[发明专利]基于双芯光纤光操控和动态散斑照明显微成像系统

说明书

本发明提供的是一种基于双芯光纤光操控和动态散斑照明显微成像系统。其特征是：该装置光操控部分由两条输出端面加工成特定角度的两芯光纤相向安装组成。激光光束分别经单模光纤耦合进一条两芯光纤，在输出端面附近形成聚焦光场，稳定捕获待测细胞。通过调节另一条两芯光纤各纤芯的输出功率，使细胞绕特定轴线旋转。细胞每旋转至一定角度并达到稳定状态后，利用动态散斑照明宽场荧光显微技术获取细胞的层析图像，最终重构细胞的三维结构图像。本发明构建的系统可实现获取活体单细胞高时间和空间分辨率的三维结构图像，具有结构简单、造价低廉、操作简便等特点，在生物学、医学和生命科学等众多研究领域中具有广泛的应用前景。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于双芯光纤光操控和动态散斑照明显微成像系统，可用于活体单细胞三维结构的高时间分辨率、高空间分辨率成像，属于生物光子学领域。

(二)背景技术

细胞是生命结构和功能的基本单位，对细胞的深入研究是揭示生命现象奥秘、改造生命和克服疾病的关键。通过对单细胞进行分析研究，可以研究大量细胞群体时观察不到的现象和机制。一方面，生命系统存在着不同的层次，生物科学要研究各个不同层次的生命系统及其相互关系，首先要研究的就是细胞。另一方面，生物体中绝大部分反应都是在细胞内进行的，如果不弄清楚细胞的基本结构、功能和种类，那么其他的研究就很难进行。

如何在保持细胞活性的条件下来研究细胞的各种生理特性是当下的一个热门课题。通过对活细胞的研究观察，可以观察到在保持活性状态下某些特有的现象，也有助于从细胞层面来解决问题，这就对细胞活性提出了条件。为了更好的对细胞进行更深入的了解，构建一个维持细胞活性的装置具有深远的意义。

激光扫描共焦显微镜是一种性能良好的光学显微成像工具，在生命科学研究中获得了广泛的应用。它与普通的宽场荧光显微成像方法相比，共焦荧光显微镜的优点在于能够获得一定厚度样品的三维层析图像，可提供较高的时间和空间分辨率。但是这种显微成像方法需要对一个或多个照明点进行扫描，需要三维扫描系统，从而使系统复杂且成像速度较慢。为了提高成像速度，提出了多种非扫描的宽场显微成像技术，比如结构光照明显微成像技术。但是在结构光照明显微成像技术中，由于样品对结构光的散射会降低图像的对比度，所以结构光显微成像技术不太适合用于对厚组织成像。近年来，一种利用散斑照明来提供深层层析分辨能力的荧光显微成像新技术得到了快速发展。这种成像技术能获得高的时间和空间分辨率三维结构图像，具有成像速度快、设备简单、成本低廉等优点。

在宽场显微成像技术中，为了获得不同层面的层析图像，仍需要调整照明系统以便获得层析图像。光镊技术是一种可以稳定捕获待测活体单细胞，并对其实现操控的有力工具。传统的光镊系统需要使用大数值孔径物镜在焦点处形成强的光势阱从而实现细胞的捕获和操控，系统体积庞大、灵活性差、造价昂贵，并且在使用过程中受到许多因素，如工作距离和基片兼容性的限制。基于光纤实现的光纤光操控技术对基片材料或厚度没有任何要求，可以灵活地在介质中任意移动，且体积小、可操作性强，具有很高的可集成度。近年来,基于光纤的光操控技术已经实现了对细胞的捕获、移动、旋转和运输,这些技术被广泛应用在细胞分析、疾病诊断等过程中。

本发明涉及的是一种基于双芯光纤光操控和动态散斑照明的宽场荧光显微成像系统。利用相向安装的两条特殊设计的双芯光纤精准操控细胞，使其绕特定轴线旋转。当细胞旋转至每一个角度并达到稳定状态后，使用动态散斑照明的宽场荧光显微成像技术获取细胞的层析图像。通过获得不同角度上的细胞层析图像，最终重构细胞整体的三维结构图像。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑，具有高时间分辨率、高空间分辨率等成像优点的一种基于双芯光纤光操控和动态散斑照明显微成像系统。