[发明专利]一种基于并行探测的超分辨荧光寿命成像方法和装置

说明书

本发明公开一种基于并行探测的超分辨荧光寿命成像装置，包括光源，光源发出的激发光由显微物镜聚焦到样品上并收集样品发出的信号光，其中，接收信号光的探测系统包括：光纤束，内的多根光纤束同时接收到所述的信号光；探测器阵列，具有分别连接每根光纤的多个探测器，得到对应的光强信号；时间相关单光子计数器阵列，具有分别连接每个探测器并与光源脉冲同步的时间相关单光子计数器，用于计算荧光寿命并实现超分辨荧光寿命成像。本发明还公开一种基于并行探测的超分辨荧光寿命成像方法。本发明利用并行APD和并行TCSPC，不仅实现了成像分辨率的提升，还显著提高了寿命成像速度。

技术领域

本发明属于超分辨显微荧光寿命成像领域，尤其是涉及一种基于并行探测的超分辨荧光寿命成像方法和装置。

背景技术

光与物质的作用是自然界中最基础的作用过程，尤其是单个原子与单个光子的相互作用是实现光与物质作用的最普遍的元素。而在这个领域，超分辨荧光显微成像一直是生物医学研究的重点，通过对生物分子的特殊标记，荧光光学显微镜在观察亚细胞结构扮演着重要的角色。

荧光信息具有四个基本的物理维度，包括强度信息，波长信息(吸收光谱和发射光谱)，寿命信息和偏振信息。目前的超分辨显微技术主要集中利用在强度和波长上，包括利用荧光的吸收与发射谱，实现强度上的“开关”调制(STED技术，PALM/STORM技术等)，或者利用结构上的强度调制技术包括SIM技术或者饱和SIM技术。而在偏振方面，目前也有不少技术实现偏振解调，获取偏振信息从而实现分辨率的提高。除了这些之外，寿命信息是生物微结构成像方面非常重要的一个信息，荧光寿命成像是一个越来越广泛应用的光谱技术，它能够提供特定的荧光团的定位信息和荧光分子的微环境变化信息，包括许多生物物理、生物化学参数如离子浓度、PH值、氧浓度、折射率、黏性、和温度等，特别的，荧光寿命成像也能够应用于对荧光分子对的荧光共振能量转移(FRET)的探测，能够用于研究蛋白质与细胞的相互动力作用。荧光寿命成像的主要优点在于其成像结果对荧光浓度和聚焦情况并不敏感，因此不需要得到荧光强度即可获取所需的寿命信息。同时荧光寿命成像也可以与共聚焦、STED技术相结合，为生物医学研究提供新的研究手段。

目前的荧光寿命成像方式主要有两大类，一类是时域寿命成像方法，另一类是频域寿命成像方法，但两种方法的本质是相同的。频域寿命成像方法更适合对寿命分布呈多指数衰减的样品，而时间寿命成像则适用于更为灵活、大的动态范围和长寿命的样品。基于共聚焦系统和TCSPC计数装置来进行寿命测量是时域寿命成像方法的一种，它能够提供较好的寿命成像分辨率，同时能够灵活的测量各种动态范围的长短寿命样品，但是这种方法由于受到探测器和计数器死程时间的影响，对光子的探测和计数效率较低，因此成像速度很慢，这也是这种方法最大的缺点。

发明内容

本发明提供了一种基于并行探测的超分辨荧光寿命显微成像方法和装置，利用并行雪崩光电二极管(APD)阵列和并行时间相关单光子计数器(TCSPC)阵列相结合，在共聚焦点扫描的情况下，用光纤束收集荧光样品所激发出来的荧光信号，并通过光纤束中的各个光纤将荧光信号收集到各个单独的APD中，再经过TCSPC计数实现寿命信息的获取，再利用并行探测的相关算法，实现对样品的超分辨荧光寿命成像，在提高强度成像分辨率的同时，提高寿命成像的精度，实现寿命成像速率的显著提高。该种方法和装置具有成像速度快、分辨率高、装置简单、操作方便等特点，可以很好地应用于生物细胞的超分辨荧光寿命成像当中。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于并行探测的超分辨荧光寿命成像装置，包括光源、承载待测样品的扫描平台，所述光源与扫描平台之间依次设有：

用于保证激光出射偏振方向不变的保偏光纤；

用于对激光源发出的光束进行准直的准直透镜；

用于将光源发出的光束改变为纯净线偏振光的1/2波片和1/4波片，和将线偏振光转换为圆偏振光的1/4波片；