[发明专利]一种基于结构光照明的荧光偶极子定向方法

说明书

本发明涉及一种基于结构光照明的荧光偶极子定向方法，其特征在于，包括以下内容：步骤1)采用结构光显微系统获取具有偏振特性的荧光样本的原始图像和调制信息，并得到不同空间角度所对应的空间频域分量，其中，原始图像是指经结构光显微系统的相机传感器采集到的荧光样本图像，调制信息是指结构光显微系统的调制强度、相位和空间角度；步骤2)将所有空间频域分量进行空间维度频域拼接得到荧光样本的二维超分辨率空域图像；且将所有空间频域分量的角度维度频域拓展得到荧光样本的偏振角度信息；步骤3)将荧光样本的二维超分辨率空域图像和偏振角度信息进行匹配得到超分辨率荧光偶极子定向结果。

技术领域

本发明是关于一种基于结构光照明的荧光偶极子定向方法，涉及超分辨率荧光显微技术领域。

背景技术

荧光显微是生命科学研究中的一种重要工具。在生命科学研究中，往往对感兴趣的区域进行荧光标记，其受到激发光的照射后，发射的荧光将包含生物体的结构和功能信息，为进一步的研究提供可能。然而，普通的荧光显微系统均使用二维相机传感器采集信号，其仅仅能够获得样本的空间信息。荧光分子大多数为偶极子，其所发出的荧光往往具有较强的偏振特性，这部分特征将被丢失。事实上，偏振信息在一定程度上能够反映出生物体的结构特性，例如：在Actin细胞中，偶极子的偏振方向通常垂直于延展方向；利用不同偶极子所发出光的偏振角度的不同，能够将其进行分离，从而提升空间分辨率。因此，对荧光偏振的研究具有重要意义。

目前，常用的荧光偏振研究方法大概可分为三类：第一类利用不同偏振光通过显微系统后的衍射图样的不同，在采集端用相机拍摄偶极子的衍射图样，与原有的图样库进行比对，从而获得偏振信息；第二类利用荧光的各向异性，其使用圆偏振光激发，使得样本受到了各个方向均一强度的照明，在采集端使用偏振分束器，将不同角度的偏振光进行分离，通过采集不同角度的发射光信息，能够计算出空间各个位置的偏振信息；第三类是基于线性二向色性利用旋转的偏振光激发荧光，由于特定偏振方向的荧光分子在不同偏振角度激发下的发射强度不同，通过采集多个激发角度下的二维图像，对其偏振信息进行解调。上述三种现有技术中，第一类需要图像进行高倍放大，相邻偶极子的衍射图像将会重叠，导致难以获得较高的空间分辨率，此外图样比对的精度受到信噪比的影响很大；第二类速度较快，但是分束器使得每张图片上获得的总光强减小，进而信噪比降低，图像的质量下降；第三类系统需要采集多张图片，耗时较长。此外，后两类技术的光路都较为复杂，不利于在商用系统上集成。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够获取荧光样本的超分辨率偏振信息的基于结构光照明的荧光偶极子定向方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于结构光照明的荧光偶极子定向方法，其特征在于，包括以下内容：步骤1)：采用结构光显微系统获取具有偏振特性的荧光样本的原始图像和调制信息，并得到不同空间角度所对应的空间频域分量，其中，原始图像是指经结构光显微系统的相机传感器采集到的荧光样本图像，调制信息是指结构光显微系统的调制强度、相位和空间角度；步骤2)：将所有空间频域分量进行空间维度频域拼接得到荧光样本的二维超分辨率空域图像；且将所有空间频域分量的角度维度频域拓展得到荧光样本的偏振角度信息；步骤3)：将荧光样本的二维超分辨率空域图像和偏振角度信息进行匹配得到超分辨率荧光偶极子定向结果。

进一步地，所述步骤1)不同空间角度所对应的空间频域分量的具体计算过程为：步骤1.1)：获取经结构光显微系统采集的荧光样本图像和相应调制信息，其中，x和y为荧光样本图像的像素阵列的横纵坐标，调制信息包括3个不同空间角度θ₁，θ₂和θ₃，对应的调制强度为m₁，m₂和m₃；对于每个空间角度，包括三个不同的相位和步骤1.2)：对所有荧光样本图像分别进行傅里叶变换：