一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统及方法。目的在于克服传统单分子荧光成像无法体现单分子量子相干超快动力学特性的缺点。本发明专利技术中的超快动力学成像系统包括单分子相干态的制备与调控系统、飞秒激光延迟锁定系统、单分子激发与荧光探测系统和超快动力学成像数据提取与处理系统；本发明专利技术通过监测合束激光的自干涉强度，利用差分放大器与压电陶瓷实现两束激光相对延迟的锁定；通过电光调制晶体周期性改变两束激光的相对相位，实现单分子激发态布居几率的调制；通过计算相干因子，实现基于单分子量子相干的超快动力学成像。通过本发明专利技术可获得整个研究系统的超快退相干行为，并进一步阐明环境对单分子超快退相干行为的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统及方法
本专利技术属于量子光学与医学交叉
，具体涉及一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统及方法。
技术介绍
光学相干层析成像(OpticalCoherenceTomography，简称OCT)技术具有不接触、无损伤、成像清晰等优点，已经广泛用于临床医学诊断。比如，光学相干断层扫描可用于软组织早期癌变诊断和脑部手术介导；扩散光断层扫描已成为乳腺癌筛查、脑成像、软组织内窥的重要手段之一。相比于这些方法，单分子荧光成像具有更高的空间分辨率、生物兼容性和操作便捷性等特点，可用于研究亚细胞水平的生命活动过程，探测飞秒量级的超快动力学行为，实现单分子量级的高灵敏传感，因此在肿瘤诊断、蛋白质检测、重金属离子检测、新型药物研发等方面得到越来越多的应用。传统的单分子荧光成像是通过收集聚焦区域内标记荧光分子在一定时间(通常为毫秒量级)内发射出的光子数来实现成像；故而该方法只能反映单分子平均运动动态(毫秒以上)的行为，无法测量生命活动过程对单分子超快动力学行为的影响。特别是，近期研究表明，生命活动过程(如癌变、细胞凋亡)会显著改变标记单分子的超快退相干行为。因此亟需一种新的方法，通过探测单分子的超快退相干行为，从更深层次来理解这些生命活动过程，并为癌变诊断、健康监测等提供新的手段。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服传统单分子荧光成像无法体现单分子量子相干超快动力学行为的缺点，提出一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统及方法，利用飞秒超快激光与单分子相互作用的量子相干效应，实现亚细胞水平的超快动力学成像。本专利技术采用的技术方案是：一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统，它包括单分子相干态的制备与调控系统、飞秒激光延迟锁定系统、单分子激发与荧光探测系统和超快动力学成像数据提取与处理系统；所述单分子相干态的制备与调控系统包括飞秒激光器、起偏器、反射镜、等比分束镜、电光调制晶体、电光调制晶体控制器、第一角隅棱镜式反射镜和第二角隅棱镜式反射镜；所述飞秒激光器用于制备单分子相干态，激发单分子并获得荧光；所述起偏器设在飞秒激光器的出射光路上，所述反射镜设在起偏器的出射光路上，所述等比分束镜设在反射镜的反射光路上，并形成光强相等的透射激光和反射激光；所述第一角隅棱镜式反射镜位于透射激光的光路上；所述电光调制晶体和第二角隅棱镜式反射镜依次位于反射激光的光路上；透射激光和反射激光分别进入两个角隅棱镜式反射镜经其反射后再次回到等比分束镜，并在等比分束镜处进行合束，形成合束激光；所述电光调制晶体控制器用于对电光调制晶体施加具有特定波形和周期的电压，改变透射激光和反射激光的相对相位所述飞秒激光延迟锁定系统包括压电陶瓷、不等比分束镜、高速光电探测器、差分放大器及压电陶瓷控制器；所述压电陶瓷固定在第一角隅棱镜式反射镜的背面，所述不等比分束镜设在合束激光的入射光路上，所述高速光电探测器设在不等比分束镜的反射光路上，所述高速光电探测器的信号输出端与所述差分放大器的信号输入端连接，所述差分放大器的信号输出端与压电陶瓷控制器的信号输入端连接，所述压电陶瓷控制器的信号输出端与压电陶瓷的信号输入端连接；所述单分子激发与荧光探测系统包括二向色镜、物镜、被测单分子样品、滤色片组合、偏振分束器、第一时间分辨相机和第二时间分辨相机；所述二向色镜设在不等比分束镜的透射光路上，所述物镜设在二向色镜的反射光路上，所述被测单分子样品设在物镜的出射光路上，被测单分子样品被激发后产生的单分子荧光进入物镜及二向色镜然后进入所述滤色片组合，经滤色片组合滤波后进入偏振分束器分束，形成具有水平和垂直的荧光光强，分别被第一时间分辨相机和第二时间分辨相机探测；所述超快动力学成像数据提取与处理系统由电脑以及设在电脑中的数据处理程序组成，所述电脑的信号输入端分别与飞秒激光器、第一时间分辨相机以及第二时间分辨相机的信号输出端连接；所述电脑的信号输出端与差分放大器的信号输入端连接。进一步地，所述飞秒激光器的中心波长为625nm，脉冲宽度为150fs，重复频率为80MHz。进一步地，所述不等比分束镜对飞秒激光光强的分配比例为1：9，其中1/10激光被反射，9/10激光被透射。进一步地，所述电光调制晶体控制器对电光调制晶体施加锯齿波波形的电压，相位调节范围为0-2π，调制频率设为1kHz。进一步地，所述被测单分子样品为旋涂在玻片上的裸单分子或标记在生物体中的荧光分子。进一步地，所述压电陶瓷用于改变透射激光的光程，进而改变透射激光与反射激光的相对延迟ΔT。进一步地，所述滤色片组合为陷波滤波片和长通荧光滤波片的组合，陷波滤波片和长通荧光滤色片依次放置在二向色镜与偏振分束器之间，所述陷波滤色片中心波长为625nm，半高全宽为10nm；所述长通荧光滤波片的截至波长为635nm。进一步地，所述超快动力学成像数据提取与处理系统中的数据处理过程包括：1)选定相对延迟ΔT与积分时间T；2)对第一时间分辨相机和第二时间分辨相机上每个像素在积分时间T内所收集到的荧光光子进行求和，获得荧光强度，分别为和3)对第一时间分辨相机和第二时间分辨相机在积分时间T内，每个荧光光子的到达时间进行快速傅立叶变换，获得调制频率处的调制强度和本专利技术还提供一种单分子量子相干的超快动力学成像方法，包括以下步骤：1)激光相对延迟零点校准：打开飞秒激光器，飞秒激光器产生的激光依次经起偏器、反射镜及等比分束镜，形成光强完全相等的透射激光和反射激光；压电陶瓷控制器输出锯齿波电压，连续改变透射激光的光程，通过高速光电探测器监测干涉光强，当干涉光强达到最大值时，透射激光与反射激光的相对延迟ΔT为零；固定压电陶瓷控制器零点电压；2)改变压电陶瓷控制器的输出电压，将透射激光与反射激光相对延迟固定为ΔT1，通过飞秒激光延迟锁定系统锁定该延迟；3)电光调制晶体控制器输出锯齿波电压至电光调制晶体，周期性改变透射激光与反射激光的相对相位周期性调制单分子激发态布居几率；4)将标记了荧光分子的被测单分子样品固定在物镜下，调整物镜的位置实现聚焦；5)使用合束激光激发被测单分子样品并获得单分子荧光，通过第一时间分辨相机和第二时间分辨相机采集单分子荧光；6)根据公式(一)计算获得每个像素点的相干因子ζxy，实现相对延迟ΔT1下的超快动力学成像；每个像素点的相干因子ζxy可通过下式计算：公式(一)中，x和y是最终超快动力学成像像素点的序号，下标1，2分别表示第一时间分辨相机和第二时间分辨相机；x1，y1和x2，y2分别表示第一时间分辨相机和第二时间分辨相机像素在x和y两个方向上的序号；7)改变压电陶瓷控制器的输出电压，将透射激光与反射激光相对延迟固定为ΔT2，重复步骤3)-6)，获得该延迟下的超快动力学成像；8)重复步骤2)-7)，分析成像图中每个像素点调制强度随一系列相对延迟的变化行为，可以获得每个单分子的超快本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统，其特征在于，它包括单分子相干态的制备与调控系统(101)、飞秒激光延迟锁定系统(102)、单分子激发与荧光探测系统(103)和超快动力学成像数据提取与处理系统(104)；/n所述单分子相干态的制备与调控系统(101)包括飞秒激光器(105)、起偏器(106)、反射镜(107)、等比分束镜(108)、电光调制晶体(112)、电光调制晶体控制器(113)、第一角隅棱镜式反射镜(110)和第二角隅棱镜式反射镜(114)；所述飞秒激光器(105)用于制备单分子相干态，激发单分子并获得荧光；所述起偏器(106)设在飞秒激光器(105)的出射光路上，所述反射镜(107)设在起偏器(106)的出射光路上，所述等比分束镜(108)设在反射镜(107)的反射光路上，并形成光强相等的透射激光(109)和反射激光(111)；所述第一角隅棱镜式反射镜(110)位于透射激光(109)的光路上；所述电光调制晶体(112)和第二角隅棱镜式反射镜(114)依次位于反射激光(111)的光路上；透射激光(109)和反射激光(111)分别进入两个角隅棱镜式反射镜(110、114)经其反射后再次回到等比分束镜(108)，并在等比分束镜(108)处进行合束，形成合束激光(115)；所述电光调制晶体控制器(113)用于对电光调制晶体(112)施加具有特定波形和周期的电压，改变透射激光(109)和反射激光(111)的相对相位...

【技术特征摘要】
1.一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统，其特征在于，它包括单分子相干态的制备与调控系统(101)、飞秒激光延迟锁定系统(102)、单分子激发与荧光探测系统(103)和超快动力学成像数据提取与处理系统(104)；
所述单分子相干态的制备与调控系统(101)包括飞秒激光器(105)、起偏器(106)、反射镜(107)、等比分束镜(108)、电光调制晶体(112)、电光调制晶体控制器(113)、第一角隅棱镜式反射镜(110)和第二角隅棱镜式反射镜(114)；所述飞秒激光器(105)用于制备单分子相干态，激发单分子并获得荧光；所述起偏器(106)设在飞秒激光器(105)的出射光路上，所述反射镜(107)设在起偏器(106)的出射光路上，所述等比分束镜(108)设在反射镜(107)的反射光路上，并形成光强相等的透射激光(109)和反射激光(111)；所述第一角隅棱镜式反射镜(110)位于透射激光(109)的光路上；所述电光调制晶体(112)和第二角隅棱镜式反射镜(114)依次位于反射激光(111)的光路上；透射激光(109)和反射激光(111)分别进入两个角隅棱镜式反射镜(110、114)经其反射后再次回到等比分束镜(108)，并在等比分束镜(108)处进行合束，形成合束激光(115)；所述电光调制晶体控制器(113)用于对电光调制晶体(112)施加具有特定波形和周期的电压，改变透射激光(109)和反射激光(111)的相对相位
所述飞秒激光延迟锁定系统(102)包括压电陶瓷(116)、不等比分束镜(117)、高速光电探测器(118)、差分放大器(119)及压电陶瓷控制器(120)；
所述压电陶瓷(116)固定在第一角隅棱镜式反射镜(110)的背面，所述不等比分束镜(117)设在合束激光(115)的入射光路上，所述高速光电探测器(118)设在不等比分束镜(117)的反射光路上，所述高速光电探测器(118)的信号输出端与所述差分放大器(119)的信号输入端连接，所述差分放大器(119)的信号输出端与压电陶瓷控制器(120)的信号输入端连接，所述压电陶瓷控制器(120)的信号输出端与压电陶瓷(116)的信号输入端连接；
所述单分子激发与荧光探测系统(103)包括二向色镜(121)、物镜(122)、被测单分子样品(123)、滤色片组合(125)、偏振分束器(126)、第一时间分辨相机(127)和第二时间分辨相机(128)；所述二向色镜(121)设在不等比分束镜(117)的透射光路上，所述物镜(122)设在二向色镜(121)的反射光路上，所述被测单分子样品(123)设在物镜(122)的出射光路上，被测单分子样品(123)被激发后产生的单分子荧光(124)进入物镜(122)及二向色镜(121)然后进入所述滤色片组合(125)，经滤色片组合(125)滤波后进入偏振分束器(126)分束，形成具有水平和垂直的荧光光强，分别被第一时间分辨相机(127)和第二时间分辨相机(128)探测；
所述超快动力学成像数据提取与处理系统(104)由电脑(129)以及设在电脑(129)中的数据处理程序组成，所述电脑(129)的信号输入端分别与飞秒激光器(105)、第一时间分辨相机(127)以及第二时间分辨相机(128)的信号输出端连接；所述电脑(129)的信号输出端与差分放大器(119)的信号输入端连接。


2.根据权利要求1所述的一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统，其特征在于：所述飞秒激光器(105)的中心波长为625nm，脉冲宽度为150fs，重复频率为80MHz。


3.根据权利要求1所述的一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统，其特征在于：所述不等比分束镜(117)对飞秒激光光强的分配比例为1：9，其中1/10激光被反射，9/10激光被透射。


4.根据权利要求1所述的一种基于单分子...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦成兵，陈瑞云，胡建勇，韩双萍，李耀，张国峰，景明勇，肖连团，贾锁堂，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西;14