基于二维光学晶格的高分辨率CARS显微成像系统技术方案

本发明专利技术提供的是一种基于二维光学晶格的高分辨率相干反斯托克斯拉曼散射(coherentanti

【技术实现步骤摘要】
基于二维光学晶格的高分辨率CARS显微成像系统


[0001]本专利技术涉及的是基于二维光学晶格的高分辨率CARS显微成像系统，实现不引入外源物质的非侵入、无损伤的多焦点光源的快速生物分子成像，属于生物光子学领域。

技术介绍

[0002]21世纪是生命科学的世纪。细胞是生命结构和功能的基本单位，对细胞的深入研究是揭示生命现象奥秘、改造生命和征服疾病的关键。目前，生命科学研究的热点之一是在分子水平上阐明单细胞的基本活动规律，这就要求对细胞内种类繁多的生物分子的物理、化学性质及其功能开展系统深入的研究。
[0003]随着对活体单细胞研究的深入，要求我们以展开生命活动的大环境活细胞作为“试管”，在尽量避免影响活细胞自身性质及其所处微环境的条件下，快速准确地识别单细胞内种类繁多的生物分子，并对其进行精确的定量分析，获取其物理、化学特性和功能信息。因此，研究和发展一种在无需引入外源性标记物的条件下，快速获取活细胞内生物分子的空间分布信息和功能信息，在分子水平上对单细胞的生命活动进行实时、原位、动态检测的光谱分析和显微成像技术，对于研究单细胞的生命活动过程，外界环境对细胞内生物分子的性质、功能和作用的影响，进而探寻生物分子在细胞生命活动过程中的性质、功能及其相互作用动态过程等方面具有重要意义。
[0004]在远场荧光显微成像技术方面，已经探索实现了多种突破光学衍射极限的远场超分辨荧光显微成像方法。其中，受激发射损耗(Stimulated Emission Depletion，STED)显微镜和荧光饱和结构照明显微镜(Structured Illumination Microscopy，SIM)等方法在提高荧光显微成像的空间分辨率方面取得了显著的成功，获得了数十纳米以下的空间分辨率。
[0005]然而，上述技术在很大程度上依赖于专门设计的外源荧光标记的特性荧光分子通常是外源性的，因此必然会影响细胞内生物分子的运动和代谢过程，从而直接影响细胞的自身性质和生命活动，甚至会产生光致毒性和光致漂白。
[0006]CARS显微成像技术是一种基于待测样品分子固有的振动指纹光谱提供成像对比度的非侵入、无损伤的无标记显微成像技术，具有高灵敏度和时间分辨率等优点。目前，CARS显微成像技术已成为生物学、医学和材料科学等众多研究领域中广泛使用的非标记显微成像工具之一，广泛应用于活体细胞和生物组织显微成像研究工作中。然而，由于CARS显微成像技术空间分辨率仍在远场光学显微镜光学衍射极限范围内，因此进一步提高CARS显微成像技术空间分辨率的需求不断增长。与依赖于专门设计的荧光团特性的超分辨荧光显微成像技术的机理不同，对于实现基于CARS光谱的非标记超分辨显微成像技术提出了全新的挑战。
[0007]国内外众多研究团队在提高CARS显微镜空间分辨率方面开展了深入的理论和实验研究工作，并创造性地提出了多种设计方案。这些设计方案还有不足之处，例如：基于能级耗尽原理，在CARS非线性光学过程中引入开关机制。但大多数相关研究工作还停留在理
论研究和数值模拟阶段，尚未得到实验验证的证实。
[0008]本专利技术在已有的CARS光谱探测和显微成像技术，以及荧光显微成像技术的理论和实验研究的基础上，提出基于多矢量光场相干叠加调控机制，在物镜视场范围内形成周期排列的，高密度、高强度和激发体积突破光学衍射极限的光学晶胞光场所构成的二维光学晶格作为多焦点激发光源。在各焦点处激发细胞内的特定生物分子产生CARS光谱信号，提供化学特异性和成像对比度。通过多焦点扫描方式，实现在无需引入外源性标记物的前提下，以非侵入、无损伤的方式快速准确地识别细胞内部的生物分子，实时原位获取其二维分布图像信息的，具有二维高分辨率的多焦点扫描超分辨CARS显微成像系统。

技术实现思路

[0009]一种基于二维光学晶格光场，以非侵入、无损伤的方式获取高分辨率的多焦点快速扫描成像的CARS显微成像系统。
[0010]本专利技术的目的是这样实现的：
[0011]它所述系统中可调谐皮秒激光器1、2和3分别发出特定波长的斯托克斯光、探测光和泵浦光。探测光经过1/2波片4后和一维微位移台6后与经由1/2波片5的泵浦光在合束镜7合为一束光。合束后的激光通过透镜8、9，经偏振分光棱镜10和1/4波片11进入空间光调制器12，空间光调制器12生成特定的光束经过掩膜板13，通过扩束整形系统14进入到物镜15，照射到三维纳米载物台16。斯托克斯光经过扩束整形系统17经过双色镜19进入物镜18，从而照射到三维纳米载物台16。最终在三维纳米载物台16上产生的CARS信号从物镜18出发通过双色镜19和短波通滤光片20被EMCCD相机21接收，并传回计算机22，由计算机22给出测量结果。
[0012]光学晶格光场是由不同角度入射的多个矢量光场，在同一区域内相干叠加产生的周期性排列的光学晶胞光场所构成的。探测光和泵浦光在待测样品焦平面内分别形成不同对称性、周期和横纵比的二维光学晶格，并使其满足相位匹配。在空间中，入射矢量光场的波矢和强度分别对光学晶格光场的形成产生不同的影响。在凝聚态物理中，倒易晶格的倒易原始矢量和波矢的关系可以表示为：b
n
＝k0‑
k
n
,n＝1,
…
,D (1)
[0013]根据上述内容，可以通过控制叠加光场的数量和波矢方向产生想要得到的满足相位匹配的二维光学晶格。先定义直接晶格的原始晶胞波矢a
n
，令A＝[a1,
…
,a
D
]。且倒易晶格的原始晶胞波矢b
n
，令B＝[b1,
…
,b
D
]。由b'
i
·
a
j
＝2πδ
ij
(即下标相同右侧等于2π，否则右侧结果为0，其中b'
i
即为倒易向量)可以得到：k0＝A
·
β/4π (2)根据公式(1)和(2)可以得到波矢集{k
n
}，它包含了晶格的方向和周期性的信息。结合上面所述，根据设计的需求选择不同的晶胞形状的直接原始晶胞矢量a
n
和波矢k
n
来生成满足相位匹配的二维光学晶格。
[0014]CARS信号的产生来源于系统使用波长可调谐皮秒激光器1、2和3输出特定中心频率的近红外波长激光脉冲分别作为全场照明的斯托克斯光、二维光学晶格形式的探测光和泵浦光。通过调节激光器输出的中心波长，即可实现能量守恒条件。激光光束在大数值孔径物镜15的后焦平面内的特定位置处入射，通过物镜15以不同角度在视场范围内的待测样品
中相干叠加形成不同类型的满足相位匹配的二维光学晶格多焦点激发光源。作为斯托克斯光的近红外波长激光脉冲经扩束整形系统17，在另一个大数值孔径的物镜18的后焦平面成像，在物镜18的整个视场范围内形成全场照明。二维晶格光场叠加形成的多焦点激发光源与全场照明的斯托克斯光形成生成CARS信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维光学晶格的高分辨率相干反斯托克斯拉曼散射(coherentanti
‑
StokesRamanscattering,CARS)显微成像系统。其特征是：该系统是由二维光学晶格光场调控系统、CARS信号采集系统和非共振背景信号消除系统组成。系统由可调谐皮秒激光器1、2、3；1/2波片4、5；一维微位移台6；合束镜7；透镜8、9；偏振分光棱镜10；1/4波片11；空间光调制器12；掩膜板13；扩束整形系统14、17；物镜15、18；三维纳米载物台16；双色镜19；短波通滤光片20；EMCCD相机21和计算机22组成。所述系统中可调谐皮秒激光器1、2和3分别发出特定波长的斯托克斯光、探测光和泵浦光。探测光经过1/2波片4后和一维微位移台6后与经由1/2波片5的泵浦光在合束镜7合为一束光。合束后的激光通过透镜8、9，经偏振分光棱镜10和1/4波片11进入空间光调制器12，空间光调制器12生成特定的光束经过掩膜板13，通过扩束整形系统14进入到物镜15，照射到三维纳米载物台16。斯托克斯光经过扩束整形系统17经过双色镜19进入物镜18，照射到三维纳米载物台16。最终在三维纳米载物台16上产生的CARS信号从物镜18出发通过双色镜19和短波通滤光片20被EMCCD相机21接收，并传回计算机22，由计算机22给出测量结果。2.根据权利要求1所述的二维光学晶格光场调控系统。其特征是：可调谐皮秒激光器2和3分别发出特定波长的探测光和泵浦光。探测光和泵浦光分别经由1/2波片4和5后获得特定的偏振光束。探测光经由一维微位移台6后与泵浦光经过合束镜7合为一束光。合束后的激光通过透镜8、9，经偏振分光棱镜10和1/4波片11...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹君，侯浩一，于凌尧，陈科，卢海欣，田家维，闫克松，苑立波，
申请(专利权)人：南宁桂电电子科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：