用于高吞吐量成像的方法和设备技术

用于对样本(109)成像的设备，所述设备包括：照明装置(101、102、103、104、105、106、107、108)，其用于在线焦点或焦点阵列中同时照明所述样本(109)；以及检测装置(108、107、106b、111、112、113)，其用于检测在视场阵列中同时从样本(109)发射或散射的光子；其中样本(109)中的在成像期间从其中发射或散射光子的子观察体积的阵列由其中来自照明装置(101、102、103、104、105、106、107、108)的线焦点或焦点阵列与检测装置(108、107、106b、111、112、113)的相应视场阵列重叠的空间中的体积限定；样本保持器(110，110a)，优选为圆柱形样本保持器(110，110a)，其被配置为将样本(109)保持在其表面处，所述样本保持器(110，110a)可旋转地布置成使得通过旋转样本保持器(110，110a)可以将所述样本(109)的至少一部分传输通过所述子观察体积中的至少一个。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高吞吐量成像的方法和设备
本专利技术提供用于从主要有机物质但不排除无机物质以及从该物质中的化学、生物化学或生物反应、相互作用、途径或序列中检测、监测、成像和获取数据的方法和装置。特别地，本专利技术提供用于例如在包括活细胞的细胞中、在活组织中和在含有机物质的溶液中以每个样本的较低成本和高吞吐量以在三维中的高空间分辨率来研究所述物质的方法和设备。特别针对的另一个应用是监测包括活细胞的细胞中或溶液中DNA和RNA相关的活性的可能性。背景存在用于对生物样本成像的太多的方法和设备。主要地，这些是由MarvinMinsky在1957年获得专利的共聚焦显微镜的变型。共聚焦显微镜的普及性是由于其切片(sectioning)能力，其实现了比常规宽视场显微镜可以实现的三维上的相对高的分辨率和更好的对比度。通常，共聚焦显微镜与荧光光谱结合，其中特定的颗粒(例如，蛋白质)用荧光团标记，并因此可以从背景中辨别。在大多数共聚焦显微镜中，相同的光学器件(至少相同的物镜)用于照明/激发和用于观察/检测来自所研究的样本的光。这种配置的优点在于其模拟经典宽视场显微镜的设计，并因此可以使用或多或少的相同光学部件。另一个优点在于照明和检测自动对准。另外的优点在于，通过用垂直于样本表面的视场轴线照明和观察，N.A可以是大的，而不会遇到诸如全反射的问题。然而，常规共聚焦显微镜的这种几何结构引入限制可以被处理的应用的频谱的弱点和权衡。在共聚焦显微镜中，通过限制允许所发射的光到达检测器的体积(观察体积)来获得分辨率，即两个可区分的辐射点之间的距离。限制观察体积通过结合两种方法来实现：在正交于显微镜的照明(或等效于视场)轴线的维度中，观察体积的扩展由物镜的焦平面中的聚焦宽度确定。在沿着物镜的照明轴线(视场轴线)的维度中，观察体积由放置在检测器前面的光学共轭平面中的针孔的宽度确定。该针孔做得足够小以阻挡沿着照明轴线的方向从距焦平面一定距离之外的点发出的光。这样，通过选择具有非常小的聚焦宽度的物镜和小且正确定位的针孔，可以获得所有三维上的非常高的分辨率。使用针孔的另一个优点在于它增强了对比度，因为从位于观察体积之外的样本的被照射部分发出的散射光或荧光不会到达检测器。尽管如此，在实践中，这意味着严重权衡：用于滤出从焦平面之外发出的光的针孔限制物镜在该时刻处对在焦平面中的多于一个点进行成像。因此，为了获得图像，必须使样本和观察体积相对于彼此移动(扫描)。图像是逐点合成的，并且1024×1024帧可能花费超过一秒钟来获取。这使得并行化成像并从而实现高吞吐量的可能性复杂化。如上所述，常规共聚焦显微镜中的观察体积通过将小聚焦宽度与针孔技术组合来确定。在三维空间中创建观察体积的另一种方法是使用所谓的共聚焦θ显微镜，Stelzer、EHK等人于1994年在OptCommun.111第536-547页上发表的“Fundamentalreductionintheobservationvolumeinfar-fieldlightmicroscopybydetectionorthogonaltotheilluminationaxis:confocalthetamicroscopy”。在该技术中，通过使用两个物镜来代替地确定观察体积，两个物镜被放置成使得它们的视场的轴线正交并且使得它们的焦平面相交。因此，观察体积由在一个方向上一个检测器的聚焦宽度和在正交的第二方向上第二检测器的聚焦宽度来限制。在这种情况下的照明可以是任意的，只要它照亮感兴趣的观察体积即可。从观察体积的角度来看，θ共聚焦显微镜消除了对针孔的需要。然而，从对比度的角度来看，需要针孔来抑制到达任一个检测器的从观察体积之外发出的光。由于共聚焦显微镜基本上是逐点测量设备，因此通过相对于由显微镜的物镜和检测器前方的针孔限定的观察体积移动包含研究中的任何样本的样本体积并且测量每个点的强度值来形成样本的图像。该动作继续，直到收集整个二维(x-y)图像，过程可被重复以随时间生成一系列图像。另外，观察体积也可沿着显微镜轴线步进以获取光学切片的三维(x、y和z)图像堆叠。利用这个值的向量，三维图像可被合成并通常在屏幕上以层析成像(tomographically)的方式被显示。在共聚焦显微镜的早先的版本中，样本被放置在高精度平移台上，该高精度平移台在三维中系统地移动样本，直到生成图像向量。为了产生高帧率，样本必须沿着其预编程路径高速移动，同时保持亚微米精度。由于样本保持器和台的质量的高的加速度，因此这是挑战性且昂贵的任务。获得高帧率的另一方法是激光扫描共聚焦显微镜。代替移动样本，激发光束被扩展并且被引导到一对振荡电流计扫描镜，该振荡电流计扫描镜光栅扫描穿过样本体积的聚焦光束。来自样本的光通过相同的镜组被去扫描，并在到达检测器之前通过共轭(共焦)针孔。扫描速度被最快的镜子的机械规格限制，该最快的镜子通常以每图像点(有时称为像素或三维空间中的体素)约4至5微秒的速率扫描。因此，对于在单一秒内收集的512x512像素图像，扫描点在每个像素上停留大约4微秒。此外，由于以下事实：镜子将必须被快速地加速，保持在恒定速度同时扫描整个场，接着快速地减速并且行进的方向被反转，对于每个扫描线重复该循环，获得更高的速率是非常困难的，即使不是不可能的。用于快速扫描样本的另一可选方案是(Nipkow)旋转盘方法。该共聚焦显微镜是基于圆形旋转的盘，该盘具有以螺旋图案布置的一个或更多个针孔阵列，该螺旋图案被设计成在盘的一个旋转期间覆盖样本体积。由于除了旋转盘之外不需要加速，因此这个配置在稳定状态下在机械上是非常稳定的。这个方法的另一个优点是不管旋转盘的针孔，几个点(像素)可以被并行观看。通过使用超出每秒1000帧的这种技术，已经实现了结合高速和并行化非常高的帧率的能力。然而，旋转盘共聚焦显微镜不是没有它们的伪像。一个局限是从焦平面的外面散射或发射的光可通过行进穿过邻近的针孔到达检测器，所谓的针孔串扰。第二局限是穿过盘的针孔的光的低百分比(通常小于10％)。剩余的光被反射并且可以作为检测器中的背景噪声呈现。这两个副作用都限制信噪比。旋转盘方法的第三个限制在于通常用于收集图像的检测器是电荷耦合器件或CMOS传感器。由于这种器件的积分时间在毫秒量级，因此这种类型器件固有的暗电流将在所述积分时间内积累噪声水平，使得几乎不可能检测到单个光子。Gratton等人(美国专利7973294)提出将样本体积移动通过观察体积。代替使x-y-z平移台围绕样本体积移动，样本被放置在旋转的容器中。因此，非常大的样本体积可以以最小所需的加速度通过共聚焦显微镜的观察体积。当处于稳态时，只有旋转台的摩擦力需要被克服，并且容器还可在其他方向上缓慢移动，以访问样本体积的所有部分。然而Gratton等人使用了一个包含在液体中分解的颗粒的小槽(cuvette)。因此，颗粒四处移动，因此在这种情况下不可能保持亚微米精度。仍然需要能够以高帧率(高吞吐量)、三维中的高空间分辨率、高灵敏度、大面积和可接受的成本水平实现主要对微生物相关物质的研究、测试等的技术。没有一种现有技术的方法能够同时满足这些要求。概述本公开的目的是减轻与现有技术成像技术相关联的至少一些缺点。本公开的目标是，利用三维中的高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于对样本成像的设备，所述设备包括：照明装置，其用于在线焦点或焦点阵列中同时照明所述样本；和检测装置，其用于检测在视场阵列中同时从样本发射或散射的光子；其中，光子在成像期间从其被发射或散射的、在样本中的子观察体积的阵列由其中来自所述照明装置的所述线焦点或焦点阵列与所述检测装置的相应的视场阵列重叠的空间中的体积限定；其特征在于，所述设备包括样本保持器，所述样本保持器被配置成将所述样本保持在所述样本保持器的表面处，所述样本保持器被可旋转地布置，使得通过旋转所述样本保持器，所述样本的至少一部分能够被传输通过所述子观察体积中的至少一个。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.26 SE 1650251-01.一种用于对样本成像的设备，所述设备包括：照明装置，其用于在线焦点或焦点阵列中同时照明所述样本；和检测装置，其用于检测在视场阵列中同时从样本发射或散射的光子；其中，光子在成像期间从其被发射或散射的、在样本中的子观察体积的阵列由其中来自所述照明装置的所述线焦点或焦点阵列与所述检测装置的相应的视场阵列重叠的空间中的体积限定；其特征在于，所述设备包括样本保持器，所述样本保持器被配置成将所述样本保持在所述样本保持器的表面处，所述样本保持器被可旋转地布置，使得通过旋转所述样本保持器，所述样本的至少一部分能够被传输通过所述子观察体积中的至少一个。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述检测装置具有与所述样本中的一个点通过子观察体积所用的时间相同数量级或者更短的检测系统上升时间。3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备包括圆柱形样本保持器，所述圆柱形样本保持器被配置成将所述样本保持在其侧表面处，所述圆柱形样本保持器被可旋转地布置，使得通过旋转所述圆柱形样本保持器，所述样本的至少一部分能够被传输通过所述子观察体积中的至少一个。4.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中，所述子观察体积的阵列被布置在优选等距的观察体积的至少一行中。5.根据权利要求4所述的设备，其中，在沿着子观察体积的所述至少一行绘制的虚拟线和传输通过所述行的子观察体积中的至少一个子观察体积的样本的运动向量之间的角度大于零。6.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中，所述子观察体积的阵列被布置在优选等距的观察体积的平面网格中。7.根据权利要求6所述的设备，其中，子观察体积的所述网格的虚拟平面的法向量和传输通过所述行的子观察体积中的至少一个子观察体积的样本的运动向量是非垂直的。8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述照明装置包括微透镜阵列。9.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述检测装置包括针孔阵列。10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述检测装置包括盖革模式下的雪崩光电二极管检测器，优选为盖革模式下运行的门控雪崩光电二极管检测器。11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，在旋转期间，所述样本被布置在离所述样本保持器的旋转轴接近恒定的径向距离处。12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述样本保持器通过空气轴承悬挂。13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括用于所述样本保持器每旋转一圈对所述样本和所述子观察体积的阵列之间的相对、切向和/或径向位置至少测量一次以便将检测到的信号与所述样本内的相应绝对位置相关联的装置。14.根据权利要求3-13中任一项所述的设备，其中，所述圆柱形样本保持器沿着其旋转轴可移动地布置，使得所述样本保持器能够在旋转期间沿着所述样本保持器的旋转轴传输。15.根据权利要求3-14中任一项所述的设备，其中，所述圆柱形样本保持器包括样本容器保持器和可拆卸的板状样本容器，所述可拆卸的板状样本容器被配置成缠绕并附接到所述样本容器保持器。16.根据权利要求3-15中任一项所述的设备，其中，所述圆柱形...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉乌尔·斯图伯，本特·萨尔格伦，约翰·斯特罗姆奎斯特，
申请(专利权)人：辛格科技公司，
类型：发明
国别省市：瑞典,SE