一种超分辨显微镜制造技术

本发明专利技术实施例公开了一种超分辨显微镜，包括沿光路依次设置的光源单元、物镜单元、阵列单元以及光电转换单元。所述光源单元用于激发待测样品中的荧光分子发光，形成荧光光斑；所述物镜单元用于放大所述荧光光斑，得到放大荧光光斑；所述阵列单元包括多个矩阵排布的微结构，且所述微结构的尺寸小于所述放大荧光光斑的尺寸。本发明专利技术实施例提供的超分辨显微镜，在保证单分子荧光点的z轴定位精度同时，还能简化超分辨显微镜的结构。

A kind of super-resolution microscope

【技术实现步骤摘要】
一种超分辨显微镜
本专利技术实施例涉及单分子荧光定位超分辨显微技术，尤其涉及一种超分辨显微镜。
技术介绍
在单分子荧光定位超分辨显微技术中，随机光学重建显微法(stochasticopticalreconstructionmicroscopy，STORM)是一种将荧光光谱和显微分析技术应用于单个分子之上的崭新的物理手段，其是一种比传统光学显微镜高10倍以上分辨率的新型显微技术。该技术通过对分子点发出荧光的点扩散函数(pointspreadfunction，PSF)进行定位，xy方向的成像精度可达到纳米级别，但z方向的成像精度远远低于xy方向。现有技术中，可以在成像相机前设置衍射光栅和中继透镜的方法，以提高z方向的成像精度。但是，中继透镜的使用，使得光路复杂。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种超分辨显微镜，在保证单分子荧光点的z轴定位精度同时，还能简化超分辨显微镜的结构。本专利技术实施例提供的一种超分辨显微镜，包括：沿光路依次设置的光源单元、物镜单元、阵列单元以及光电转换单元；光源单元用于激发待测样品中的荧光分子发光，形成荧光光斑；物镜单元用于放大荧光光斑，得到放大荧光光斑；阵列单元包括多个矩阵排布的微结构，且微结构的尺寸小于放大荧光光斑的尺寸。进一步地，阵列单元位于物镜单元的像焦平面位置；光电转换单元位于阵列单元的像焦平面位置。进一步地，阵列单元包括微透镜阵列，微透镜阵列包括多个矩阵排列的微透镜；微透镜的直径d1与放大荧光光斑的直径d2满足d1≤d2/5。进一步地，微透镜阵列包括折射型微透镜阵列或衍射型微透镜阵列。进一步地，阵列单元包括小孔阵列，小孔阵列包括多个矩阵排列的小孔；小孔的直径d3与放大荧光光斑的直径d2满足d3≤d2/5。进一步地，超分辨显微镜还包括会聚透镜，会聚透镜设置于物镜单元和阵列单元之间的光路中。本专利技术实施例提供的超分辨显微镜，通过设置阵列单元于物镜单元和光电转换单元之间的光路中，使得放大的荧光光斑通过阵列单元的多个矩阵排布的微结构后成像，在保证单分子荧光点的z轴定位精度同时，还能简化超分辨显微镜的结构。附图说明图1是三维高斯光束的示意图；图2是本专利技术实施例提供的一种超分辨显微镜的结构示意图；图3是图2中椭圆虚线框部分的光路放大示意图；图4是理想平面光束经过阵列单元后的成像示意图；图5是本专利技术实施例提供的放大光斑经过阵列单元后的成像示意图；图6是本专利技术实施例提供的另一种超分辨显微镜的结构示意图；图7是荧光经过单个微透镜时的光路示意图；图8是本专利技术实施例提供的又一种超分辨显微镜的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分而非全部结构。STORM技术是一种利用光控开关探针实现单分子发光与重组成像的技术。在每次激发过程中，只使细胞内的一小部分荧光分子发光，而不是全部。在一次激发中，荧光分子发射出一定数目的光子，经过光学器件的调制，最终在显微镜的成像单元中形成成像光斑，该成像光斑的中心位置反映了光线发出的位置，从而能够确定荧光分子所在的位置。在下一次激发中，可以确定另外一部分荧光分子的位置。把这许多次激发的结果叠加，从而实现待测样品的重组成像。为了实现三维超分辨成像，STORM技术一般在照相机平面和物镜之间的光路中加入柱状透镜，以此引入非对称性来实现三维成像，但是其纵向定位精度远低于横向定位精度，且随成像深度增加，精度会快速下降。显微镜是经过良好校正的接近衍射极限的光学系统，因此聚焦于像点的成像光束可以近似看成高斯光束，成像光束的分布可以近似为高斯光束的分布。图1是三维高斯光束的示意图。将荧光分子所在位置称为物点，对应成像光斑的中心位置称为像点。参见图1，对于荧光分子的横向(x和y方向)定位，只需要计算光斑的在x和y方向的质心位置即可。而对于荧光分子的纵向(z方向)定位，当物点位于物方焦平面时，像点位于像方焦平面，成像光束的波前为平面，对应高斯光束的束腰位置；当物点偏离物方焦平面，即存在离焦时，像点也会相应的偏离像方焦平面，成像光束的波前为球面，对应高斯光束的曲面位置。正是由于在离焦的情况下，光斑直径的变化并不显著，导致z方向的定位精度较低。根据几何光学理论，由像点的离焦量，可以计算出物点的离焦量，从而精准确定物点在z轴方向上的位置。而高斯光束中，距束腰位置的距离为z的光波的波前曲率半径R(z)与z存在如下关系：其中，w0为高斯光束的束腰半径，是一个确定的值，由显微镜的物镜数值孔径和横向放大率共同决定。因此，只要能测量出成像光斑的波前曲率半径R(z)，就能够得到像点的离焦量z，从而得到物点的离焦量，实现对荧光分子z方向的准确定位。基于上述原理，提出本专利技术实施例的技术方案：图2为本专利技术实施例提供的一种超分辨显微镜10的结构示意图。本实施例可适用于单分子荧光点三维定位情况。如图2所示，该超分辨显微镜10具体包括：沿光路依次设置的光源单元110、物镜单元120、阵列单元130以及光电转换单元140。光源单元110用于激发待测样品中的荧光分子发光，形成荧光光斑；物镜单元120用于放大荧光光斑，得到放大荧光光斑；阵列单元130包括多个矩阵排布的微结构，且微结构的尺寸小于放大荧光光斑的尺寸。其中，光源单元110发出的光能够激发被测试样品中的分子点发出荧光。示例性的，光源单元110可以为激光光源，该激光光源的波长可为632nm。物镜单元120为现有显微镜中的光学器件的组合，本专利技术实施例对此不做限定，本领域技术人员可根据测试需求设置物镜单元120中的光学器件。阵列单元130是指由多个微型光学器件成矩阵排布形成的一种光学器件，微型光学器件的尺寸小于放大荧光光斑的尺寸，从而保证荧光光斑可以被多个微型光学器件所采集。微型光学器件的形状可以是矩形、圆形、方形等，本专利技术实施对此不做限定。光电转换单元140可以包括相机和处理器，能够对分子点发出的荧光光斑进行成像，并经过后续的数据处理，实现对分子点的空间定位。示例性的，相机可为电荷耦合元件(Charge-coupledDevice，CCD)相机或互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS)相机。图3是图2中椭圆虚线框1部分的光路放大示意图。示例性的，本实施例中的超分辨显微镜10为有限共轭显微镜，如图3所示，分子点发出的荧光光斑经过物镜单元120后形成放大的荧光光斑，该放大的荧光光斑可被阵列单元130中的多个微型光学器件所采集，从而在各个微型光学器件对应的成像区域内会聚形成单个成像光斑。图4是理想平面光束经过阵列单元130后的成像示意图，图5是本专利技术实施例提供的放大光斑经过阵列单元130后的成像示意图。图4和图5中所示矩阵排布的方格表示各个微型光学器件对应的成像区域。如图4所示，若荧光分子位于物方焦平面，则其成像光束在微型光学器件处的波面为理想平面，那么，经各个微型光学器件采集后会聚形成的各个成像光斑均位于对应成像区域的中心位置。如图5所示，当荧光分子偏离物方焦平面时，其成像光束在微型光学器件处的波面为球面，经过各个微型光学器件后会聚形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超分辨显微镜，其特征在于，包括：沿光路依次设置的光源单元、物镜单元、阵列单元以及光电转换单元；所述光源单元用于激发待测样品中的荧光分子发光，形成荧光光斑；所述物镜单元用于放大所述荧光光斑，得到放大荧光光斑；所述阵列单元包括多个矩阵排布的微结构，且所述微结构的尺寸小于所述放大荧光光斑的尺寸。

【技术特征摘要】
1.一种超分辨显微镜，其特征在于，包括：沿光路依次设置的光源单元、物镜单元、阵列单元以及光电转换单元；所述光源单元用于激发待测样品中的荧光分子发光，形成荧光光斑；所述物镜单元用于放大所述荧光光斑，得到放大荧光光斑；所述阵列单元包括多个矩阵排布的微结构，且所述微结构的尺寸小于所述放大荧光光斑的尺寸。2.根据权利要求1所述的超分辨显微镜，其特征在于，所述阵列单元位于所述物镜单元的像焦平面位置；所述光电转换单元位于所述阵列单元的像焦平面位置。3.根据权利要求1所述的超分辨显微镜，其特征在于，所述阵列单元包括微透镜阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：张骁，骆建忠，樊科，
申请(专利权)人：中国科学院广州生物医药与健康研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44