CN117491261A - 一种对人精子头部顶体和细胞核高对比度成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对人精子头部顶体和细胞核高对比度成像方法，属于细胞太赫兹近场成像领域，主要解决现有精子头部内部缺陷检测手段繁琐复杂的问题。首先采用太赫兹时域光谱散射式扫描近场显微镜对人精子头部进行成像，测量得到顶体和细胞核对比最明显的频率；然后在该频率下，采用大功率太赫兹散射式扫描近场显微镜对人精子头部进行成像，得到人精子头部的太赫兹近场图像。经过上述步骤测得的人精子头部太赫兹近场图像，其顶体和细胞核具有较高对比度。
Description
技术领域
一种对人精子头部顶体和细胞核高对比度成像方法，属于细胞太赫兹近场成像领域，具体涉及人精子头部顶体和细胞核高对比度成像方法。
背景技术
正常精子形态结构包含头部、颈部和尾部三个部分，精子头部由顶体和细胞核构成。受各种体内外因素的影响，精子在形成过程中可能产生缺陷，形成形态结构异常的精子。精子头部缺陷是精子形态结构异常的主要表现。精子头部缺陷包括形态异常和内部缺陷两种情况。其中，头部形态异常可以很容易通过荧光显微镜观察辨别。而内部缺陷，比如顶体区域过大或过小，则不容易辨别。
目前实验室对精子头部内部缺陷的检测主要依赖电子显微镜，这种方式繁琐复杂，要求把握好标本制备的每一个环节，包括精液标本的采集，取材前的处理，以及标本的固定、脱水、浸透、包埋、切片和染色等步骤。这就使得电子显微镜检测只适用于实验室研究，而不适用于临床应用。
太赫兹波通常是指频率为100GHz～10THz的电磁波，在电磁波谱中位于毫米波和红外线之间，具有低辐射、高穿透性等特点，使得太赫兹成像技术被广泛地应用于生物医学领域。太赫兹时域光谱散射式扫描近场显微镜和太赫兹散射式扫描近场显微镜是近些年发展出的新技术，能够突破衍射极限的限制，实现纳米级高分辨率成像，适用于细胞等微观结构的成像。
发明内容
本发明的目的是提供一种对人精子头部顶体和细胞核高对比度成像方法，以解决现有精子头部内部缺陷检测手段繁琐复杂的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种对人精子头部顶体和细胞核高对比度成像方法，分别采用太赫兹时域光谱散射式扫描近场显微镜和太赫兹散射式扫描近场显微镜对人精子头部进行扫描成像，结合太赫兹时域光谱散射式扫描近场显微镜宽频谱的优势和太赫兹散射式扫描近场显微镜大功率的优势，找到最佳的太赫兹波频率，并设置合适的功率，实现顶体和细胞核高对比度成像。依次包括以下步骤：
步骤(1)、采用太赫兹时域光谱散射式扫描近场显微镜对人精子头部进行逐点扫描，测量每一个扫描点的皮秒脉冲波形；
步骤(2)、将皮秒脉冲波形进行傅里叶变换得到太赫兹频谱；
步骤(3)、扫描完成后得到所有点的太赫兹频谱集合；
步骤(4)、将频谱拆分重组得到所有频率的图像集合；
步骤(5)、从步骤(4)中的图像集合中挑选出顶体和细胞核对比最明显的一幅图像，记录下该幅图像对应的频率；
步骤(6)、设置太赫兹波源频率为步骤(5)中记录的频率，采用大功率太赫兹散射式扫描近场显微镜对人精子头部进行逐点扫描，扫描完成后得到人精子头部的太赫兹近场图像，该图像中顶体和细胞核具有较高对比度。
本发明的有益效果是：
对人精子头部进行无损成像，易于获得顶体和细胞核的高对比度图像，帮助辨别精子头部内部缺陷，不需要繁琐复杂的样本处理，操作简单、快速。
附图说明
图1是太赫兹时域光谱散射式扫描近场显微镜示意图；
图2是太赫兹散射式扫描近场显微镜示意图；
图3是本发明方法的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
参见图3所示，一种对人精子头部顶体和细胞核高对比度成像方法，分别采用太赫兹时域光谱散射式扫描近场显微镜和太赫兹散射式扫描近场显微镜对人精子头部进行扫描成像，结合太赫兹时域光谱散射式扫描近场显微镜宽频谱的优势和太赫兹散射式扫描近场显微镜大功率的优势，找到最佳的太赫兹波频率，并设置合适的功率，实现顶体和细胞核高对比度成像。依次包括以下步骤：
步骤(1)、采用太赫兹时域光谱散射式扫描近场显微镜对人精子头部进行逐点扫描，测量每一个扫描点的皮秒脉冲波形。如图1所示，来自飞秒激光器的脉冲序列被光纤分束器分为两束，其中一束(泵浦脉冲)经光纤延时线后入射到光电导发射天线产生太赫兹脉冲，太赫兹脉冲入射到针尖-样本的近场区域中，而后被散射；另一束(探测脉冲)与近场散射太赫兹脉冲汇合后共线通过光电导探测天线，并以此来驱动光电导探测天线进行测量，记录近场散射太赫兹电场强度随时间的变化情况。通过控制光纤延时线调节泵浦脉冲和探测脉冲之间的时间延迟，对这个时间延迟进行探测，就可以获得近场散射太赫兹信号的完整时域波形，该波形即为当前扫描点的皮秒脉冲波形。精子样本置于原子力显微镜样本台上，在电机的控制下进行二维水平扫描。通过扫描可以测得每一个点的皮秒脉冲波形。图1中，箭头1和2表示入射太赫兹脉冲，箭头3和4表示近场散射太赫兹脉冲。
步骤(2)、将皮秒脉冲波形进行傅里叶变换得到太赫兹能量随频率的分布情况，也就是太赫兹频谱。
步骤(3)、扫描完成后得到所有扫描点的太赫兹频谱集合，该集合中的元素类型为单个扫描点的太赫兹频谱，元素个数为扫描点的个数。
步骤(4)、将太赫兹频谱拆分重组得到所有频率下的图像集合，该集合中的元素类型为单一频率下所有扫描点组成的图像，元素个数为太赫兹频谱上离散频率点的个数。
步骤(5)、从步骤(4)中的图像集合中挑选出顶体和细胞核对比最明显的一幅图像，记录下该幅图像对应的频率。
步骤(6)、设置太赫兹波源频率为步骤(5)中记录的频率，采用大功率太赫兹散射式扫描近场显微镜对人精子头部进行逐点扫描。太赫兹波源的输出功率应大于100mW，以弥补太赫兹时域光谱散射式扫描近场显微镜功率小的劣势，从而提高近场散射太赫兹波的信噪比，能进一步提高成像对比度。如图2所示，太赫兹波源产生的太赫兹连续波经发射天线辐射到自由空间中，之后被分束镜分为两路波，即参考波(箭头2)和泵浦波(箭头5)。经过离轴抛物面镜聚焦的泵浦波(箭头6)聚焦在针尖-样本的近场区域中，而后散射波(箭头7、8)经过分束镜反射(箭头9)后接收天线接收；参考波经过反射镜反射(箭头3)和分束镜透射(箭头4)后同样被接收天线接收。随后，检波器、电压放大器、锁相放大器对接收到的信号进行检波、放大和解调。精子样本置于原子力显微镜样本台上，在电机的控制下进行二维水平扫描。扫描完成后得到人精子头部的太赫兹近场图像，该图像中顶体和细胞核具有较高对比度。
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 (6)
1.一种对人精子头部顶体和细胞核高对比度成像方法，其特征在于：分别采用太赫兹时域光谱散射式扫描近场显微镜和太赫兹散射式扫描近场显微镜对人精子头部进行扫描成像，结合太赫兹时域光谱散射式扫描近场显微镜宽频谱的优势和太赫兹散射式扫描近场显微镜大功率的优势，找到最佳的太赫兹波频率，并设置合适的功率，实现顶体和细胞核高对比度成像；依次包括以下步骤：
步骤(1)、采用太赫兹时域光谱散射式扫描近场显微镜对人精子头部进行逐点扫描，测量每一个扫描点的皮秒脉冲波形；
步骤(2)、将皮秒脉冲波形进行傅里叶变换得到太赫兹频谱；
步骤(3)、扫描完成后得到所有扫描点的太赫兹频谱集合；
步骤(4)、将频谱拆分重组得到所有频率下的图像集合；
步骤(5)、从步骤(4)中的图像集合中挑选出顶体和细胞核对比最明显的一幅图像，记录下该幅图像对应的频率；
步骤(6)、设置太赫兹波源频率为步骤(5)中记录的频率，采用大功率太赫兹散射式扫描近场显微镜对人精子头部进行逐点扫描，扫描完成后得到人精子头部的太赫兹近场图像，该图像中顶体和细胞核具有较高对比度。
2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，太赫兹时域光谱散射式扫描近场显微镜，采用飞秒激光器激发光电导天线的方式对太赫兹波进行发射和接收，采用针尖散射法激发近场信号，采用原子力显微镜控制针尖与人精子头部之间的间距，采用锁相放大器对近场信号进行解调。
3.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，太赫兹频谱的范围涵盖0.1～2.5THz。
4.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，太赫兹散射式扫描近场显微镜采用固态源或电真空管作为太赫兹波源对太赫兹波进行发射，采用检波器对太赫兹波进行接收，采用针尖散射法激发近场信号，采用原子力显微镜控制针尖与人精子头部之间的间距，采用锁相放大器对近场信号进行解调。
5.根据权利要求4所述的成像方法，其特征在于，太赫兹波源太赫兹波发射功率大于100mW。
6.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，太赫兹近场图像的分辨率跟针尖的曲率半径有关，最高可达40nm。
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