[发明专利]基于光子芯片的超分辨显微成像系统

说明书

本发明提供的是基于光子芯片的超分辨显微成像系统。其特征是：该系统由成像光源1、捕获光源2、光纤耦合器3、光功率与相位控制模块4、光子芯片5和显微成像系统6组成，其中光子芯片5由基底501、掩埋式成像光波导502和非嵌入式捕获光波导503构成。本发明将超分辨显微成像与光镊、光学输运技术集成到了一块光子芯片当中，实现了对微纳粒子在超分辨显微观测下的捕获与操纵，使细胞观测的更加清晰，使操纵变得更加准确。本发明相对于传统的超分辨显微成像器件更加集成化、微小化、稳定化，具有广泛的应用前景与实用性。

(一)技术领域

本发明涉及的是基于光子芯片的超分辨显微成像系统，主要涉及光子学与超分辨显微技术领域，更具体地，涉及一种可以实现对微纳粒子等在超分辨显微成像下的光学输运及捕获的方法与装置。

(二)背景技术

自大约400年前胡克发现细胞以来，光学显微镜一直是生物学发现的终极工具。然而，在传统的宽场显微镜中能够光学分辨的最小尺寸受到衍射极限的限制，仅能达到半个波长量级左右。在过去的20年中发展起来的超分辨显微技术，突破了衍射极限以更加惊人的细节揭示了生命的过程。近20年来发展的一些突破分辨率衍射极限的超分辨成像技术，如结构光照明显微镜(structured illum ination microscopy,SIM)、受激发射损耗显微(STED)技术、光激活定位显微术(PALM)、随机光学重构显微镜(stochastic opticalreconstruction microscopy,ST ORM)等。

其中SIM是一种超分辨率显微镜技术，以其独特的活体成像能力在生物研究中获得了广泛的应用，例如参见文献(中国光学,2018,11(3):307-328)。其超分辨原理是通过在结构化照明条纹图案的空间频率和荧光标记的样本结构的空间频率之间的频率混合(莫尔干涉效应)来扩展分辨率。太高而无法被显微镜物镜捕获的空间频率(超过衍射极限)被向下转换为可以被物镜捕获的较低频率(莫尔条纹)。SIM将分辨率的提高，使我们能够将活细胞和组织中的生物结构可视化到100nm以内。

2000年，Gustafasson教授等人(Journal of microscopy,2000,198(2):82-87.)提出的经典二维SIM技术仍然延续至今，该超分辨显微成像技术可以提高进两倍的横向分辨率。虽然该技术拥有良好的分辨率，但是由于现有的SIM普遍采用条纹结构光，基于条纹结构光照明的SIM在成像过程中不仅需要对条纹进行平移、旋转，还需要在切换过程中对光束的偏振态进行快速、精密的控制，从而大大增加了系统的搭建成本，系统也相对比较复杂，例如专利(CN102096180B)提出了一种由复杂的空间光学系统搭建而成的超分辨率显微镜。

自1986年A，Ashkin等人发现单独一束强聚焦的激光束形成的光学势阱可以吸引微粒将其局限在焦点附近以来，光镊由此诞生，由于使用光镊来捕获操纵微纳粒子具有非接触性、无机械损伤等优点，这使得光镊在生物学领域表现出了突出的优势。由于传统显微镜受到衍射极限的限制，光镊操纵的可视化微纳粒子尺寸受到限制。将SIM技术与光镊技术进行结合，使得光镊的优势进一步得到提升，让这只镊子操纵更加准确，为现代生物医学提供了强有力的工具。但在传统SIM显微镜中，照明和收集光路是耦合的，这限制了分辨率，并妨碍了低数值孔径物镜用于大面积成像。另外，通常使用自由空间光学元件生成驻波干涉条纹，元件用于控制和维持图案的方向、相位和偏振状态。因此产生的SIM显微镜体积庞大、价格昂贵、容易错位、并且需要高素质的人员进行维护，又进一步增加了维护成本。参照集成电路可以将复杂的电子元件集成到很小的一块电子芯片中,能否构造一个光子芯片，让复杂的SIM系统集成到上面，可以很好的解决传统SIM系统存在的一系列问题，例如有研究者提出了一种基于光子芯片的二维SIM方法(Nature Photonics,2020,14(7):431-438.)。如果将SIM系统与光镊系统集成到一块简易光子芯片上，这不仅可以降低成本而且还可以减小体积以便于在更小的环境下对微纳粒子进行操纵，这将有助于我们在生物医学领域的研究。

(三)发明内容