[发明专利]液态环境下微粒三维位置纳米级分辨力测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及数字全息显微测量领域以及微粒位置测量领域，具体地说，是一种利用数字全息显微测量技术对液态环境下微粒三维位置进行纳米级测量的方法，特别涉及液态环境下微粒三维位置纳米级分辨力测量方法。

背景技术

微粒是泛指亚微米到数百微米尺寸大小的粒子，包括细胞、病毒等生物粒子，也包括聚苯乙烯小球、磁珠、硅球、胶体、荧光粒子等非生物粒子，同时还包括数微米长的棒状物等。微粒在液态环境下的三维位置的测量技术一直是测量学科的重要课题，在科学和工程领域具有广泛的应用，如：海洋、气象、燃烧、导热、环境污染、化学、材料、生物医学/生命等。对于大多数传统的应用研究领域，微粒的尺寸主要为数微米至数百微米，微粒位置变化的空间范围在毫米量级以上，而对应的测量分辨力一般在微米量级就可以满足要求；对于纳米生物学、纳米流体学和纳米热力学等研究领域，微粒尺寸主要都在10微米以下，空间位置变化的范围一般只有数十微米，甚至数百纳米，这就要求测量分辨力达到数纳米，甚至亚纳米量级。目前微粒三维位置在横向测量已经达到纳米甚至亚纳米分辨力，主要方法有Hough变换法、质心法、胡相关法、梯度法等；其在纵向测量测量方法主要有米氏散射匹配法、微视觉法、后焦平面干涉法等。米氏散射测量方法分辨力能达到1nm，但是其需要精确标定各个物理参量，测量方法复杂，且只能对规则的微粒进行测量；而其它方法测量分辨力约为10nm左右，不能达到测量要求。上述方法不能同时对多个微粒进行测量，测量效率低，且不能对液体环境中交叠的微粒进行测量，其鲁棒性低。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出基于同轴数字全息显微技术及图像处理方法，实现复杂液态环境下多微粒三维位置纳米级分辨力测量。为此，本发明采取的技术方案是，液态环境下微粒三维位置纳米级分辨力测量方法，包括如下步骤：

搭建同轴数字全息显微成像系统；

将微粒放置于样品池中，样品池由盖玻片、载玻片及封口膜组成，由环氧树脂密封；

利用上述成像系统对微粒进行实时跟踪并记录微粒全息图像；

对微粒的全息图进行预处理，利用二维整体经验模态分解(BEEMD)方法消除微粒全息图的散斑噪声以及背景噪声；

对上述处理得到的全息图进行全息重构，得到微粒的三维重构强度分布信息；

对上述得到的重构信息进行去卷积运算，减少离焦信号及孪生像所产生的噪声影响；

利用质心法得到微粒的横向位置；

通过上述得到的微粒质心位置，得到其在纵向的强度分布曲线；

采用多项式拟合对上述曲线进行拟合，其峰值则为微粒在纵向的位置。

微粒包括细胞、病毒、磁珠、硅球、聚苯乙烯小球、纳米棒。

利用质心法得到微粒的横向位置进一步具体步骤是，全息图中微粒的圆心即为位置的X-Y方向的位置，由下述方程计算得到：

其中，(x_c,y_c)为圆心的坐标，I_i为相机测量的第i个像素的光强度，(x_i,y_i)为图像中像素的位置。

对得到的全息图进行全息重构进一步具体步骤是，按照瑞利-索末菲传播原理对全息图进行三维重构，得到硅球在三维空间中的强度分布信息，其计算公式如下：

其中，h(r,-z)为瑞利-索末菲传播函数，的傅里叶变换；式中r为全息平面内坐标，z为轴向坐标，I_s为步骤7得到的全息图的强度，FT^-1、FT分别表示傅里叶逆变换与傅里叶变换，j表示虚数单位，k为波数，q为频域坐标，R为光传播距离。

对重构三维空间强度信息进行去卷积运算，计算公式如下，减弱离焦信号和孪生像等产生的噪声对硅球三维重构光场的影响；

式中α为一个相比于FT(|h(r,-z)|²非常小的常数，一般取值范围为0.001～0.01。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

本发明提出的液态环境下微粒三维位置纳米级精度测量方法，能够对液态环境下各种不同的微粒进行并行测量，测量横向分辨力优于1nm，纵向分辨力优于2nm，适合纳米生物学、纳米流体学，以及生命科学中的分子动力学研究中。

附图说明

图1所示为硅球的全息图(a)通过BEEMD方法进行分解得到的噪声(b)、基频(c)以及背景图(d)；

图2所示为硅球在X、Y方向1nm阶跃位置变化运动测量结果；