CN217639719U

CN217639719U - 一种光片荧光显微镜和样品检测系统

Info

Publication number: CN217639719U
Application number: CN202221925463.5U
Authority: CN
Inventors: 赵小波; 郝成龙; 谭凤泽; 朱健
Original assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Priority date: 2022-07-25
Filing date: 2022-07-25
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2032-07-25

Abstract

本申请提供了一种光片荧光显微镜和样品检测系统，其中，该光片荧光显微镜，用于对样品进行检测，包括：光源、超衍射聚焦单元和显微物镜；所述超衍射聚焦单元，对所述光源发出的激发光束进行超衍射聚焦，形成作为照射所述样品的光片的贝塞尔光束，对样品进行激发；其中，所述贝塞尔光束的中心轴与所述显微物镜的光轴正交；所述显微物镜，获取所述样品的、被所述贝塞尔光束照射的平面的平面图像。通过本申请实施例提供的光片荧光显微镜和样品检测系统，由于贝塞尔光束满足光束无衍射的性质，在贝塞尔光束所形成的光片内保持光场强度不变，从而利用光场强度不变的光片对样品进行均匀激发，提高了光片荧光显微镜的检测效率和检测精度。

Description

一种光片荧光显微镜和样品检测系统

技术领域

本申请涉及超透镜应用技术领域，具体而言，涉及一种光片荧光显微镜和样品检测系统。

背景技术

目前，光片荧光显微镜(Light Sheet Fluorescence Microscopy，LSFM)主要由生成光片的照明模块和负责成像的成像模块两部分组成。照明模块发出的高斯光束形成的光片对样品的激发不均匀。

实用新型内容

为解决上述问题，本申请实施例的目的在于提供一种光片荧光显微镜和样品检测系统。

第一方面，本申请实施例提供了一种光片荧光显微镜，用于对样品进行检测，包括：光源、超衍射聚焦单元和显微物镜；

所述超衍射聚焦单元，对所述光源发出的激发光束进行超衍射聚焦，形成作为照射所述样品的光片的贝塞尔光束；其中，所述贝塞尔光束的中心轴与所述显微物镜的光轴正交；

所述显微物镜，获取所述样品的、被所述贝塞尔光束照射的平面的平面图像。

第二方面，本申请实施例还提供了一种样品检测系统，包括：样品载物台和上述第一方面所述的光片荧光显微镜；所述光片荧光显微镜对所述样品载物台上放置的样品进行层析检测。

本申请实施例上述第一方面至第二方面提供的方案中，通过光片荧光显微镜中设置的超衍射聚焦单元对光源发出的激发光束进行超衍射聚焦，形成作为光片的贝塞尔光束对样品进行照射并激发，与相关技术中LSFM发出高斯光束形成的光片对样品进行激发的方式相比，由于贝塞尔光束满足光束无衍射的性质，在贝塞尔光束所形成的光片内保持光场强度不变，从而利用光场强度不变的光片对样品进行均匀激发，提高了光片荧光显微镜的检测效率和检测精度。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。

图1示出了贝塞尔光束的子波分布在一个圆锥面上的示意图；

图2示出了本申请实施例所提供的一种光片荧光显微镜的结构示意图；

图3示出了本申请实施例所提供的一种光片荧光显微镜中，超透镜采用第一可调超透镜的光片荧光显微镜的结构示意图；

图4示出了本申请实施例所提供的一种光片荧光显微镜中，具有MEMS振镜的光片荧光显微镜的结构示意图；

图5示出了本申请实施例所提供的一种光片荧光显微镜中，利用锥形透镜形成贝塞尔光束的光片荧光显微镜的结构示意图；

图6示出了本申请实施例所提供的一种光片荧光显微镜中，包含多个超透镜结构单元的超透镜的示意图；

图7示出了本申请实施例所提供的一种光片荧光显微镜中，基于超透镜产生贝塞尔光束的光路图；

图8示出了本申请实施例所提供的一种光片荧光显微镜中，超透镜相位分布图；

图9示出了本申请实施例所提供的一种光片荧光显微镜中，基于超透镜产生贝塞尔光束的焦点光照图；

图10示出了本申请实施例所提供的一种光片荧光显微镜中，基于超透镜产生贝塞尔光束的离焦点列图。

图标：200、光源；202、显微物镜；204、超透镜；300、第一可调超透镜；400、MEMS振镜；500、锥形透镜；502、第二可调超透镜。

具体实施方式

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

目前，LSFM是以光源发出的紫外线为激发光束，用以对被激发光束照射的样品进行激发，使样品发出荧光，然后在显微物镜下，对发出荧光的样品进行成像，从而观察样品的形状及所在位置。

LSFM主要由生成光片的照明模块和负责成像的成像模块两部分组成。照明模块发出的高斯光束形成的光片对样品的激发不均匀。

基于此，本申请以下实施例提出一种光片荧光显微镜和样品检测系统，通过光片荧光显微镜中设置的超衍射聚焦单元对光源发出的激发光束进行超衍射聚焦，形成作为光片的贝塞尔光束对样品进行激发，由于贝塞尔光束满足光束无衍射的性质，可以在贝塞尔光束所形成光片内保持光场强度不变，从而利用光场强度不变的光片对样品进行均匀激发，提高了光片荧光显微镜的检测效率和检测精度。

在对本申请的以下实施例进行描述之前，先描述贝塞尔光束的数理模型，进而描述如何从贝塞尔光束的性能出发推导出该超透镜所需的相位分布。

贝塞尔光束在自由空间中的波动方程可表示为以下公式1：

其中，E为贝塞尔光束的场分布。满足公式1的沿z轴传播的一组解如下公式2表示：

公式2中，x²+y²＝r²，

J_m是贝塞尔函数，在此使用第一类零阶贝塞尔函数J₀，w是光波的角频率，k_r指的是波矢的横向分量，k_z则是波矢的纵向分量。

从公式2可以看出，传播距离z只对相位项exp[i(k_zz-wt)]有影响，而不会影响光场的强度分布。换而言之，对于贝塞尔光束来说，不同传播距离上横截面的光场分布保持不变，这满足光束无衍射的性质。

其中，光束中心为一个强度最高的实心光斑，围绕中心光斑的是一系列同心圆环，这些同心圆环是贝塞尔光束光场的旁瓣结构。理论上，每个环状旁瓣的能量都与主光斑能量是一致的，因此随着旁瓣环直径的增大，环带光强的峰值逐渐减小。另外，贝塞尔光束在物理学中本质上是一种干涉场，参与干涉的平面子波振幅相等，且都与z轴有着相同的夹角。因此参见图1所示的贝塞尔光束的子波分布在一个圆锥面上的示意图，贝塞尔光束的子波分布在一个圆锥面上产生贝塞尔光束就是通过光学器件产生圆锥面的相位分布。

在尝试用超透镜实现圆锥面的相位分布时，理论上，超透镜的相位分布与样品上任一点距中心的径向距离r呈正相关。严格来说，超透镜并没有固定的焦点。平面波入射到超透镜时，不同口径位置的光场汇聚于不同的传播距离处，所以超透镜的聚焦的焦斑很长。假设在超透镜最大口径R处对应的焦点位置为f。因此图1中对应的角度满足以下公式3：

超透镜的相位分布满足以下公式4：

其中，Φ_B表示所述超透镜的相位分布；r表示所述超透镜上任一点距中心的径向距离；

表示激发光束的波矢；λ表示激发光束的波长；R表示所述超透镜的最大口径；f表示所述最大口径对应的焦点位置。

设计出满足公式4所示相位分布的平面透镜，即可实现传统锥轴透镜的功能。为了实现该相位分布，可以根据所需相位在纳米数据库中寻找合适的结构设计，排布该纳米结构以形成所需超透镜。

在通过以上内容，对形成贝塞尔光束的原理进行说明以后，继续通过以下实施例，对能够形成作为光片的贝塞尔光束的光片荧光显微镜进行具体说明。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本申请做进一步详细的说明。

实施例

参见图2所示的一种光片荧光显微镜的结构示意图，本实施例提出一种光片荧光显微镜，用于对样品进行检测，包括：光源200、超衍射聚焦单元和显微物镜202。

所述超衍射聚焦单元，对所述光源发出的激发光束进行超衍射聚焦，形成作为照射所述样品的光片的贝塞尔光束。其中，所述贝塞尔光束的中心轴与所述显微物镜的光轴正交。

所述贝塞尔光束照射到所述样品的平面上后，对所述样品被照射的平面进行激发，使该平面受激后产生荧光。

所述平面图像，是所述样品被照射的平面产生荧光后形成的二维图像。

所述样品中，被所述贝塞尔光束照射的平面，都是与所述贝塞尔光束平行的平面。

在一个实施方式中，所述超衍射聚焦单元，可以利用超透镜产生贝塞尔光束，在本实施例提出的光片荧光显微镜中，所述超衍射聚焦单元，包括：超透镜204。

所述超透镜，包括：基底和设置在所述基底上的多个纳米结构；所述多个纳米结构中的各纳米结构使得所述超透镜具有圆锥面相位分布。

所述超透镜，对所述光源发出的激发光束进行超衍射聚焦，形成贝塞尔光束。

在一个实施方式中，所述超透镜，还包括：第一填充材料。

所述第一填充材料，填充于多个所述纳米结构之间。

由于贝塞尔光束满足光束无衍射的性质，可对样品中与贝塞尔光束形成的光片平行的平面进行均匀照明，从而利用贝塞尔光束形成的光片对样品进行均匀照明并激发。

具体地，为了对激发光束进行超衍射聚焦形成贝塞尔光束，所述超透镜的相位分布满足上述公式4，这里不再赘述。

相关技术中，光片荧光显微镜在层析检测时纵向可分辨最小位移精度差，无法对样品进行可靠的层析检测。

在一个实施方式中，参见图3所示的超透镜采用第一可调超透镜的光片荧光显微镜的结构示意图，为了提高层析检测时纵向可分辨最小位移精度，在本实施例提出的光片荧光显微镜中，所述超透镜，采用第一可调超透镜300。

所述第一可调超透镜，对所述光源发射的激发光束进行相位调制，改变所述第一可调超透镜的焦点位置，所述焦点位置沿着所述显微物镜的光轴发生位移的情况下，所述贝塞尔光束沿着所述显微物镜的光轴产生位移，使所述贝塞尔光束沿着所述显微物镜的光轴对所述样品进行扫描。

可采用电控、光控或者机械控制等方式，对第一可调超透镜的焦点位置进行改变，具体实现方式是现有技术，这里不再一一赘述。

通过以上的内容可知，所述第一可调超透镜，实现了如下功能：可以形成贝塞尔光束。并且可以让形成的贝塞尔光束沿着显微物镜的光轴发生位移。

通过第一可调超透镜对光源发射的激发光束进行相位调制，所述第一可调超透镜的焦点位置沿着所述显微物镜的光轴发生位移，所述贝塞尔光束会随着第一可调超透镜的焦点位置的位移而沿着所述显微物镜的光轴产生位移，使光片荧光显微镜通过所述贝塞尔光束沿着所述显微物镜的光轴对所述样品进行扫描的方式，对样品进行层析检测，由于第一可调超透镜纳米级别的尺寸的光学器件，可以使光片沿显微物镜光轴的方向进行纳米级的移动，移动精度达到了细胞尺寸级别，这大大提高了光片荧光显微镜在层析检测时纵向可分辨最小位移精度和对样品进行检测的可靠性。

在另一个实施方式中，参见图4所示的具有MEMS振镜的光片荧光显微镜的结构示意图，为了提高层析检测时纵向可分辨最小位移精度，在本实施例提出的光片荧光显微镜中，所述超衍射聚焦单元，还包括：MEMS振镜400。

所述MEMS振镜，将所述超透镜形成的贝塞尔光束反射到所述样品的不同平面上，使所述贝塞尔光束对所述样品的不同平面分别进行扫描。

通过以上的内容可以看出，利用MEMS振镜能够旋转的特性，通过旋转MEMS振镜将超透镜形成的贝塞尔光束反射到所述样品的不同平面上，使所述贝塞尔光束对所述样品的不同平面分别进行扫描；光片荧光显微镜通过所述贝塞尔光束沿着所述显微物镜的光轴对所述样品的不同平面进行扫描的方式，对样品进行层析检测，由于超透镜和MEMS振镜是纳米级别的尺寸的光学器件，可以使光片沿显微物镜光轴的方向进行纳米级的移动，移动精度达到了细胞尺寸级别，这大大提高了光片荧光显微镜在层析检测时纵向可分辨最小位移精度和对样品进行检测的可靠性。

可选地，除了上述采用超透镜产生贝塞尔光束的方式外，所述超衍射聚焦单元，还可以利用以下方式形成贝塞尔光束。

参见图5所示的利用锥形透镜形成贝塞尔光束的光片荧光显微镜的结构示意图，本实施例提出的光片荧光显微镜中，所述超衍射聚焦单元，包括：锥形透镜500和第二可调超透镜502。

所述锥形透镜，对所述光源发出的激发光束进行超衍射聚焦，形成激发所述样品的贝塞尔光束。

所述第二可调超透镜，对所述贝塞尔光束进行相位调制，改变所述第二可调超透镜的焦点位置，所述焦点位置沿着所述显微物镜的光轴发生位移的情况下，所述贝塞尔光束沿着所述显微物镜的光轴产生位移，使所述贝塞尔光束沿着所述显微物镜的光轴对所述样品进行扫描。

在一个实施方式中，锥形透镜和第二可调超透镜之间的间距小于锥形透镜的焦距，为减小系统占用空间，锥形透镜和第二可调超透镜之间的间距应越近越好。

通过以上的描述可以看出，所述第二可调超透镜，用于让锥形透镜形成的贝塞尔光束沿着显微物镜的光轴发生位移。这与所述第一可调超透镜实现的功能不一样。

所以，在本实施例提出的光片荧光显微镜中，所述第二可调超透镜，包括：衬底和设置在所述衬底上的多个微纳结构。

具体地，所述第二可调超透镜的相位分布满足以下公式6：

其中，

表示第二可调超透镜的相位分布；λ表示激发光束的波长；f₁表示第二可调超透镜的焦距；z表示第二可调超透镜的相位分布方向；z₀表示第二可调超透镜的焦点位置沿着所述显微物镜的光轴的位移距离；z±z₀表示位移后第二可调超透镜的焦点位置到可调超透镜光轴的距离；±表示第二可调超透镜的焦点位置沿着所述显微物镜的光轴的位移方向。

在一个实施方式中，所述第二可调超透镜，还包括：第二填充材料。

所述第二填充材料填充于多个所述微纳结构之间。

参见图6所示的包含多个超透镜结构单元的超透镜的示意图，每个超透镜结构单元均包括至少一个纳米结构，超透镜结构单元能够调制入射光，纳米结构可以直接调控光的相位等特性；本实施例中，纳米结构是全介质结构单元，其至少在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅等。其中，多个纳米结构呈阵列排布，从而能够划分出超表面结构单元；该超透镜结构单元可以为正六边形、正方形、扇形等，每个超透镜结构单元的中心位置，或者每个超透镜结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。其中，所有的纳米结构可以位于基底的同一侧，或者，部分纳米结构位于基底的一侧，另一部分纳米结构位于基底的另一侧，本实施例对此不作限定。

需要说明的是，超透镜的基底为整体的层结构，超透镜中的多个超透镜结构单元可以是人为划分出来的，即在基底上布设多个纳米结构，从而可以划分出包含一个或多个纳米结构的超透镜结构单元，或者说，多个超透镜结构单元可以形成一体式结构的超透镜。

所述第二可调超透镜的结构、与上述超透镜类似，这里不再赘述。

所述微纳结构的结构、排布方式、以及实现的功能与上述纳米结构类似，这里不再赘述。

示例地，本实施例提供以下示例对如何基于超透镜产生贝塞尔光束进行说明，参见图7所示的基于超透镜产生贝塞尔光束的光路图，超透镜直径为2毫米(mm)，厚度为1mm，焦距为45mm。超透镜基底材料为熔融石英，纳米结构材料为SiN，超透镜中纳米结构采用圆柱，排列方式为正六边形排布，纳米结构高度为500纳米(nm)。超透镜相位分布如图8所示。参见图9所示的基于超透镜产生贝塞尔光束的焦点光照图，其中，焦点光照图中的图A为相位y方向截面图，焦点光照图中的图B为相位伪彩色图。参见图10所示的基于超透镜产生贝塞尔光束的离焦点列图，基于超透镜产生贝塞尔光束时，在超透镜的焦点位置±500微米的范围内没有明显的衍射现象，光束均匀性较好，满足光片荧光显微镜的照明需求。

通过以上示例可知，基于超透镜产生贝塞尔光束比起利用传统光学透镜的光片产生系统的结构更加简单、体积更为小巧。贝塞尔光束在横向方向存在一段无衍射光束，可实现在横向方向上均匀照明，无需使光片横向移动。基于可调超透镜能实现沿成像系统轴向扫描，比起机械移动式扫描位移量更为精确、成本更加低廉。

在通过以上内容对光片荧光显微镜的内容进行介绍之后，本实施例还提出一种样品检测系统，包括：样品载物台和上述的光片荧光显微镜；所述光片荧光显微镜对所述样品载物台上放置的样品进行层析检测。

综上所述，本实施例提出一种光片荧光显微镜和样品检测系统，通过光片荧光显微镜中设置的超衍射聚焦单元对光源发出的激发光束进行超衍射聚焦，形成作为光片的贝塞尔光束对样品进行照射并激发，与相关技术中LSFM发出高斯光束形成的光片对样品进行激发的方式相比，由于贝塞尔光束满足光束无衍射的性质，在贝塞尔光束所形成的光片内保持光场强度不变，从而利用光场强度不变的光片对样品进行均匀激发，提高了光片荧光显微镜的检测效率和检测精度。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。