到硬件电路中来得到相应的硬件电路结构。因此，不能说一个方法流程的改进就不能用硬件实体模块来实现。例如，可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)(例如现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA))就是这样一种集成电路，其逻辑功能由用户对器件编程来确定。由设计人员自行编程来把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不需要请芯片制造厂商来设计和制作专用的集成电路芯片。而且，如今，取代手工地制作集成电路芯片，这种编程也多半改用“逻辑编译器(logic compiler)”软件来实现，它与程序开发撰写时所用的软件编译器相类似，而要编译之前的原始代码也得用特定的编程语言来撰写，此称之为硬件描述语言(Hardware Description Language，HDL)，而HDL也并非仅有一种，而是有许多种，如ABEL(Advanced Boolean Expression Language)、AHDL(Altera Hardware DescriptionLanguage)、Confluence、CUPL(Cornell University Programming Language)、HDCal、JHDL(Java Hardware Description Language)、Lava、Lola、MyHDL、PALASM、RHDL(RubyHardware Description Language)等，目前最普遍使用的是VHDL(Very-High-SpeedIntegrated Circuit Hardware Description Language)与Verilog。本领域技术人员也应该清楚，只需要将方法流程用上述几种硬件描述语言稍作逻辑编程并编程到集成电路中，就可以很容易得到实现该逻辑方法流程的硬件电路。
控制器可以按任何适当的方式实现，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式，控制器的例子包括但不限于以下微控制器：ARC 625D、Atmel AT91SAM、Microchip PIC18F26K20以及Silicone Labs C8051F320，存储器控制器还可以被实现为存储器的控制逻辑的一部分。本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (12)
1.一种基于金刚石NV色心的单分子定位装置，其特征在于，所述定位装置包括：处理器、金刚石基板、激光器、微波控制装置、图像传感器、永磁铁，其中，所述金刚石基板的预设区域的上表面设置有NV色心阵列，所述预设区域周围设置有微波波导结构，添加磁标记的待定位的单分子置于所述预设区域中，其中：
所述处理器，用于根据所述磁标记，确定发射策略以及确定训练完成的定位模型，根据所述发射策略向所述激光器发送第一控制信号，根据所述发射策略向所述微波控制装置发送第二控制信号，以及在接收到所述图像传感器采集的荧光图像时，将所述荧光图像输入所述定位模型，得到所述待定位的单分子在所述预设区域的坐标；
所述激光器，用于接收所述处理器发送的第一控制信号，在进行定位前发射初始化激光，使所述预设区域中的NV色心处于基态，以及在定位时发射读取激光，使所述预设区域中的NV色心跃迁发光，其中，所述NV色心阵列中光强度的分布与添加磁标记的待定位的单分子的位置相关；
所述微波控制装置，用于接收所述处理器发送的第二控制信号，在所述NV色心处于基态时，通过所述微波波导结构调控所述NV色心处于叠加态，在所述NV色心与磁场进行一段时间相互作用之后，再通过所述微波波导结构调控所述NV色心的量子态；
所述图像传感器，用于采集所述预设区域中的NV色心跃迁发光的荧光图像，并将所述荧光图像返回所述处理器；
所述永磁铁，用于在垂直于所述NV色心阵列的方向上施加一个固定的磁场。
2.如权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述处理器，用于根据所述磁标记的磁场强度，以及所述NV色心阵列中NV色心的间距；根据所述磁场强度以及所述间距，在训练完成的各定位模型中，确定匹配的定位模型，以及根据所述磁场强度，确定所述发射策略，其中，所述发射策略包括激光发射时间间隔序列，所述发射时间间隔序列中各项的差值与所述磁场强度负相关。
3.如权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述定位装置还包括：二向色镜，其中，所述激光器、所述二向色镜以及所述预设区域之间形成第一光路，所述预设区域、所述二向色镜以及所述图像传感器之间形成第二光路；
所述二向色镜，用于将所述激光器发射的激光，通过所述第一光路反射至所述预设区域，以及用于将从所述预设区域中的NV色心跃迁发光，通过所述第二光路透射到所述图像传感器。
4.如权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述激光器，用于根据所述第一控制信号发射指定频率的脉冲激光。
5.如权利要求2所述的定位装置，其特征在于，所述处理器，用于根据所述发射策略在向所述激光器发送第一控制信号后，向所述微波控制装置，发送所述第二控制信号；
所述微波控制装置，用于接收所述第二控制信号，并根据所述第二控制信号，按照所述根据所述发射策略的微波调整间隔，通过所述微波波导结构，控制所述预设区域内的NV色心的量子态，依次绕布洛赫坐标系的x轴旋转两次；其中，每次旋转角度为90度。
6.如权利要求2所述的定位装置，其特征在于，所述处理器，在向所述激光器发送第二控制信号时，向所述图像传感器发送采集信号；
所述图像传感器，根据接收到的所述采集信号，采集NV色心跃迁发光构成的荧光图像，其中，NV色心阵列中的NV色心发光在不同时间参数的荧光图像中成像的光强，与所述NV色心与所述待定位的单分子距离相关。
7.一种基于金刚石NV色心的单分子定位方法，其特征在于，所述方法应用于定位装置，添加磁标记的待定位的单分子置于所述定位装置的金刚石基板的预设区域，所述预设区域的上表面设置有NV色心阵列，所述预设区域周围设置有微波波导结构，所述方法包括：
根据所述磁标记，确定发射策略以及确定训练完成的定位模型；
根据所述发射策略，向所述NV色心阵列发射初始化激光，使所述预设区域中的NV色心处于基态；
根据所述发射策略，通过所述微波波导结构调控所述NV色心的量子态；
根据所述发射策略，向所述NV色心阵列发射读取激光，使所述预设区域中的NV色心跃迁发光，并采集跃迁发光的荧光图像，其中，所述荧光图像中光强度的分布与添加磁标记的待定位的单分子的位置相关；
将所述荧光图像输入所述定位模型，确定所述待定位的单分子在所述预设区域的坐标。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述发射策略，通过所述微波波导结构调控所述NV色心的量子态，具体包括：
根据所述发射策略，通过所述微波波导结构，向所述预设区域发送微波控制信号，使所述预设区域内的NV色心的量子态绕布洛赫坐标系的x轴旋转90度，处于x-y平面；
确定在经过微波调整间隔后，向所述预设区域发送微波控制信号，使所述预设区域内的NV色心的量子态绕布洛赫坐标系的x轴再次旋转90度。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
针对每种磁场强度，采用下述方法生成用于训练该磁场强度对应的定位模型的训练样本，其中：
在仿真环境中，确定设置该磁场强度的磁标记的单分子，并置于所述预设区域中，以及确定所述单分子在所述预设区域的坐标，作为样本标注；
确定当前采用的发射策略，根据并根据所述发射策略，确定激光发射间隔以及微波调整间隔；
根据所述激光发射间隔以及所述微波调整间隔，向所述预设区域依次发射初始化激光、调控微波以及读取激光，以采集所述预设区域中的NV色心跃迁发光的荧光图像；
判断采集的荧光图像是否达到预设第一数量；
若是，则根据采集的各时间参数的荧光图像进行平均，确定所述发射策略的训练样本；
若否，则重新向所述预设区域依次发射初始化激光、调控微波以及读取激光，继续采集荧光图像，直至达到所述预设数量为止。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
判断确定出的训练样本数量是否达到预设第二数量；
若是，则确定得到不同单分子坐标标注的训练样本，并确定未添加磁标记的单分子的荧光图像，作为负样本；
若否，则改变单分子的坐标，重新确定发射策略以及采集荧光图像，以继续确定训练样本，直至得到所述第二数量的训练样本为止。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，采用下述方法训练该磁场强度对应的定位模型，其中：
将所述训练样本输入待训练的定位模型，得到输出的单分子的位置坐标的概率分布；
以所述训练样本的标注与所述概率分布，确定损失，并以损失最小为优化目标调整所述待训练的定位模型。
12.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述权利要求7～11任一项所述的方法。
Priority Applications (1)
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