[发明专利]基于光场多维信息融合显微超分辨成像装置和成像方法

说明书

一种基于光场多维信息融合显微超分辨成像装置和成像方法，装置包括多色荧光显微成像系统及单次曝光光谱成像系统，所述的多色荧光显微成像系统包括N台不同波长的激光器、N个二向色滤波片、多通道窄带滤波片、供样品放置的三维纳米平台、显微物镜、二向色片、多通道滤波片和套筒镜头；所述的单次曝光光谱成像系统依次包括空间随机相位调制器、中继放大成像系统和光电探测器。本发明可单次曝光探测获取生物活细胞超精细结构，成像速度快，对激发光功率密度要求不高，可以应用于活体细胞实时超分辨成像。为生物医学研究提供更加有意义的原始数据。

技术领域

本发明涉及荧光显微超分辨成像，特别是一种基于光场多维信息融合显微超分辨成像装置和成像方法。

背景技术

在光学显微成像中，衍射极限分辨率由显微物镜的数值孔径和入射光波长决定，并且是一个客观存在，无法超越理论极限分辨率。目前显微超分辨技术可分为三类：

1、基于单分子定位的稀疏重构技术，代表技术有光激活定位显微(PALM),随机光学重建显微(STORM)和荧光激活定位显微(FPALM)；

2、基于点扩展函数工程，是一种扫描成像系统的空域处理技术，代表技术有受激辐射损耗(STED)；

3、基于频域处理技术，代表技术有结构光照明显微(SIM)及饱和SIM(SSIM)。

目前这三类方法有各自局限，STORM和PALM等宽场成像技术，其定位精度可达20nm，但是重构一幅超分辨率图像需要采集上万张原始图像，成像速度受限，无法应用于活细胞成像。STED技术的分辨率由擦除光功率密度与饱和光功率密度的比值决定，其成像速度取决于扫描速度，与普通的共聚焦显微的成像速度接近，可以应用于小视场的活细胞成像，然而，STED光功率密度相比STORM光功率密度要高4—6个数量级,因此对活细胞的光毒性和光损伤不能忽略,且高功率STED光在实现荧光擦除的同时也加剧了荧光分子的光漂白,这些都限制了STED在活细胞成像中的应用。由于成像原理的限制SIM只能将分辨率提高一倍,即最高100nm左右；SSIM技术可以将分辨率提高到可与STORM/PALM或STED相比拟的几十纳米水平,但饱和激发所需的高功率密度却使其失去了活细胞成像的优势。

显微超分辨技术将荧光显微成像的分辨率提高了近一个数量级,其取得的巨大发展为生物医学研究提供了强有力的工具；然而作为一种新兴技术,显微超分辨技术在实际应用于生物医学研究时仍面临着许多亟待解决的问题,尤其是当研究对象是活的、具有一定厚度的、成分和结构复杂的细胞、组织等生物样品时。因此,除了进一步提高分辨率,如何实现显微超分辨的多色成像、厚样品三维成像、活细胞快速成像等也是目前显微超分辨领域的研究重点,这些问题的研究和解决将使显微超分辨技术未来有可能为生物医学研究提供更有意义的活细胞实时超分辨图像和数据。

最近将压缩感知理论应用于成像中，可以在信号获取阶段，进行压缩采样，然后利用目标信号的稀疏先验，采用优化算法从压缩采样信号中反演出目标信号。美国Duke大学的Brady小组将压缩感知与光谱成像结合，首次实现了基于幅度掩膜板的准单次曝光压缩光谱成像。它在系统第一成像面处加入二元振幅掩膜板对目标的像进行调制，将调制后的像通过一个分光棱镜后成像于第二成像面上，通过面阵探测器对第二成像面进行探测。在该成像光谱仪中，需要移动振幅掩膜板实现高空间分辨和光谱分辨成像。中科院上海光机所的韩生申研究组提出了基于随机波前相位调制器的压缩光谱成像系统。该系统采用随机波前相位调制器对光场进行随机波前相位调制，它对包含物体二维空间图像信息和一维光谱信息的数据在互不相关的随机测量下进行投影测量，实现压缩采集三维空间图像数据。可以实现单次曝光下获取目标空间光谱三维图像。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种一种基于光场多维信息融合显微超分辨成像装置和成像方法，该装置可单次曝光探测获取生物活细胞超精细结构，成像速度快，对激发光功率密度要求不高，可以应用于活体细胞实时超分辨成像。为生物医学研究提供更加有意义的原始数据。

本发明的技术解决方案如下：