[实用新型]一种超分辨成像系统

说明书

技术领域

本实用新型属于光学显微成像领域，更具体地，涉及一种提高受激发射耗损(StimulatedEmissionDepletion，STED)超分辨显微成像空间分辨率的方法及系统。

背景技术

在常规的光学显微成像系统中，由于光学元器件的衍射效应，平行入射的照明光经过显微物镜聚焦之后在样品上所形成的光斑并不是一个理想的点，而是一个具有一定尺寸的衍射光斑，根据德国物理学家恩斯特—阿贝提出的阿贝定律，可见光能聚焦的最小光斑的直径是光波波长的三分之一，约200nm左右。1994年由德国科学家S.W.Hell首次提出STED超分辨显微成像技术，它超越了衍射极限，并于2006年实现了30nm的空间分辨率，这一杰出的工作使他在2014年获得诺贝尔化学奖。

STED超分辨的基本思想是：利用受激辐射效应来减小有效荧光发光面积，一个典型的STED显微系统中需要两束光，一束为激发光，另一束为耗尽光。当激发光照射荧光样品，会使其衍射斑范围内的荧光分子被激发，其中的电子将会跃迁到激发态，然后再将圆环形的耗尽光叠加在激发光上，耗尽光使得处于重叠部分激发态的电子以受激辐射的方式回到基态，其它位于激光光斑中心的激发态电子由于没有受到耗尽光的影响，继续以自发辐射的形式向外发生荧光回到基态。由于在受激辐射和自发辐射过程中发出荧光的方向和波长不同，因此经过过滤后被探测器所接受到的光子均是由位于激发光光斑中心位置的荧光样品通过自发荧光的方式产生的。这样有效荧光的发光面积得以减小，从而提高了系统的空间分辨率。

目前，STED超分辨显微成像系统在生物医学的应用中，由于样品表面的不平整性和样品内部折射率分布的不均匀性所带来的像差使系统的分辨率和成像深度大大降低，限制了其广泛应用。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于利用相干自适应光学技术(CoherentOpticalAdaptiveTechnique，COAT)进行像差校正来提高STED超分辨显微成像系统的空间分辨率，旨在解决由于生物样品表面的不平整和样品内折射率分布不均匀引入的像差。

本实用新型提供了一种超分辨成像系统，包括：第一激光器Laser1、第二激光器Laser2、第一半波片、第一脉冲分束器PS1、光谱仪SPEC、第一透镜组(L1，L2)、玻璃棒GR、保偏光纤Fiber1、空间光调制器SLM、第一物镜L3、反射镜组、第二透镜组(L4，L5)、反射镜M4、单模光纤Fiber2、第二半波片、后向反射镜RR、反射镜M5、第一双色镜DM1、第二双色镜DM2、扫描系统Scanner、四分之一玻片、空间物镜L6、第二脉冲分束器PS2和光电倍增管PMT，第一激光器Laser1用于产生飞秒激光；第二激光器Laser2用于产生皮秒激光；第一半波片设置在第一激光器Laser1的出射光路上，用于使得所述飞秒激光为线偏振光并调整线偏振光的方向；第一脉冲分束器PS1用于将经过第一半波片调整后的飞秒激光分成两路，一部分光透射进入光谱仪，另一部分光反射作为耗尽光；光谱仪SPEC设置在第一脉冲分束器的第一路出射光路上，用于实时监测所述耗尽光的波长；第一透镜组(L1，L2)设置在第一脉冲分束器的第二路出射光路上，用于对耗尽光进行调整；玻璃棒GR用于对经过调整后的耗尽光进行展宽，使得耗尽光的脉冲宽度为1皮秒；保偏光纤Fiber1用于对脉冲宽度为1皮秒的耗尽光进一步展宽，使得所述耗尽光的脉冲宽度为200皮秒；空间光调制器SLM用于产生圆环形光斑并作为像差校正系统；第一物镜L3对脉冲宽度为200皮秒的耗尽光进行调整，使得其光斑的直径等于空间光调制器(SLM)中液晶面板的宽度；反射镜组设置在第一物镜L3的出射光与所述空间光调制器的入射光之间，用于对第一物镜L3的出射光进行调整使其以3°～9°的入射角进入所述空间光调制器SLM，第二透镜组(L4，L5)用于将空间光调制器SLM的出射光进行透射；反射镜M4设置在第二透镜组的透射光路上，其入射光为所述第二透镜组的出射光；单模光纤Fiber2设置在第二激光器Laser2的出射光路上，用于对皮秒激光进行模式调整；第二半波片设置在第一激光器Laser1的出射光路上，用于使得所述皮秒激光为线偏振光并调整线偏振光的方向；后向反射镜RR用于对经过第二半波片调整后的皮秒激光进行反射，控制激发光和耗尽光脉冲之间的延迟时间；反射镜M5的入射光为后向反射镜RR的反射光，第一双色镜DM1的第一入射光为经过M4反射的耗尽光，其第二入射光为经过M5反射的激发光，用于对耗尽光进行反射，对激发光进行透射，并调整耗尽光和激发光的方向使其重叠；第二双色镜DM2设置在第一双色镜的出射光路上，用于对激发光和所述耗尽光进行透射，并对荧光进行反射；扫描系统Scanner设置在所述第二双色镜的出射光路上，用于对重叠的激发光和耗尽光进行同步扫描，实现面阵扫描；四分之一玻片用于对经过扫描后的激光进行调整，使其为圆偏振光；空间物镜L6用于对圆偏振光进行聚焦并收集样品反馈的荧光信号；第二脉冲分束器PS2用于将经过第二双色镜DM2反射后的荧光分成两部分，一部分光反射进入自适应光学AO像差校正系统，用于对系统像差进行实时校正；另一部分光被透射；光电倍增管PMT用于对被第二脉冲分束器透射后的荧光进行放大并进行超分辨成像。相干自适应光学像差校正COAT系统由空间光调制器SLM和自适应光学系统AO共同组成，用于对系统的像差进行实时校正，提高STED系统的空间分辨率和成像深度。