[发明专利]一种明场和荧光双模态的显微成像系统及方法

说明书

本发明公开了一种明场和荧光双模态的显微成像系统即方法。成像系统包括明场照明光源、荧光激发光源、显微成像装置和数据处理与显示系统；显微成像装置包括样品腔、荧光样品、滤光片和图像传感器芯片，样品腔底部紧贴滤光片表面；滤光片固定在图像传感器芯片的表面；明场照明光源置于显微成像装置的上方；荧光激发光源置于显微成像装置的侧方。本发明利用亚微米像元尺寸千万像素规模的图像传感器芯片直接记录生物样品的明场模态下的投影信号以及荧光模态下的荧光投影信号，并将两种模态下得到的显微图像进行合成，实现了一种低成本、便携化，同时具备大视场和高分辨率的荧光显微系统及显微观测方法。

技术领域

本发明涉及的领域是生物显微成像，特别是荧光显微成像领域，具体涉及一种大视场高分辨率的明场、荧光双模态的显微成像系统及方法。

背景技术

传统基于光学透镜的荧光显微镜是利用特定波长的激发光源照射样品，被荧光标记的细胞样品受到激发产生不同波长的荧光，然后在显微镜下观察细胞样品的形态与结构，借此来研究细胞内物质的吸收、运输、化学物质的分布及定位等。

现有的基于光学透镜的荧光显微镜，需要复杂而且昂贵的激光光源以及滤色模块来分别激发出样品中的荧光信号，以及滤除激发光光源的背景干扰。同时需要复杂的光学透镜方法来实现光学放大显微成像功能，这样显微观测的分辨率和视场存在固有的矛盾，也就是放大倍数越高，观察到的细胞结构越清晰，但同时整个观察的视野大小降低。因此，目前的荧光显微镜在很多需要低成本和便携化的应用场景中受限，比如在发展中国家或者条件落后地区的使用、野外生态环境观察、污水中微生物的即时检测等方面不能满足要求。如果将样品制备好再送到具有荧光显微镜的场所进行检测，不仅耗费时间成本，而且运输的过程降低观测结果的准确性。

因此亟需开发低成本、便携化，同时具有大视场和高分辨率的荧光显微技术来满足实际应用需求。

发明内容

针对上述现有技术和设备的局限，本发明的目的是提出一种明场和荧光双模态的显微成像系统，该系统基于亚微米像元尺寸千万像素规模的图像传感器芯片，可以实现大视场和高分辨率。本发明的另外一个目的是提供利用该系统的成像方法。

本发明的系统采用的技术方案为：

一种明场和荧光双模态的显微成像系统，包括明场照明光源、荧光激发光源、显微成像装置和数据处理与显示系统；所述显微成像装置包括样品腔、荧光样品、滤光片和图像传感器芯片，所述样品腔用于装载荧光样品，样品腔底部紧贴滤光片表面；所述滤光片用于阻挡激发光并同时透过激发出来的荧光信号，固定在图像传感器芯片的表面；所述图像传感器芯片，用于采集明场模态下待检测样品的整体形态信息以及荧光模态下的荧光样品的亚细胞结构的荧光信号；所述明场照明光源作为明场成像模态下的照明光源，置于所述显微成像装置的上方，显微成像装置的中轴垂直穿过明场照明光源的发光面中心且该发光面覆盖整个图像传感器芯片；所述荧光激发光源作为荧光成像模态下的荧光激发光源，用于激发出待检测样品中荧光信号，置于所述显微成像装置的侧方，所述荧光激发光源照射方向与所述显微成像装置中轴之间的夹角为θ₁，且其发光面覆盖所述图像传感器芯片表面；所述数据处理与显示系统，用于将明场成像模态和荧光成像模态下图像传感器芯片记录的图像进行合成，并显示出显微成像结果。

进一步地，所述明场照明光源为宽带红光LED灯珠，中心波长为λ₁，带宽为Δλ₁＞5nm，距离图像传感器芯片表面的距离为d≥5cm。

进一步地，所述荧光激发光源为窄带光源，中心波长为λ₂，带宽为Δλ₂≤5nm，夹角θ₁的取值：15°≤θ₁≤85°。

进一步地，所述样品腔底部直接粘附在滤光片表面，样品腔设有入液口和出液口，样品腔的腔体厚度d_c的值为：10μm≤d_c≤200μm。