公开了一种用于非侵入式地追踪样本中的粒子的系统和方法。该系统包括2光子或者共焦激光扫描显微镜(LSM)以及耦接至具有X-Y位置控制和Z位置控制的粒子保持设备。该系统还包括：追踪模块，具有追踪激发激光器；X-Y辐射聚集部件和Z辐射聚集部件，被配置为在X-Y方向上和在Z方向上检测粒子的偏差。该系统还包括耦接至X-Y辐射聚集部件和Z辐射聚集部件的处理器，该处理器生成被配置为驱动载物台的X-Y位置控制和Z位置控制以追踪粒子的移动的控制信号。该系统还可包括：同步模块，被配置为生成标记有载物台位置的LSM像素；以及处理模块，被配置为使用标记有载物台位置的LSM像素生成显示粒子3D轨迹的3D图像。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多量级光谱纳米显微镜本专利技术的政府权利基于由能源部所授予的授权号DE-SC0006838，在政府的支持下创作本专利技术。政府拥有本专利技术的特定权利。相关申请的交叉引用本申请要求于2012年7月18日提交的美国临时申请61/672,837和于2013年3月5日提交的美国临时申请61/772,617的优先权，将其全部内容结合于本文中。
本专利技术总体上涉及用于追踪单个粒子的系统和方法，更具体地，涉及用于使单个粒子成像并且对其进行分析的系统和方法。
技术介绍
本公开涉及多量级光谱纳米显微镜(MultiscaleSpectralNanoscopy)(MSN)，并且总体上涉及美国专利第7,982,194号中的公开内容-单纳米粒子追踪光谱学显微镜(SNTSM)，将其全部内容结合于本文中。在同时将分子交互作用和分子动力学置于它们的大分子生物学背景下，对生物学系统中的这些交互作用的研究长期受到不能在它们自然长度量级(下至<1nm)和与分子动力学有关的时间量级(<毫秒)层面上观察分子现象的阻碍。在上下文中对分子生物进行观察的传统方法为光学成像方法，故以最为普遍使用并且可商购的方法开始：共焦显微术(confocalmicroscopy)。传统的成像方法：当今，激光扫描共焦显微镜具有以高达8Hz提供光学切片(opticalsection)的能力。不幸的是，这个速度不足以评估三维空间内实时发生的生物学过程。通过尼普科夫转盘(Nipkowspinningdisk)的实施方式进一步改善了共焦显微镜，这允许以高达1Hz来获取3D体积并且具有近共焦性能。然而，这样的时间量级(≥1秒)仍过于缓慢以致不能监控细胞或者亚细胞级别上的化学动态。快速大规模3D成像方法：为了解决对大体积进行成像的问题，利用高时间分辨率的选择性平面照明显微术(SPIM)，其使用由柱面透镜扩散并且传输给垂直于聚集物镜(collectionobjective)的样本的激发光束，创建允许用于光学切片的照明平面。尽管轴向分辨率为5微米的数量级，然而，已经实现了每隔6秒对400μm×400μm×200μm体积的神经元动作电位的快速成像。已通过快速扫描激光束来建立照明平面改善了这种方法，从而允许更为密集的照明和更快的获取时间，从而在60秒至90秒内以300nm横向分辨率和500nm轴向分辨率来获取1000μm×1000μm×600μm的体积。超分辨率(superresolution)方法：尽管上述方法已经打开了对发展的生物学中的更大动态的研究的大门，然而，其仍受到光的传播光束的衍射性质的限制，且最终分辨率限制于横向维度上的200nm的数量级和轴向维度上的600nm的数量级。为了突破这个限制，已经开发出了所谓的“超分辨率”方法。模拟发射损耗显微术(STED)使用高功率激光脉冲有效地关闭特定区域内的荧光发射。通过使激光脉冲小心地成形以限定焦点周围的球面面积，由于周围环境发光的损耗，有效地在尺寸上减少了焦点尺寸。下降至30nm分辨率的等方性的焦点已被用于使活细胞内的线粒体嵴(mitochondrialcristae)成像。不幸的是，这仍是一种点扫描技术并且在较大空间量级上具有有限的时间分辨率。其他方法依赖于单个的光可转换荧光团的定位。最初，这些方法(随机光学重构显微术STORM、光激活定位显微术PALM)被实施为用于研究二维空间中的现象，但是，通过使用散光成像术(STORM，横向20nm–30n、轴向60nm)、双面成像术(BP-PALM，横向30nm、轴向75nm)、干涉测量术(iPALM，横向20nm、轴向10nm)、或者实施双螺旋术(DH-PSF，横向10nm、轴向10nm)，已经发展至高达几微米的三维结构。不幸的是，所有这些方法皆受到其轴向长度(通常，仅1-2微米)或者时间分辨率(PALM和STORM需要观察多个光转换事件，从而需要几十秒来获取单个的图像)的限制。一些方法已经努力将快速3D成像与超分辨率相组合，诸如，扫描多焦点多光子4Pi共焦显微术(MMM-4Pi)，其中，将双光子激发光束分成扫描光学切片的小的子切片的16-64个细光束(beamlet)。通过将这些子区域拼合在一起并且轴向扫描该试样可以观察到小至150秒的10μm×10μm×5μm的体积，并且等方性分辨率为从100nm至140nm。旨在将超分辨率的优势与更大量级观察相组合的另一方法是结构化照明显微术(SIM)。通过在接近样本的空间频率的频率内实施激发技术，可以建立通过传统显微物镜观察到的更低拍频(beatfrequency)。该方法还显示了改善降低至～110nm的横向分辨率的能力。对于25μm×25μm×2.72μm的体积，该方法还被扩展至具有0.20Hz体积成像速率的三维(3D-SIM)。尽管存在这些快速的超分辨率方法，然而，仍存在不能观察到的巨大范围的长度量级和时间量级。例如，诸如DH-PSF和iPALM等单个的分子方法示出了明显的空间分辨率，但是，由于其较小的轴向范围，所以其覆盖了相对较短的长度量级。很少有方法充分地解决1毫秒以下的时间量级。期望提供一种解决现有系统的这些以及其他缺点的系统和方法。
技术实现思路
公开了一种用于非侵入式地追踪样本中的粒子的系统和方法。该系统包括被配置为对样本进行扫描的2光子或者共焦激光扫描显微镜(LSM)。该系统还包括粒子保持设备，该粒子保持设备具有耦接至粒子保持设备的粒子，该粒子保持设备耦接至具有X-Y位置控制和Z位置控制的载物台。该系统还包括：追踪模块，具有追踪激发激光器；X-Y辐射聚集部件(radiation-gatheringcomponent)，被配置为在X-Y方向上检测粒子的偏差(deviation)；以及Z辐射聚集部件，被配置为在Z方向上检测粒子的偏差。该系统还包括耦接至X-Y位置控制和Z位置控制的处理器，该处理器生成被配置为驱动载物台X-Y位置控制和Z位置控制以追踪粒子的移动的控制信号。该系统还可包括：同步模块，被配置为接收当前LSM扫描镜位置和LSM检测器读出(readout，读数)并且使它们与当前载物台位置同步以生成标记有载物台位置的LSM像素；以及处理模块，被配置为使用标记有载物台位置的LSM像素生成显示粒子的3D轨迹的3D图像。该同步模块可被配置为接收当前LSM扫描镜位置和LSM检测器读出并且使它们与当前载物台位置相同步以生成标记有载物台位置的LSM像素。像素至体素转换模块(pixeltovoxelconversionmodule)可被配置为基于LSM系统的已知放大倍率(实际空间像素大小)和样本扫描期间的各个时间点的压电载物台位置将来自LSM系统的各个检测器读出(像素)的实验帧(labframe)转换成样本帧(sampleframe)中的三维体素(voxel)。插值模块可被配置为生成包括平均过采样体素和插值未采样体素的插值数据。平滑化模块可被配置为使插值数据平滑化。图像生成模块可被配置为基于该插值数据生成显示粒子的移动的3D图像。追踪激发激光器可被安装为平行于光学台(opticaltable)平面并且X-Y辐射聚集部件相对于光学台平面被垂直安装。各个X-Y辐射聚集部件可具有被配置为将来自光学台的平面的光反射至垂直定向的反射镜。垂直安装本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于非侵入式地追踪样本中的粒子的系统，包括：2光子或者共焦激光扫描显微镜(LSM)，被配置为对所述样本进行扫描；粒子保持设备，具有耦接至所述粒子保持设备的所述粒子，所述粒子保持设备耦接至具有X‑Y位置控制和Z位置控制的载物台；以及追踪模块，具有追踪激发激光器；X‑Y辐射聚集部件，被配置为在X‑Y方向上检测所述粒子的偏差；以及Z辐射聚集部件，被配置为在Z方向上检测所述粒子的偏差；处理器，耦接至所述X‑Y辐射聚集部件和所述Z辐射聚集部件，所述处理器生成被配置为驱动所述载物台的X‑Y位置控制和Z位置控制以追踪所述粒子的移动的控制信号。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.07.18 US 61/672,837;2013.03.05 US 61/772,6171.一种用于非侵入式地追踪样本中的粒子的系统，包括：被配置为对所述样本进行扫描的2光子或者共焦的激光扫描显微镜(LSM)，包括：多个扫描镜；以及多个检测器；粒子保持设备，具有耦接至所述粒子保持设备的所述粒子，所述粒子保持设备耦接至具有X-Y位置控制和Z位置控制的载物台；追踪模块，包括：追踪激发激光器；X-Y辐射聚集部件，被配置为在X-Y方向上检测所述粒子的偏差；Z辐射聚集部件，被配置为在Z方向上检测所述粒子的偏差；以及处理器，耦接至所述X-Y辐射聚集部件和所述Z辐射聚集部件，所述处理器被配置为生成用于驱动所述载物台的X-Y位置控制和Z位置控制以追踪所述粒子的移动的控制信号；以及同步模块，被配置为通过以下方式同步所述LSM和所述追踪模块：从所述LSM接收当前扫描镜位置和检测器读出；从所述追踪模块接收当前载物台位置；并且生成标记有载物台位置的LSM像素。2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括处理模块，所述处理模块被配置为...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨皓，凯文·韦尔舍，
申请(专利权)人：普林斯顿大学托管委员会，
类型：发明
国别省市：美国;US
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