用于高对比度蛋白质晶体成像的便携式紫外全息显微镜制造技术

紫外全息成像装置提供了一种低成本、便携式且稳健的技术来成像和区分蛋白质晶体和盐晶体而无需任何昂贵且笨重的光学组件。这种“片上”装置使用UV LED和消费级CMOS图像传感器，该UV LED和消费级CMOS图像传感器被去盖并且接口连接到处理器或微控制器，来自被放置在非常靠近传感器有源区域的晶体样本的信息以同轴全息图的形式被捕获并且通过数字反向传播被提取。在这些全息振幅和/或相位重构中，与盐晶体不同，由于强紫外吸收，蛋白质晶体与背景相比显得显著更暗，使得人们能够清楚地区分蛋白质和盐晶体。片上紫外全息显微镜用作蛋白质晶体学中使用的常规基于透镜的紫外显微镜的低成本、灵敏且稳健的替代品。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高对比度蛋白质晶体成像的便携式紫外全息显微镜相关申请本申请要求2018年12月4日提交的美国临时专利申请第62/775,005号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。根据35U.S.C.§119和任何其他适用法规要求优先权。

通常涉及全息显微镜装置和方法。更具体地，
涉及用于对晶体成像的紫外(UV)全息显微镜装置。紫外全息显微镜装置使用户能够区分蛋白质晶体和盐晶体。
技术介绍
蛋白质晶体学家依靠由明场和紫外(UV)诱导荧光模式组成的双模光学显微镜对蛋白质晶体成像，并将其与结晶过程期间可能形成的盐晶体区分开。这种区别主要基于对紫外照射的响应，其中，与大多数盐晶体不同，大多数蛋白质晶体吸收紫外光并通过色氨酸残基发出荧光。除了紫外荧光之外，有机材料内的紫外光的强吸收已经用作组织样本、细胞、细胞内核酸和蛋白质、病毒和蛋白质聚集体成像的固有造影剂，使得紫外显微镜成为研究人员的重要工具。然而，常规基于透镜的紫外显微镜是一种相对昂贵的成像方式，除了用于明场成像的紫外光源和紫外敏感相机之外，还需要使用为紫外波长专门设计的相对笨重的光学组件，这增加了显著的成本(例如，$35,000-$200,000)。参见例如Gilleta1.，Evaluatingtheefficacyoftryptophanfluorescenceandabsorbanceasaselectiontoolforidentifyingproteincrystals，ActaCrystallograph.Sect.FStruct.Biol.Cryst.Commun，66，364-372(2010)。此外，基于透镜的显微镜的固有限制也适用于常规紫外显微镜，其中，视场(FOV)与分辨率之间的权衡限制了可以成像的总样本区域。因此，常规基于紫外的显微镜不仅笨重且昂贵，而且这些显微镜通常仅能够对相对大的FOV成像。这可能需要在相当大的区域上扫描样本，这可能是耗时且费力的。因此，需要解决这些挑战的替代的基于紫外的显微镜。
技术实现思路
在一个实施例中，提供了一种便携式全息成像平台或系统。该平台或系统包括小型便携式全息成像装置，该全息成像装置包括壳体或外壳，该壳体或外壳包含沿着光路发射光的发射紫外(UV)光的一个或多个光源。紫外带通滤光器可选地沿着光路设置在壳体或外壳中以阻挡边带并使基本上纯的紫外光朝向样本。在一个实施例中，光具有约280nm的波长和约10nm的带宽。图像传感器(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器)沿着光路位于壳体或外壳内，并且用于捕获包含在样本保持器中的晶体的原始同轴全息图像，样本保持器插入壳体或外壳中以沿着光路放置样本。样本保持器通常被放置得非常靠近图像传感器(例如，距离图像传感器有源表面几十到几百微米)，而一个或多个光源定位为距离样本保持器更远(例如，几厘米)。从目标晶体散射的光与背景照明之间的干涉产生由图像传感器数字化/记录的同轴全息图。便携式成像装置包括计算装置、数字电路和/或微控制器，该计算装置、数字电路和/或微控制器被配置为控制一个或多个光源，并且在一些实施例中，接收从图像传感器获得的样本的一个或多个图像。在一些实施例中，多个光源可以用于合成或生成晶体的像素超分辨全息图像，该像素超分辨全息图像与当依次激活单个光源时由图像传感器获得的单个较低分辨率图像相比具有更高的空间分辨率、更高的对比度和/或更高的信噪比。然后，由图像传感器获取或获得的图像由在计算装置上执行的图像处理软件进行处理，以将包含晶体的样本的图像数字反向传播到样本的对应的振幅和/或相位图像。在一些实施例中，执行图像处理软件的计算装置可以是便携式成像装置的一部分。在其他实施例中，执行图像处理软件的计算装置可以与便携式成像装置分离，并且经由有线或无线连接连接到便携式成像装置。例如，用便携式全息成像装置获得的图像可以被传送到诸如个人计算机、膝上型计算机、平板电脑、服务器、虚拟服务器等的计算机进行处理。样本中存在的基于蛋白质的晶体呈现深色，而其他非蛋白质晶体(诸如，基于盐的晶体)不呈现相同的深色外观。蛋白质晶体表现出的显著较大的对比度用于识别和区分蛋白质晶体和非蛋白质晶体。样本和晶体的振幅和/或相位图像可以在显示器上呈现给用户以供查看和/或分析。在一些实施例中，图像处理软件可以自动识别样本中的那些晶体，其为蛋白质晶体。这可以通过将成像晶体的相对对比度与阈值进行比较来完成。例如，表现出高于某一水平的紫外对比度的晶体可以被表征为蛋白质晶体。图像处理软件还可以计数或量化样本中蛋白质晶体的数量和/或浓度。由装置捕获的图像具有仅受图像传感器的有源区域限制的大FOV(例如，＞10mm2)。在一个实施例中，对包含晶体的样本成像的方法包括提供便携式全息显微镜的操作，该便携式全息显微镜包括发射紫外(UV)光的一个或多个光源、可选的紫外带通滤波器、图像传感器和可操作地与图像传感器通信的微控制器或机载处理器。将包含晶体的样本插入便携式全息显微镜中，并且用来自一个或多个光源的过滤光(例如，当使用滤波器时)照射样本。用图像传感器捕获包含晶体的样本的一个或多个原始全息图像。在一个特定实施例中，仅获得单个原始全息图像(例如，单次拍摄操作模式)。使用利用计算装置执行的图像处理软件对一个或多个原始全息图像进行数字反向传播以获得样本的一个或多个振幅和/或相位图像。样本的一个或多个振幅和/或相位图像可以呈现给用户以供查看和/或分析。在另一实施例中，便携式全息显微镜包括包含发射紫外(UV)光的一个或多个光源、可选的紫外带通滤波器、被配置为保持或接收其中包含晶体的样本的样本保持器以及图像传感器的便携式壳体或外壳。便携式全息显微镜包括处理器和/或微控制器，其被配置为控制一个或多个光源并且接收从图像传感器获得的样本的一个或多个图像。在另一实施例中，便携式全息显微镜系统包括便携式壳体或外壳，该便携式壳体或外壳具有在壳体内沿着光轴发射紫外(UV)光的一个或多个光源。可选的紫外带通滤波器沿着光轴设置在壳体内。图像传感器沿着光轴设置在壳体内。便携式全息显微镜包括处理器和/或微控制器，其被配置为控制一个或多个光源并且接收从图像传感器获得的样本的一个或多个图像。样本保持器被配置为保持或接收其中包含晶体的样本并且可插入到壳体中以沿着光轴并邻近图像传感器定位样本保持器。样本保持器可以是壳体或外壳的一部分，或者可以是可插入壳体或外壳的单独组件或装置。该系统包括与便携式壳体的处理器或微控制器通信的单独计算装置，该单独计算装置具有在其上执行的图像处理软件，该图像处理软件被配置为将包含晶体的样本的一个或多个图像反向传播到样本的对应的一个或多个振幅和/或相位图像。然后，样本的一个或多个振幅和/或相位图像可以在单独计算装置的显示器或另一显示器(例如，便携式电子装置或其他计算装置的显示器)上显示给用户。附图说明图1示出了包括便携式全息显微镜装置的系统，该便携式全息显微镜装置用于获得和/或获取其中包含晶体的样本的一个或多个原始全息图像，然后对这些图像进行图像处理(例如，反向传播)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对包含晶体的样本成像的方法，包括：/n提供便携式全息显微镜，所述便携式全息显微镜包括发射紫外(UV)光的一个或多个光源、紫外带通滤波器、图像传感器和能操作地与所述图像传感器通信的微控制器或机载处理器；/n将包含晶体的样本插入所述便携式全息显微镜中，并且用来自所述一个或多个光源的过滤光照射所述样本；/n用所述图像传感器捕获包含晶体的所述样本的一个或多个原始全息图像；并且/n使用利用计算装置执行的图像处理软件对所述一个或多个原始全息图像进行数字反向传播以获得所述样本的一个或多个振幅和/或相位图像。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181204 US 62/775,0051.一种对包含晶体的样本成像的方法，包括：
提供便携式全息显微镜，所述便携式全息显微镜包括发射紫外(UV)光的一个或多个光源、紫外带通滤波器、图像传感器和能操作地与所述图像传感器通信的微控制器或机载处理器；
将包含晶体的样本插入所述便携式全息显微镜中，并且用来自所述一个或多个光源的过滤光照射所述样本；
用所述图像传感器捕获包含晶体的所述样本的一个或多个原始全息图像；并且
使用利用计算装置执行的图像处理软件对所述一个或多个原始全息图像进行数字反向传播以获得所述样本的一个或多个振幅和/或相位图像。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一些晶体包括蛋白质晶体。


3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述样本包括蛋白质晶体和盐晶体的混合物。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个原始全息图像临时存储在所述微控制器或所述机载处理器上，并且被传送到包含所述图像处理软件的第二计算装置。


5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述图像传感器包括颜色图像传感器。


6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述图像传感器包括单色图像传感器。


7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个光源包括一个或多个紫外发光二极管(LED)。


8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述样本包含在插入到所述便携式全息显微镜中的单独的光学透明样本保持器中。


9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述样本保持器限定用于保持包含所述晶体的液体样本的三维体积。


10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述样本的所述一个或多个振幅和/或相位图像显示在与机载计算装置或单独的计算装置相关联的显示器上。


11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微控制器或所述机载处理器执行所述图像处理软件。


12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述图像处理软件被配置为至少部分地基于在所述一个或多个振幅和/或相位图像中识别的晶体的测量对比度来识别蛋白质晶体和非蛋白质晶体。


13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述图像处理软件被配置为基于在所述一个或多个振幅和/或相位图像中识别的晶体的所述测量对比度是否超过阈值来识别蛋白质晶体。


14.根据权利要求1所述的方法，其中，使用角谱方法或菲涅耳传播方法来执行所述数字反向传播。


15.根据权利要求1所述的方法，其中，依次照射多个光源以获得对应的子像素移位的原始全息图像，所述原始全息图像经受像素超分辨率处理以用所述图像处理软件生成具有更高空间分辨率、更高对比度和/或更高信噪比中的一个或多个的一个或多个全息图像。


16.一种便携式全息显微镜，包括：
便携式壳体，包含：
发射紫外(UV)光的一个或多个光源；
紫外带通滤波器；
样本保持器，被配置为保持或接收其中包含晶体的样本；
图像传感器；以及
处理器和/或微控制器，被...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿伊多根·奥兹坎，阿尼鲁达·拉伊，穆斯塔法·达尔奥卢，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US