[发明专利]一种受激辐射损耗方法、超分辨成像方法及显微成像装置

说明书

本发明公开了一种受激辐射损耗方法、超分辨成像方法及显微成像装置。所述受激辐射损耗方法利用近红外光在稀土掺杂上转换纳米材料的激活剂中引起受激辐射，使涉及上转换过程的一个或多个特定能级粒子受迫跃迁至低能级，从而实现对上转换纳米材料上转换发光的高效率光控损耗。基于该受激辐射损耗方法，提出将近红外损耗光利用空间相位调制板调制为空心光束，与激发光束进行准直共轭聚焦后实现对稀土掺杂上转换纳米材料及其标记样品的超分辨成像。基于该超分辨成像方法，搭建由激发光生成模块、损耗光生成模块、偏振分光棱镜、多光子显微扫描模块和光电探测模块组成的显微成像装置，获得低成本、低复杂度、高分辨率、简便、有效的实时动态三维图像。

技术领域

本发明属于光学显微技术领域，具体涉及一种实现双近红外波长激励稀土掺杂上转换纳米材料的受激辐射发光损耗方法，以及利用上述发光损耗方法的超分辨成像方法及显微成像装置。

背景技术

在常规的光学成像过程中，根据阿贝原则，光学系统所能够达到的极限分辨率大小约为入射光波长的一半。为了提高分辨率，科学家们提出了许多种突破衍射极限的方法，统称为超分辨成像方法。其中一种重要方法就是受激辐射损耗术(Stimulated EmissionDepletion,STED)。STED超分辨显微技术需同时使用两束激光，即用于激发纳米探针发射荧光的激发光束，以及用于将激发光斑外围荧光强行淬灭的空心光束。在传统STED技术中，通过受激辐射的方法，位于激发光斑外围的染料发光能级粒子数被损耗激光大量消耗，从而达到损耗外围荧光发光，缩小光斑尺寸，提高分辨率的目的。相比较其他的超分辨成像方法，STED不仅可以达到纳米级的分辨率，并且能够实现视频速度的快速成像，因此成为了生物、医学研究中的一种重要方法。不仅如此，结合双光子激励(Two-Photon Excited,TPE)方法，TPE-STED方法将激发波长从紫外、可见波段转移到近红外波段，极大降低激光对生物组织损伤的同时，也显著地提高了成像深度。

但就目前而言，STED技术在深度组织超分辨成像中仍然面临一定的限制和挑战，主要体现在：(1)损耗激光仍然位于可见光波段，在生物组织中散射严重，在较大的深度中很难达到理想的损耗效果。(2)基于STED原理的损耗光功率较大，会对生物组织造成严重的热损伤。(3)目前常用的STED荧光发光染料普遍存在光漂白或者光闪烁的问题，达不到足够的光稳定性，不能满足长时间成像的需要。(4)成像所使用的光源为高功率飞秒光源，价格昂贵且光学系统复杂，难以推广。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种双近红外激励受激辐射损耗方法，该方法突破传统受激辐射发光损耗的局限，使用稀土掺杂上转换纳米材料作为STED纳米探针，通过对上转换过程中涉及的一个或多个能级进行受激辐射激励，实现对上转换纳米材料发光的高效率光控损耗。使用稀土掺杂上转换纳米材料作为STED纳米探针可以将发光损耗波长从可见光波段移至红外波段，从而解决了现有技术中损耗光的散射问题，打破了传统多光子STED技术的深度限制，同时，稀土掺杂上转换纳米材料无光漂白、光闪烁，可实现无限长时间的实时成像，具有传统STED染料所不具备的光稳定性。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述受激辐射损耗方法的超分辨成像方法，该方法结合了多光子超分辨技术及上转换纳米材料本身的优点，使得激发波长和损耗波长都位于近红外波段，解决了深度组织超分辨成像中损耗波长散射严重的问题，从而确保在较大深度的成像中也可以实现超分辨成像，上转换纳米材料无光漂白、光闪烁的特性为长时间稳定成像提供了保证。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述超分辨成像方法的显微成像装置，该装置中的激发光和损耗光都可用连续光激光器，具有成本低的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种受激辐射损耗方法，包括以下步骤：

(1)利用近红外激发光激发稀土掺杂上转换纳米材料产生上转换发光；所述稀土掺杂上转换纳米材料中的稀土离子按照功能不同分为敏化剂、激活剂；