專利名稱：雙色單光子橫向超分辨成像的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型與生物醫(yī)學有關，涉及雙色單光子熒光成像，特別是一種雙色單光子
橫向超分辨成像的裝置，以適用于醫(yī)學生物組織的檢測。
背景技術：
長期以來，遠場光學熒光顯微鏡憑借其非接觸、無損傷、可探測樣品內(nèi)部等優(yōu)點， 一直是生命科學中最常用的觀測工具。但由于衍射極限的存在，使傳統(tǒng)的寬場光學顯微鏡 橫向分辨率僅約為200nm。為了揭示細胞內(nèi)分子尺度的動態(tài)和結(jié)構(gòu)特征，提高光學顯微鏡 分辨率成為生命科學發(fā)展的迫切要求。在遠場熒光顯微鏡的基礎上，科學家們已經(jīng)發(fā)展出 一些實用的提高分辨率甚至超越分辨率極限的成像技術。例如，采用橫向結(jié)構(gòu)光照明，提高 橫向分辨率到約100nm，這種技術需要復雜的解碼處理，耗費時間。受激熒光損耗顯微鏡利 用非線性效應實現(xiàn)了 30-50nm的三維分辨率。應用熒光分子之間能量轉(zhuǎn)移共振原理以及單 熒光分子定位技術也可以突破衍射極限，但這些技術往往需要非?？量痰臈l件和昂貴的設 備，過程也十分復雜。 近年來，光敏熒光蛋白作為一類新的熒光探針分子吸引了科研工作者們的廣泛關 注，這類熒光蛋白與普通熒光蛋白最大的不同之處是通過一束特定波長的光敏化之后，才 能夠被激發(fā)發(fā)射熒光，或者極大地增強原有的熒光，直至漂白。換言之，光敏熒光蛋白需要 兩種不同波長的光共同作用才能激發(fā)熒光(參見George H.Patterson et al. ， Science, vol. 297， 1873-1877， 2000)。如今，這種熒光分子被應用于細胞內(nèi)物質(zhì)追蹤等領域的研究。 在光敏熒光蛋白中，有一種非常特殊的熒光蛋白稱為可逆光敏熒光蛋白，這種可逆敏化蛋 白相對于一般光敏熒光蛋白的獨特性質(zhì)表現(xiàn)在漂白之后可以通過一束恢復光使熒光蛋白 重新恢復到可激發(fā)態(tài)。例如Dronpa，KFPl (kindling fluorescent protein—1)(以上兩種 可逆熒光蛋白暫無中文名稱，市場上有商品)等。以下具體以Dro即a為例，它在405nm光照 射下敏化，488nm照射下激發(fā)熒光，進入暫時的漂白，接著再次用405nm光照射，Dronpa將再 次從漂白中恢復，敏化_激發(fā)_漂白_恢復這一循環(huán)可重復達上百次(參見Ryoko Andoet al. ， Science, vol. 306， 1370-1373， 2004)。在敏化光光強不太大的情況下，熒光強度與敏 化光強度近似呈線性關系(參見Peter Dedecker et al. ， BiophysicalLetters， vol. 91， 45-47,2006)。不難發(fā)現(xiàn)，Dronpa的敏化激發(fā)過程雖然需要兩種波長的光，但直接激發(fā)熒光 的只是其中一種波長的光，即488nm激發(fā)光，因此實質(zhì)上是一種雙色單光子的線性過程，相 對于雙色雙光子非線性吸收過程效率有極大的提高。另外由于Dronpa敏化前無法激發(fā)熒 光，可以有效抑制敏化光和激發(fā)光非重疊區(qū)域的背景噪聲，可反復激發(fā)的特性使得它可能 用于掃描成像。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型要解決的技術問題在于克服上述現(xiàn)有技術對生物組織橫向分辨率不 足的問題，提供了一種雙色單光子橫向超分辨成像的裝置，該發(fā)明可提高生物組織中成像
3的橫向分辨率。 本實用新型技術解決方案如下 —種雙色單光子橫向超分辨的成像裝置，其特點是該裝置包括照明部分、探測收 集部分和掃描部分 照明部分包括敏化光源，沿該敏化光源輸出的敏化光束方向依次是敏化衰減片、 敏化準直系統(tǒng)和敏化雙色鏡，該敏化雙色鏡與所述敏化光源輸出的敏化光束成45。放置； 激發(fā)光源，沿該激發(fā)光源輸出激發(fā)光束方向依次是快門、激發(fā)衰減片、激發(fā)準直系統(tǒng)和激發(fā) 雙色鏡，該激發(fā)雙色鏡與所述激發(fā)光源輸出的激發(fā)光束成45。放置；所述的敏化雙色鏡與 所述的激發(fā)雙色鏡平行放置；所述的敏化光束和激發(fā)光束分別經(jīng)過所述的敏化雙色鏡和激 發(fā)雙色鏡反射后平行出射，光斑寬度略小于物鏡后表面的寬度，平行出射的敏化光束和激 發(fā)光束經(jīng)所述的物鏡聚焦后的點擴散函數(shù)重疊，中心相距L，照明所述的被可逆光敏熒光蛋 白分子標記的樣品； 探測收集部分由陷波濾光片、長通濾光片、聚焦透鏡、小孔光闌、雪崩二極管和計 算機組成，沿著經(jīng)樣品發(fā)射的熒光方向，在激發(fā)雙色鏡的后，依次設置所述的陷波濾光片、 長通濾光片、聚焦透鏡、小孔光闌和雪崩二極管，所述的小孔光闌置于所述的聚焦透鏡的焦 平面，中心對準焦點，所述的雪崩二極管接收熒光信號后輸入計算機； 掃描部分包括供放置所述的被可逆光敏熒光蛋白分子標記的樣品的三維平移臺， 所述的計算機驅(qū)動并控制所述的三維平移臺的移動和所述的快門的開合，以實現(xiàn)對可逆光 敏熒光蛋白分子標記的樣品的掃描。 在所述的敏化準直系統(tǒng)和敏化雙色鏡之間還有敏化光瞳濾波器，在所述的激發(fā)準 直系統(tǒng)和激發(fā)雙色鏡之間還有激發(fā)光瞳濾波器。 所述的敏化光源輸出光束的波長為405nm，所述的激發(fā)光源輸出光束的波長為 488nm。 所述的敏化雙色鏡是對波長為405nm的光束高反，波長為488_550nm的光束高透 的雙色鏡。 所述的激發(fā)雙色鏡是對波長為488nm的光束高反，波長為500-550nm的光束高透 的雙色鏡。 所述的敏化光瞳濾波器和所述的激發(fā)光瞳濾波器為三區(qū)位相型光瞳濾波器，由內(nèi)
向外三區(qū)位相依次為o、 Ji 、0，歸一化半徑依次為o. 12 : o. 6 : i。 所述的陷波濾光片是對波長為488nm的光束高反，其它波長的光束高透的濾光 片。 所述的長通濾光片是對波長為500nm以上的光束高透，500nm以下的光束高反的 濾光片。 本實用新型的技術效果 所述的敏化光束和激發(fā)光束充滿物鏡后表面，充分利用物鏡的數(shù)值孔徑。 根據(jù)可逆光敏蛋白僅在所述的敏化光束和激發(fā)光束共同照明的區(qū)域才會被敏化
并激發(fā)熒光的特性，具有較高的信噪比。 本實用新型是雙色單光子激發(fā)的線性過程，具有很高的熒光激發(fā)效率。 本實用新型僅使用一個物鏡同時照明樣品 采集熒光信號，兩束光的強度可獨立控制，操作方便。
圖1為本實用新型雙色單光子熒光成像裝置具體實施例的光路原理圖；其中1為敏化光源(405nm) ， 2為激發(fā)光源(488nm) ， 3為物鏡，4為可逆光敏熒光
蛋白標記的樣品，5為敏化衰減片，6為敏化準直系統(tǒng)，7為敏化光瞳，8為敏化雙色鏡，9為快
門，10為激發(fā)衰減片，11為激發(fā)擴束系統(tǒng)，12為激發(fā)光瞳，13為激發(fā)雙色鏡，14為陷波濾光
片，15為長通濾光片，16為聚焦透鏡，17為小孔光闌，18為雪崩二極管，19為計算機，20為
三維平移臺。 圖2為熒光光強隨敏化光光強的變化示意圖。 其中曲線a、 b、 c分別對應在激發(fā)光在120kW/cm2、135kW/cm2、160kW/cm2時的情 形，分別對激發(fā)光在120kW/cm2、 135kW/cm2、 160kW/cm2時敏化光光強較低的部分進行線性 擬合。 圖3為三區(qū)位相型光瞳濾波器示意圖。 由內(nèi)向外A、 B、 C三區(qū)同心，位相依次為0、 Ji 、0，歸 一 化半徑依次為
o. 12 : o. 6 : i。 圖4為488nm激發(fā)光點擴散函數(shù)。 圖5為雙束光同軸傳播，敏化光和激發(fā)光點擴散函數(shù)乘積，即此時的等效點擴散 函數(shù)。 圖6為雙束光平行非同軸傳播，且焦平面x軸向L = 220nm時，敏化光和激發(fā)光點 擴散函數(shù)乘積，即此時的等效點擴散函數(shù)。 圖7為兩束光都經(jīng)過光瞳濾波器，平行非同軸傳播，且焦平面x軸向L = 1010nm 時，敏化光和激發(fā)光點擴散函數(shù)乘積，即此時的等效點擴散函數(shù)。
具體實施方式下面結(jié)合實施例和附圖對本實用新型作進一步說明，但不應以此限制本實用新型 的保護范圍。 首先請參閱圖1，圖1為本實用新型雙色單光子熒光成像裝置具體實施例的光路 原理圖，由圖可見，本實用新型雙色單光子橫向超分辨的成像裝置，該裝置包括照明部分、 探測收集部分和掃描部分 照明部分包括敏化光源l，波長為A p沿該敏化光源1輸出的敏化光束方向依次 是敏化衰減片5、敏化準直系統(tǒng)6、敏化光瞳濾波器7和敏化雙色鏡8，該敏化雙色鏡8與所 述的敏化光源1輸出的敏化光束成45。放置；激發(fā)光源2，波長為入2，沿該激發(fā)光源2輸出 激發(fā)光束方向依次是快門9、激發(fā)衰減片10、激發(fā)準直系統(tǒng)11、激發(fā)光瞳濾波器12和激發(fā)雙 色鏡13，該激發(fā)雙色鏡13與所述激發(fā)光源2輸出的激發(fā)光束成45。放置；所述的敏化雙色 鏡8與所述的激發(fā)雙色鏡13平行放置；所述的敏化光束和激發(fā)光束分別經(jīng)過敏化雙色鏡8 和激發(fā)雙色鏡13反射后平行出射，光斑寬度略小于物鏡3后表面的寬度，平行出射的敏化 光束和激發(fā)光束經(jīng)所述的物鏡3聚焦后的點擴散函數(shù)重疊，中心相距L，照明所述的被可逆 光敏熒光蛋白分子標記的樣品4 ;[0035] 探測收集部分由陷波濾光片14、長通濾光片15、聚焦透鏡16、小孔光闌17、雪崩二 極管18和計算機19組成，沿著經(jīng)所述的樣品4發(fā)射的熒光方向，在激發(fā)雙色鏡13的后，依 次設置所述的陷波濾光片14、長通濾光片15、聚焦透鏡16、小孔光闌17和雪崩二極管18， 所述的小孔光闌17置于所述的聚焦透鏡16的焦平面，中心對準焦點，所述的雪崩二極管18 接收熒光信號后輸入計算機19 ; 掃描部分包括供放置所述的被可逆光敏熒光蛋白分子標記的樣品4的三維平移 臺20，所述的計算機19驅(qū)動并控制所述的三維平移臺20的移動和所述的快門9的開合，以 實現(xiàn)對可逆光敏熒光蛋白分子標記的樣品4的掃描。 本實施例中，所述的可逆光敏熒光蛋白為Dronpa，因此，相應的所述的敏化光源1 輸出光束的波長A工為405nm，所述的激發(fā)光源2輸出光束的波長A 2為488nm。所述的敏 化雙色鏡8是對波長為405nm的光束高反，波長為488_550nm的光束高透的雙色鏡。所述 的激發(fā)雙色鏡13是對波長為488nm的光束高反，波長為500-550nm的光束高透的雙色鏡。 所述的敏化光瞳濾波器7和所述的激發(fā)光瞳濾波器12為三區(qū)位相型光瞳濾波器，由內(nèi)向外 A、B、C三區(qū)位相依次為0、 Ji 、0，歸一化半徑依次為0. 12 : 0.6 : 1。所述的陷波濾光片14 是對波長為488nm的光束高反，其它波長的光束高透的濾光片。所述的長通濾光片15是對 波長為500nm以上的光束高透，500nm以下的光束高反的濾光片。 基本工作過程如下所述 通過敏化衰減片5和激發(fā)衰減片9分別控制405nm敏化光和488nm激發(fā)光光強，再 分別通過敏化準直系統(tǒng)6和激發(fā)準直系統(tǒng)10將兩束光調(diào)節(jié)為平行光出射，且使光斑半徑其 略小于物鏡后表面半徑以充分利用物鏡的數(shù)值孔徑；接著兩束光分別經(jīng)敏化雙色鏡8和激 發(fā)雙色鏡13反射進入物鏡3聚焦敏化熒光蛋白分子并激發(fā)熒光。為了說明本方法分辨率提 高的程度，以普通熒光蛋白標記樣品時的分辨率為參照依據(jù)。普通熒光蛋白標記的樣品時， 其分辨率由激發(fā)光在物鏡3焦平面的點擴散函數(shù)的半高全寬決定，當激發(fā)光波長為488nm、 物鏡數(shù)值孔徑為1. 4時，分辨率約為180nm，如圖4所示。采用可逆光敏熒光蛋白Dro即a標 記樣品4時，可逆光敏熒光蛋白僅在405nm敏化光和488nm激發(fā)光共同作用的區(qū)域被激發(fā) 熒光，由圖2可知，在敏化光強度不太高的情況下，熒光強度與敏化光強呈線性關系。此時， 可以認為有效點擴散函數(shù)PSFrff近似等于敏化光與激發(fā)光點擴散函數(shù)PSFa。t和PSF_的乘 積，即 PSFeff = PSFact PSFexc 此時的分辨率由有效點擴散函數(shù)的半高全寬決定。 下面是本實用新型實施例的三種具體方案 1、實施例1 光路圖如圖l所示，光路中不加所述的敏化光瞳7和激發(fā)光瞳12，通過在x軸方向 上調(diào)節(jié)激發(fā)雙色鏡13使兩束光同軸傳播，經(jīng)物鏡3聚焦后兩束光的點擴散函數(shù)中心重合， 即L = 0。此時等效點擴散函數(shù)如圖5所示，橫向半高全寬為116nm，橫向分辨率提高1. 55倍。 2、實施例2 光路圖如圖l所示，光路中不加敏化光瞳7和激發(fā)光瞳12，通過在x軸方向上調(diào)節(jié) 激發(fā)雙色鏡13使兩束光平行非同軸傳播，但經(jīng)物鏡3聚焦后兩束光點擴散函數(shù)中心在x軸
6向距離L = 220nm。此時僅在敏化光和激發(fā)光愛里斑邊沿交疊區(qū)域可實現(xiàn)可逆光敏熒光蛋 白的熒光激發(fā)，其他非交疊區(qū)域無法滿足可逆光敏熒光蛋白熒光激發(fā)條件而不發(fā)射熒光。 等效點擴散函數(shù)如圖6所示，x軸向半高全寬為79nm， x方向上分辨率提高2. 28倍；y軸向 半高全寬100nm， y方向上分辨率提高1. 80倍。 3、實施例3 光路圖如圖l所示，光路中加入敏化光瞳7和激發(fā)光瞳12，所述的敏化光瞳7和激 發(fā)光瞳12為三區(qū)位相型光瞳濾波器，由內(nèi)向外A、B、C三區(qū)位相依次為0、 Ji 、0，歸一化半徑 依次為O. 12 : 0.6 : 1。光瞳的加入改變原來點擴散函數(shù)分布，使三級衍射極大峰增強。 通過在x軸方向上調(diào)節(jié)激發(fā)雙色鏡13使兩束光平行非同軸傳播，且經(jīng)物鏡3聚焦后兩束光 點擴散函數(shù)中心x軸向距離L = 1010nm。此時僅在敏化光和激發(fā)光愛里斑第三級衍射環(huán) 焦點邊沿交疊區(qū)域可實現(xiàn)可逆光敏熒光蛋白的熒光激發(fā)，其他非交疊區(qū)域無法滿足可逆光 敏熒光蛋白熒光激發(fā)條件而不發(fā)射熒光。等效點擴散函數(shù)如圖7所示，x軸向半高全寬為 64nm， x方向上分辨率提高2. 81倍；y軸向半高全寬186nm， y方向上分辨率沒有提高。 以上三個實施例所激發(fā)的熒光由物鏡3收集，依次經(jīng)過敏化雙色鏡8反射部分 405nm光；經(jīng)過激發(fā)雙色鏡13，反射部分488nm光；經(jīng)過陷波濾光片14，濾除488nm光；經(jīng)過 長通濾光片15，濾除低于500nm光；通過聚焦透鏡16收集熒光信號；通過小孔光闌17濾除 點擴散函數(shù)中心附近的背景噪聲；雪崩二極管18測量熒光光強由計算機19記錄數(shù)據(jù)。每 采集完一點，在計算機19的控制下，關閉快門9，阻隔激發(fā)光源2發(fā)射的激發(fā)光光束，使光 敏熒光蛋白標記的樣品4中被暫時漂白的敏化熒光分子在敏化光源1發(fā)射的敏化光的照射 下重新回到可激發(fā)態(tài)。接下來在計算機19驅(qū)動三維平移臺20將樣品移動到下一個待測量 點。實施中，如圖1所示，以光束行進方向作為Z軸，逐步改變層析深度，依次獲取生物樣品 在不同深度處的X-Y圖像，從而重構(gòu)樣品三維圖像。 實驗表明，本實用新型提高橫向分辨率達1. 55-2. 81倍。本實用新型是雙色單光 子激發(fā)的線性過程，具有很高的熒光激發(fā)效率；由于可逆光敏蛋白僅在兩束光共同照明的 區(qū)域會被敏化并激發(fā)熒光，具有較高的信噪比；本實用新型僅使用一個物鏡同時照明樣品 和采集熒光信號，兩束光的波長和強度獨立控制，操作簡單，易于實現(xiàn)。
權利要求一種雙色單光子橫向超分辨的成像裝置，其特征在于該裝置包括照明部分、探測收集部分和掃描部分照明部分包括敏化光源(1)，沿該敏化光源(1)輸出的敏化光束方向依次是敏化衰減片(5)、敏化準直系統(tǒng)(6)和敏化雙色鏡(8)，該敏化雙色鏡(8)與所述敏化光源(1)輸出的敏化光束成45°放置；激發(fā)光源(2)，沿該激發(fā)光源(2)輸出激發(fā)光束方向依次是快門(9)、激發(fā)衰減片(10)、激發(fā)準直系統(tǒng)(11)和激發(fā)雙色鏡(13)，該激發(fā)雙色鏡(13)與所述激發(fā)光源(2)輸出的激發(fā)光束成45°放置；所述的敏化雙色鏡(8)與所述的激發(fā)雙色鏡(13)平行放置；所述的敏化光束和激發(fā)光束分別經(jīng)過所述的敏化雙色鏡(8)和激發(fā)雙色鏡(13)反射后平行出射，所述的敏化光束和激發(fā)光束的光斑寬度略小于物鏡(3)后表面的寬度，平行出射的敏化光束和激發(fā)光束經(jīng)所述的物鏡(3)聚焦后的點擴散函數(shù)重疊，中心相距L，照明所述的被可逆光敏熒光蛋白分子標記的樣品(4)；探測收集部分由陷波濾光片(14)、長通濾光片(15)、聚焦透鏡(16)、小孔光闌(17)、雪崩二極管(18)和計算機(19)組成，沿著經(jīng)樣品(4)發(fā)射的熒光方向，在所述的激發(fā)雙色鏡(13)的后，依次設置所述的陷波濾光片(14)、長通濾光片(15)、聚焦透鏡(16)、小孔光闌(17)和雪崩二極管(18)，所述的小孔光闌(17)置于所述的聚焦透鏡(16)的焦平面，中心對準焦點，所述的雪崩二極管(18)接收熒光信號后輸入計算機(19)；掃描部分包括供放置所述的樣品(4)的三維平移臺(20)，所述的計算機(19)驅(qū)動并控制所述的三維平移臺(20)的移動和所述的快門(9)的開合，以實現(xiàn)對所述的樣品(4)的掃描。
2. 根據(jù)權利要求1所述的雙色單光子橫向超分辨的成像裝置，其特征在于在所述的敏化準直系統(tǒng)(6)和敏化雙色鏡(8)之間還有敏化光瞳濾波器(7)，在所述的激發(fā)準直系統(tǒng) (11)和激發(fā)雙色鏡(13)之間還有激發(fā)光瞳濾波器(12)。
3. 根據(jù)權利要求2所述的雙色單光子橫向超分辨的成像裝置，其特征在于所述的敏化 光瞳濾波器(7)和所述的激發(fā)光瞳濾波器(11)為三區(qū)位相型光瞳濾波器，由內(nèi)向外三區(qū) (A、B、C)位相依次為0、 Ji 、0，歸一化半徑依次為0. 12 : 0. 6 : 1。
4. 根據(jù)權利要求1所述的雙色單光子橫向超分辨的成像裝置，其特征在于所述的敏化 光源(1)輸出光束的波長為405nm，所述的激發(fā)光源(2)輸出光束的波長為488nm。
5. 根據(jù)權利要求1所述的雙色單光子橫向超分辨的成像裝置，其特征在于所述的敏化 雙色鏡(8)是對波長為405nm的光束高反，波長為488_550nm的光束高透的雙色鏡。
6. 根據(jù)權利要求1所述的雙色單光子橫向超分辨的成像裝置，其特征在于所述的激發(fā) 雙色鏡(13)是對波長為488nm的光束高反，波長為500-550nm的光束高透的雙色鏡。
7. 根據(jù)權利要求1至6任一項所述的雙色單光子橫向超分辨的成像裝置，其特征在于 所述的陷波濾光片(14)是對波長為488nm的光束高反，其它波長的光束高透的濾光片。
8. 根據(jù)權利要求1至6任一項所述的雙色單光子橫向超分辨的成像裝置，其特征在于 所述的長通濾光片(15)是對波長為500nm以上的光束高透，500nm以下的 光束高反的濾光 片。
專利摘要一種雙色單光子橫向超分辨的成像裝置，包括照明、探測收集和掃描三部分照明部分包括敏化光源，沿該敏化光源輸出的敏化光束方向依次是敏化衰減片、敏化準直系統(tǒng)和敏化雙色鏡；激發(fā)光源，沿該激發(fā)光源輸出激發(fā)光束方向依次是快門、激發(fā)衰減片、激發(fā)準直系統(tǒng)和激發(fā)雙色鏡；所述的敏化雙色鏡與所述的激發(fā)雙色鏡平行放置；探測收集部分由陷波濾光片、長通濾光片、聚焦透鏡、小孔光闌、雪崩二極管和計算機組成；掃描部分包括由所述計算機控制的供所述的被可逆光敏熒光蛋白分子標記的樣品放置的三維平移臺和所述的快門。本實用新型可提高超分辨熒光成像的橫向分辨率1.55-2.81倍，并具有操作方便的特點。
文檔編號G01N33/48GK201444142SQ20082015761
公開日2010年4月28日 申請日期2008年12月23日 優(yōu)先權日2008年12月23日
發(fā)明者喬玲玲, 毛崢樂, 王琛, 程亞 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究