[发明专利]一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统及方法。目的在于克服传统单分子荧光成像无法体现单分子量子相干超快动力学特性的缺点。本发明中的超快动力学成像系统包括单分子相干态的制备与调控系统、飞秒激光延迟锁定系统、单分子激发与荧光探测系统和超快动力学成像数据提取与处理系统；本发明通过监测合束激光的自干涉强度，利用差分放大器与压电陶瓷实现两束激光相对延迟的锁定；通过电光调制晶体周期性改变两束激光的相对相位，实现单分子激发态布居几率的调制；通过计算相干因子，实现基于单分子量子相干的超快动力学成像。通过本发明可获得整个研究系统的超快退相干行为，并进一步阐明环境对单分子超快退相干行为的影响。

技术领域

本发明属于量子光学与医学交叉技术领域，具体涉及一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统及方法。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)技术具有不接触、无损伤、成像清晰等优点，已经广泛用于临床医学诊断。比如，光学相干断层扫描可用于软组织早期癌变诊断和脑部手术介导；扩散光断层扫描已成为乳腺癌筛查、脑成像、软组织内窥的重要手段之一。相比于这些方法，单分子荧光成像具有更高的空间分辨率、生物兼容性和操作便捷性等特点，可用于研究亚细胞水平的生命活动过程，探测飞秒量级的超快动力学行为，实现单分子量级的高灵敏传感，因此在肿瘤诊断、蛋白质检测、重金属离子检测、新型药物研发等方面得到越来越多的应用。

传统的单分子荧光成像是通过收集聚焦区域内标记荧光分子在一定时间(通常为毫秒量级)内发射出的光子数来实现成像；故而该方法只能反映单分子平均运动动态(毫秒以上)的行为，无法测量生命活动过程对单分子超快动力学行为的影响。特别是，近期研究表明，生命活动过程(如癌变、细胞凋亡)会显著改变标记单分子的超快退相干行为。因此亟需一种新的方法，通过探测单分子的超快退相干行为，从更深层次来理解这些生命活动过程，并为癌变诊断、健康监测等提供新的手段。

发明内容

本发明的目的在于克服传统单分子荧光成像无法体现单分子量子相干超快动力学行为的缺点，提出一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统及方法，利用飞秒超快激光与单分子相互作用的量子相干效应，实现亚细胞水平的超快动力学成像。

本发明采用的技术方案是：

一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统，它包括单分子相干态的制备与调控系统、飞秒激光延迟锁定系统、单分子激发与荧光探测系统和超快动力学成像数据提取与处理系统；

所述单分子相干态的制备与调控系统包括飞秒激光器、起偏器、反射镜、等比分束镜、电光调制晶体、电光调制晶体控制器、第一角隅棱镜式反射镜和第二角隅棱镜式反射镜；

所述飞秒激光器用于制备单分子相干态，激发单分子并获得荧光；所述起偏器设在飞秒激光器的出射光路上，所述反射镜设在起偏器的出射光路上，所述等比分束镜设在反射镜的反射光路上，并形成光强相等的透射激光和反射激光；所述第一角隅棱镜式反射镜位于透射激光的光路上；所述电光调制晶体和第二角隅棱镜式反射镜依次位于反射激光的光路上；透射激光和反射激光分别进入两个角隅棱镜式反射镜经其反射后再次回到等比分束镜，并在等比分束镜处进行合束，形成合束激光；所述电光调制晶体控制器用于对电光调制晶体施加具有特定波形和周期的电压，改变透射激光和反射激光的相对相位

所述飞秒激光延迟锁定系统包括压电陶瓷、不等比分束镜、高速光电探测器、差分放大器及压电陶瓷控制器；

所述压电陶瓷固定在第一角隅棱镜式反射镜的背面，所述不等比分束镜设在合束激光的入射光路上，所述高速光电探测器设在不等比分束镜的反射光路上，所述高速光电探测器的信号输出端与所述差分放大器的信号输入端连接，所述差分放大器的信号输出端与压电陶瓷控制器的信号输入端连接，所述压电陶瓷控制器的信号输出端与压电陶瓷的信号输入端连接；