CN111766692B - 自动补液微球超分辨显微成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动补液微球超分辨显微成像系统，包括显微镜、样品台、微球探针、第一移动机构、毛细管、微型泵和第二移动机构，显微镜位于所述样品台的上方，微球探针包括探针、与探针的一端相连接的微球透镜，探针的另一端安装在第一移动机构上，毛细管安装在第二移动机构上，毛细管的进液端与微型泵相连接，毛细管的出液端靠近微球透镜。本发明可以使微球透镜浸没在液体中的深度保持一致，避免由于液体的挥发改变成像的对比度和放大倍数，保持成像的一致性；使微球透镜达到最佳的成像效果；微球透镜的直径在微米级，需要的液体量少，在观察完之后液体会自动挥发，避免对样品造成污染或损伤。
Description
技术领域
本发明涉及显微成像技术领域，尤其涉及一种自动补液微球超分辨显微成像系统。
背景技术
自第一台显微镜发明至今的三百多年中，国内外研究者提出了各种提高成像效果和系统分辨率的方法，研制出了基于不同机制和原理的各式显微镜。对于成像分辨率达到纳米级甚至是原子级的电子显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜而言，虽然成像分辨率很高，但是对成像条件和样品有严格的限制，特别是无法对活的生物样品成像，限制了在生物医学方面的应用。由于光学显微镜可以直接实时地观测样品并附带有丰富的功能成像信息(如颜色、透明度等)等特点，在生物医学等显微成像领域仍然具有不可替代的作用。随着现代生物技术的发展，人们需要观察的生物样品已经由生物个体，延伸到器官、组织、细胞、乃至单个分子水平。尤其随着核酸和蛋白质的化学分析技术的进一步发展，生命科学逐步转向分子生物学、分子免疫学、分子细胞学和分子遗传学等领域。这些技术研究对显徽镜的分辨能力以及成像条件提出了更高的要求，因此探索突破衍射极限、获取更高分辨能力的光学超分辨成像方法，尤其是远场光学显微成像方法，已然成为生物医学领域一个非常关键的技术问题。在近几十年中，通过科研工作者的不断努力，一些新型的光学超分辨显微方法和技术被提出，并取得了突破性的进展，为纳米级生物样品的观测和研究带来了曙光。
2011年英国曼彻斯特大学的王增波小组搭建了在白光下用透明介质微球实现超分辨显微成像的模型，并指出能够实现超分辨的二氧化硅介质微球的直径需要在2～9um之间，将微球直接放置于待测样品的表面之上，即可在普通光学显微镜下实现超分辨成像。显微镜工作在白光模式，在透射模式下，采用直径为4.74um的透明介质微球，成功对50nm直径和间隔孔的鱼网镀金阳极氧化铝膜样品进行了成像；在反射模式下，通过二氧化硅微球清晰的看到了蓝光DVD光盘保护膜表面100纳米宽的纹，成功打破了衍射极限的限制。
微球透镜结合光学显微镜可以实现超分辨成像。在后续的研究中，研究者发现材质为二氧化硅、钛酸钡以及聚苯乙烯的微球都具有超分辨成像的能力，且二氧化硅或钛酸钡微球半浸没在水中或者酒精溶液中具有更好的成像效果。但是在进行观察时，由于水或者酒精的蒸发，微球透镜浸没在液体中的深度减小，导致微球透镜的成像放大率和成像对比度发生变化，影响微球透镜成像的一致性；另外，对于芯片等样品的观测，大量的液体分散在样品的表面会影响芯片的电路结构，影响芯片的再次使用。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种自动补液微球超分辨显微成像系统。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种自动补液微球超分辨显微成像系统，包括显微镜、样品台、微球探针、第一移动机构、毛细管、微型泵和第二移动机构，所述显微镜位于所述样品台的上方，所述微球探针包括探针、与所述探针的一端相连接的微球透镜，所述探针的另一端安装在所述第一移动机构上，所述毛细管安装在所述第二移动机构上，所述毛细管的进液端与所述微型泵相连接，所述毛细管的出液端靠近所述微球透镜。
作为本发明的进一步改进，所述第二移动机构安装在所述第一移动机构上，所述毛细管位于所述探针的下方。
作为本发明的进一步改进，所述毛细管的出液端与所述微球透镜之间的距离为50-100μm。
作为本发明的进一步改进，所述毛细管为毛细玻璃管。
作为本发明的进一步改进，所述微球透镜采用二氧化硅或者钛酸钡材质制成。
作为本发明的进一步改进，所述微球透镜粘接在所述探针的一端。
作为本发明的进一步改进，所述第一移动机构包括第一水平移动平台、安装在所述第一水平移动平台上的第二水平移动平台、安装在所述第二水平移动平台上的垂直移动平台以及安装在所述垂直移动平台上的第一角度调节机构，所述探针的另一端安装在所述第一角度调节机构上。
作为本发明的进一步改进，所述探针的另一端连接有加长杆，所述加长杆安装在所述第一角度调节机构上。
作为本发明的进一步改进，所述第二移动机构包括三轴移动平台、安装在所述三轴移动平台上的第二角度调节机构，所述毛细管安装在所述第二角度调节机构上。
作为本发明的进一步改进，所述样品台为XY移动平台。
本发明的有益效果是：
(1)本发明可以使微球透镜浸没在液体中的深度保持一致，避免由于液体的挥发改变成像的对比度和放大倍数，保持成像的一致性。
(2)补液装置可以根据微球透镜的材质和直径、补充液体的种类、微球透镜浸没在液体中的深度以及液体蒸发的速度，自动定量的控制补液量，使微球透镜达到最佳的成像效果。
(3)微球透镜超分辨成像时，无需将液体填充满整个观察样品表面，解决了在进行微球显微观察时需要提前将大量的水或者酒精滴加在观察样品表面的问题，减小了大量液体对样品功能的破坏，且微球透镜的直径在微米级，需要的液体量少，需要添加的液体也极少，在观察完之后液体会自动挥发，避免对样品造成污染或损伤。
(4)微球探针以及安装毛细管的第二移动机构都安装在第一移动机构上，通过第一移动机构的移动，能够观察样品的任意区域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的优选实施例的结构示意图；
图2为本发明的优选实施例的第一移动机构上安装探针以及第二移动机构上安装毛细管的主视图；
图3为本发明的优选实施例的第二移动机构的结构示意图；
图4为本发明的优选实施例的微球探针与毛细管的局部放大图；
图5为本发明的优选实施例的成像结构示意图；
图中：10、显微镜，12、样品台，14、微球探针，16、第一移动机构，18、毛细管，20、第二移动机构，22、探针，24、微球透镜，26、进液端，28、出液端，30、第一水平移动平台，32、第二水平移动平台，34、垂直移动平台，36、第一角度调节机构，38、第一基座，40、第一承载杆，42、第一角度调节旋钮，44、加长杆，46、第一连接杆，48、三轴移动平台，50、第二角度调节机构，52、第二基座，54、第二承载杆，56、第二角度调节旋钮，57、第二连接杆，58、样品，60、液体，62、超分辨图像。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1、图4所示，一种自动补液微球超分辨显微成像系统，包括显微镜10、样品台12、微球探针14、第一移动机构16、毛细管18、微型泵(图中未示出)和第二移动机构20，显微镜10位于样品台12的上方，微球探针14包括探针22、与探针22的一端相连接的微球透镜24，探针22的另一端安装在第一移动机构16上，毛细管18安装在第二移动机构20上，毛细管18的进液端26与微型泵相连接，毛细管18的出液端28靠近微球透镜24。
为了方便微球透镜24的扫描，本发明优选第二移动机构20安装在第一移动机构16上，毛细管18位于探针22的下方。
为了使毛细管18中流出的液体不影响微球透镜24的成像，本发明优选毛细管18的出液端28与微球透镜24之间的间距为50-100μm。优选毛细管18的进液端26与微型泵之间通过细软管相连接。优选毛细管18与样品表面不接触，避免对样品表面的破坏，同时毛细管18不会阻碍微球透镜24与样品表面的接触。
本发明优选毛细管18为毛细玻璃管，便于毛细管18的出液端28的成型，提高补液精确度。
本发明优选微球透镜24采用二氧化硅材质制成，但微球透镜24并不局限于二氧化硅材质，也可以采用钛酸钡材质制成。
为了提高微球透镜24与探针22连接的稳固性，本发明优选微球透镜24粘接在探针22的一端。
本发明优选第一移动机构16包括第一水平移动平台30、安装在第一水平移动平台30上的第二水平移动平台32、安装在第二水平移动平台32上的垂直移动平台34以及安装在垂直移动平台34上的第一角度调节机构36，探针22的另一端安装在第一角度调节机构36上，通过第一角度调节机构36使探针22倾斜合适的角度，保证微球透镜24底部能接触到样品的表面。本实施例中，第一水平移动平台30实现沿X轴方向的移动，第二水平移动平台32实现沿Y轴方向的移动，垂直移动平台34实现沿Z轴方向的移动，第一水平移动平台30、第二水平移动平台32、垂直移动平台34均采用本领域通用结构，在此不再赘述。如图2所示，优选第一角度调节机构36包括第一基座38、与第一基座38铰接的第一承载杆40、与第一基座38螺纹连接的第一角度调节旋钮42，第一基座38安装在垂直移动平台34上，在第一基座38内设置第一轴承(图中未示出)，第一角度调节旋钮42的底部与第一轴承的内圈相配合，第一轴承的外圈与第一基座38相配合，当旋转第一角度调节旋钮42时，第一角度调节旋转42升降从而使得第一承载杆40改变倾斜角度，从而使得探针22改变倾斜角度。
本发明优选探针22的另一端连接有加长杆44，加长杆44安装在第一角度调节机构36上。进一步的，还设置有第一连接杆46，第一连接杆46的上部与第一承载杆40相连接，第一连接杆46的下部与加长杆44相连接，通过旋转第一角度调节旋钮42使加长杆44倾斜合适的角度，从而使得探针22倾斜合适的角度。当然，可以理解的是，探针22与加长杆44可以为一体成型。
如图3所示，本发明优选第二移动机构20包括三轴移动平台48、安装在三轴移动平台48上的第二角度调节机构50，三轴移动平台48能够实现沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的移动，毛细管18安装在第二角度调节机构50上。进一步优选第二角度调节机构50包括第二基座52、与第二基座52铰接的第二承载杆54、与第二基座52螺纹连接的第二角度调节旋钮56，第二基座52安装在三轴移动平台48上，在第二基座52内设置第二轴承(图中未示出)，第二角度调节旋钮56的底部与第二轴承的内圈相配合，第二轴承的外圈与第二基座52相配合，当旋转第二角度调节旋钮56时，第二角度调节旋转56升降从而使得第二承载杆54改变倾斜角度，从而使得毛细管18改变倾斜角度。进一步优选第二承载杆54连接有第二连接杆57，毛细管18穿设在第二连接杆57上。
本发明优选样品台12为XY移动平台，能够实现沿X轴和Y轴方向的移动。
本发明在使用时，调整第一水平移动平台30和第二水平移动平台32，使得微球透镜24移动到样品58的上方，旋转第一角度调节旋钮42调整微球透镜24的位置，再通过垂直移动平台34调整微球透镜24的高度使得微球透镜24接触到样品58的表面，调整第二移动机构20，使得毛细管18的出液端28接近微球透镜24表面，在进行观察时，因为微球透镜24需要半浸泡在液体中才能实现超分辨成像，所以将毛细管18和微球透镜24移动到需要观察的区域时，进行输液操作，将液体60通过毛细管18输送到样品58的表面，微球透镜24就可以实现超分辨成像，得到超分辨图像62，如图5所示，根据微球透镜24的材质和直径、补充液体的种类、微球透镜24浸没在液体中的深度以及液体蒸发的速度，同时通过显微视觉系统对液体进行观测，形成反馈给微型泵，微型泵控制液体的补充量，使微球透镜24达到最佳的成像效果。其中，液体可以是水或酒精。由于安装毛细管18的第二移动机构20以及微球透镜24都安装在第一移动机构16上，因此可以移动第一移动机构16，观察样品58的任意区域。观察过的样品58表面的微量液体可以快速蒸发，避免对样品58造成污染或损伤。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种自动补液微球超分辨显微成像系统，其特征在于，包括显微镜、样品台、微球探针、第一移动机构、毛细管、微型泵和第二移动机构，所述显微镜位于所述样品台的上方，所述微球探针包括探针、与所述探针的一端相连接的微球透镜，所述探针的另一端安装在所述第一移动机构上，所述毛细管安装在所述第二移动机构上，所述第二移动机构安装在所述第一移动机构上，所述毛细管位于所述探针的下方，所述毛细管的进液端与所述微型泵相连接，所述毛细管的出液端靠近所述微球透镜。
2.根据权利要求1所述的自动补液微球超分辨显微成像系统，其特征在于，所述毛细管的出液端与所述微球透镜之间的距离为50-100μm。
3.根据权利要求2所述的自动补液微球超分辨显微成像系统，其特征在于，所述毛细管为毛细玻璃管。
4.根据权利要求1所述的自动补液微球超分辨显微成像系统，其特征在于，所述微球透镜采用二氧化硅或者钛酸钡材质制成。
5.根据权利要求1所述的自动补液微球超分辨显微成像系统，其特征在于，所述微球透镜粘接在所述探针的一端。
6.根据权利要求1所述的自动补液微球超分辨显微成像系统，其特征在于，所述第一移动机构包括第一水平移动平台、安装在所述第一水平移动平台上的第二水平移动平台、安装在所述第二水平移动平台上的垂直移动平台以及安装在所述垂直移动平台上的第一角度调节机构，所述探针的另一端安装在所述第一角度调节机构上。
7.根据权利要求6所述的自动补液微球超分辨显微成像系统，其特征在于，所述探针的另一端连接有加长杆，所述加长杆安装在所述第一角度调节机构上。
8.根据权利要求1所述的自动补液微球超分辨显微成像系统，其特征在于，所述第二移动机构包括三轴移动平台、安装在所述三轴移动平台上的第二角度调节机构，所述毛细管安装在所述第二角度调节机构上。
9.根据权利要求1所述的自动补液微球超分辨显微成像系统，其特征在于，所述样品台为XY移动平台。
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