[发明专利]基于一维暗斑分时照明的亚十纳米定位测向方法和装置

说明书

本发明公开了一种基于一维暗斑分时照明的亚十纳米定位测向方法和装置，同一光源产生的激光被电光调制器周期地调制线偏方向，得到两种光束，其中一束光经空间光调制器调制后在样品上聚焦形成Y方向一维暗斑，另一束光被空间光调制器调制为X方向一维暗斑。两种光斑分别被两台放置在光路上的电光偏转器偏转，进行分时照明，从而得到荧光分子被不同方向一维暗斑的不同位置激发出的光子数，再基于极大似然概率估计的数学模型，对荧光分子进行二维空间定位和取向求解。本发明创新性的采用两个正交方向的一维暗斑通过偏振调制进行分时照明，较之传统方法，在获取分子位置信息的同时可以获取其偶极子取向信息。

技术领域

本发明属于超分辨领域，尤其涉及一种基于一维暗斑分时照明的亚十纳米定位测向方法和装置。

背景技术

早在1926年，荧光的偏振特性(Fluorescence Polarization)就已被发现。进一步的研究显示，这种偏振特性由偶极子取向引起，并与被标记的蛋白的空间方向密切相关，进而可以用于研究活细胞中靶蛋白的结构及其动力学变化。

近几十年来，荧光偏振显微技术迅速演进，已经是一种比较成熟的光学成像技术。并且，它还拥有很强的兼容性，可与各种成像技术(如：宽场荧光显微、共聚焦扫描显微、全内反射荧光显微等)相结合。但是，这些技术都会受到衍射极限的限制，空间分辨率和定位精度都较低，无法达到单分子水平。这严重限制了其在生物医学领域的应用范围。

近年来，一种新型的纳米分辨技术——最小光通量显微术(minimal photonfluxes,MINFLUX)被提出。与随机坐标定位技术通过高斯中心拟合定位，或者确定坐标分辨技术使用空心光束进行荧光损耗不同，在单分子定位过程中，MINFLUX只使用空心光束激发荧光并进行确定坐标的暗斑中心定位。相比高斯中心定位，MINFLUX采用的暗斑中心定位具有很强的光敏感性，其空间分辨能力可以达到亚十纳米。MINFLUX定位单个荧光分子所需的光子数极低，大大降低荧光染料漂白的风险，可以长时间对荧光分子进行定位。因此该技术是一种长时程、高精度、高分辨的定位手段。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于一维暗斑分时照明的亚十纳米定位测向方法和装置。本装置利用电光调制器进行偏振调制，分时调制为S偏振态或P偏振态。之后用偏振分束棱镜将这束偏振调制光分成两路，一路使用空间光调制器产生X方向一维暗斑，并使用电光偏转器实现其在X方向的移动；另一路使用空间光调制器产生Y方向一维暗斑，并使用另一电光偏转器实现其在Y方向的移动。之后使用一分束棱镜对这两路光进行合束。通过两台电光调制器分别进行强度调制和偏振调制，以固定的时序实现对单分子位置和取向的探测。探测器收集一维暗斑不同位置处激发的荧光信号，基于极大似然概率估计重构出荧光分子的二维精确位置信息和取向信息。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明一方面提供了一种基于一维暗斑分时照明的亚十纳米定位测向方法，该方法包括以下步骤：

1)调整准直后激光光束的偏振情况，使激光光束分时地被调制为两种线偏振光，即P光和S光；

2)将P光调制为Y方向一维暗斑，S光调制为X方向一维暗斑；

3)将经过相位调制的P光和S光共轴，并分别使用电光偏转器高精度地调整光斑位置；

4)使步骤3)调整后的光束投射到样品以对样品进行扫描；

5)使用单光子计数器接收荧光分子被不同方向的一维暗斑不同位置激发出的信号光；

6)利用步骤5)中所得到的光子数信息，基于极大似然概率估计重构出荧光分子的二维空间信息和取向信息；

7)经过压电偏摆镜选区扫描并重复步骤1)到6)，以实现更大视场的探测。

进一步地，利用空间光调制器将P光调制为Y方向一维暗斑，将S光调制为X方向一维暗斑。