一种高真空环境光镜电镜关联成像系统

1.本实用新型涉及冷冻样品显微成像的技术领域，尤其涉及一种高真空环境光镜电镜关联成像系统。


背景技术：

2.冷冻电镜三维重构技术已成为高分辨率结构生物学研究最重要的实验手段。生物样本的快速冷冻制备技术可以将样品在近生理状态下冷冻固定，避免了化学固定方法带来的样品形变、超微结构被破坏等不利影响，从而可以获得更加真实的生物样本结构信息。同时，综合荧光标记、冷冻荧光显微成像和冷冻电镜电子断层扫描成像技术，人们还可以利用荧光定位和电子显微镜对同一细胞内同一位置的分子机器进行特异识别和高分辨率超微结构解析，这项技术被称为冷冻光镜电镜关联显微成像技术(cryo-correlative light and electron microscopy，cryo-clem)。
3.冷冻光镜电镜关联显微成像技术可以将目标分子的定位与结构信息进行整合，从而解析出目标分子在细胞内原位的高分辨率三维结构，并用于准确统计分析目标分子的原位动态变化规律及其生物学功能、作用机制等。然而，现有的冷冻荧光成像系统受限于冷冻成像环境和光学物镜的数值孔径，严重制约了冷冻光学成像系统所能达到的分辨率，并且使用操作不方便，样品容易污染、损伤，并由此进一步限制了冷冻光镜电镜关联成像技术的关联定位精度、实验成功率和该技术的普及应用。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.鉴于现有技术的上述缺点、不足，本实用新型提供一种高真空环境光镜电镜关联成像系统，解决了现有技术中冷冻成像环境差导致的分辨率低、实验成功率低的问题。
6.(二)技术方案
7.为了达到上述目的，本实用新型提供了一种高真空环境光镜电镜关联成像系统，具体技术方案如下：
8.一种高真空环境光镜电镜关联成像系统，包括：
9.显微镜主体，设置有成像系统；
10.高真空腔室，通过固定架设于显微镜主体上，顶部盖板上设有上通光孔，底部设有下通光孔，上通光孔和下通光孔相互贯通；
11.成像系统的物镜设于高真空腔室内，并位于上通光孔和下通光孔之间；
12.样品传输杆，包括置物端和抽拉端，并在置物端和抽拉端之间延伸；
13.冷冻样品设于置物端，置物端穿设于高真空腔室内，以使冷冻样品置于物镜上方；
14.结构光照明系统，设于显微镜主体后侧，用于向高真空腔室内发射结构光，结构光穿过下通光孔照射于冷冻样品上。
15.进一步，高真空腔室的侧壁上还设置有位置调节装置；
16.样品传输杆的置物端能够穿过位置调节装置伸入高真空腔室内，抽拉端与位置调节装置连接；
17.位置调节装置适于位置调节，能够带动样品传输杆移动，以调节冷冻样品相对于物镜的位置。
18.进一步，位置调节装置包括波纹管、样品传输管和三维平移台；
19.三维平移台通过平移台固定架设于高真空腔室上；
20.波纹管一端连接于高真空腔室上，另一端与样品传输管连接，样品传输管与三维平移台连接；
21.样品传输杆的置物端穿设于样品传输管和波纹管内，外周与样品传输管密封连接；
22.抽拉端与样品传输管抵接，三维平移台工作能够带动与样品传输管连接的波纹管伸缩。
23.进一步，还包括抽真空系统；
24.抽真空系统抽真空系统包括低真空泵，真空规、第一真空阀、第一旁路和第二旁路；
25.第一真空阀设于波纹管与高真空腔室之间，分别与波纹管和高真空腔室密封连接，以在第一真空阀、波纹管、样品输送管和样品传输杆之间形成密封通道，第一真空阀用于控制高真空腔室与密封通道的连通和关闭；
26.第一旁路一端连接于样品传输管上，与密封通道连通，另一端与低真空泵连接，用于对密封通道抽低真空；
27.第二旁路一端连接于高真空腔室侧壁，另一端与低真空泵连接，用于对高真空腔室抽高真空；
28.真空规密封连接于高真空腔室侧壁，用于检测高真空腔室的真空度。
29.进一步，第一旁路包括通过气体管路连接的第二真空阀；
30.第二真空阀的一端连接于低真空泵的抽气口端，第二真空阀的另一端连接于样品传输管上；
31.第二旁路包括第三真空阀和分子泵；
32.第三真空阀连接于低真空泵的抽气口端，通过气体管路与分子泵连接，分子泵密封连接于高真空腔室侧壁上。
33.进一步，还包括防污染系统；
34.防污染系统包括杜瓦罐、真空连接管、导热棒、软连接带、连接器和冷盒；
35.杜瓦罐通过真空连接管连接于高真空腔室上，并置于高真空腔室外；
36.连接器通过支撑架设于高真空腔室内，一端通过软连接带与导热棒连接，导热棒穿过真空连接管与杜瓦罐连接，另一端与冷盒连接，冷冻样品置于冷盒内。
37.进一步，结构光照明系统包括沿光路依次设置的激光发射器、第一透镜组、分光棱镜、半波片、空间光调制器、第二透镜组、光阑、第三透镜组和二向色镜；
38.还包括光强度感应器，设于分光棱镜远离第二透镜组的一侧。
39.进一步，成像系统还包括沿光路依次设置的荧光滤镜、第四透镜组和探测器；
40.探测器与数据处理器通讯连接，数据处理器用于将探测器采集的冷冻样品图像进
行处理。
41.进一步，还包括物镜固定座；
42.物镜固定座可拆卸地密封连接于高真空腔室的底部，并位于下通光孔位置；
43.物镜固定座的中心处设置有圆孔，圆孔与上通光孔和下通光孔贯通。
44.进一步，还包括温度传感器和控制器；
45.温度传感器设于高真空腔室内，并与控制器通讯连接；
46.控制器还与位置调节装置、成像系统、结构光照明系统和抽真空系统通讯连接，控制器用于控制上述设备的启停。
47.(三)有益效果
48.本实用新型提供的高真空环境光镜电镜关联成像系统，具有以下有益效果。
49.本实用新型中，通过设置高真空腔室，使用时将物镜和冷冻样品置于高真空腔室内，为冷冻样品提供了一个高真空环境。进一步，在显微镜主体上设置结构光照明成像系统，结构光照明系统发射的光束穿过高真空腔室的下通光孔照射于冷冻样品表面，实现了冷冻样品在真空环境中的结构光照明成像，提高了冷冻光学成像系统的光学分辨率。
50.本实用新型中，冷冻样品通过冷冻样品传输杆传送至高真空腔室内，可有效避免夹取过程中冷冻样品发生形变、冰污染以及冷冻样品位置移动，大大提高了实验成功率及光镜电镜关联定位精度。
附图说明
51.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定，在附图中：
52.图1为具体实施方式中高真空环境光镜电镜关联成像系统的结构示意图；
53.图2为具体实施方式中高真空环境光镜电镜关联成像系统局部结构示意图；
54.图3为具体实施方式中高真空腔室内的结构示意图；
55.图4为图3中a-a剖面视图；
56.图5为图4中的局部放大图b；
57.图6为具体实施方式中成像系统和结构光照明系统的光路图；
58.图7为具体实施方式中抽真空系统的原理图。
59.【附图标记说明】
60.1、显微镜主体；
61.2、高真空腔室；201、盖板；202、上通光孔；204、观察窗；205、支撑架；206、下通光孔；
62.3、样品传输杆；301、置物端；302、抽拉端；
63.4、位置调节装置；401、三维平移台；402、样品传输管；403、波纹管；
64.5、防污染系统；501、杜瓦罐；502、真空连接管；503、导热棒；504、软连接带；505、连接器；506、冷盒；
65.6、抽真空系统；601、分子泵；602、真空规；603、第一真空阀；605、第二真空阀；606、低真空泵；607、第三真空阀；60a、第一旁路；60b、第二旁路；
66.7、成像系统；701、物镜；703、荧光滤镜；704、第四透镜组；705、探测器；706、数据处
理器；
67.8、结构光照明系统；801、激光发射器；802、第一透镜组；803、光强度感应器；804、分光棱镜；805、半波片；806、空间光调制器；807、第二透镜组；808、光阑；809、第三透镜组；810、二向色镜；
68.9、温度传感器；
69.10、传感器真空插座；11、固定架；12、控制器；13、物镜固定座；14、平移台固定架。
具体实施方式
70.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型的优选实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。
71.在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实施例保护范围的限制。
72.参见图1至图7，本实施例提供了一种高真空环境光镜电镜关联成像系统，包括显微镜主体1、高真空腔室2、样品传输杆3、成像系统7和结构光照明系统8。
73.具体地，参见图1、图2及图3，高真空腔室2通过固定架11安装于显微镜主体1上，高真空腔室2为具有上端开口的盒装结构，盒装结构的开口端设置有可拆卸盖板201，盖板201上设置有上通光孔202，高真空腔室2的盒底设置有下通光孔206，上通光孔202和下通光孔206相互贯通。高真空腔室2的盒底还设置有支撑架205，支撑架205选用塑料、玻璃纤维、陶瓷等隔热材质制成，高真空腔室2的前侧面上还设置有观察窗204，观察窗204为光学窗口片，便于观察高真空腔室2内的情况。
74.进一步，参见图4，成像系统7设于显微镜主体1上，成像系统7的物镜701通过物镜固定座13安装于高真空腔室2内，物镜固定座13可拆卸地连接于高真空腔室2的底部，并位于下通光孔206所在位置。物镜固定座13的中心位置对应设置有圆孔，圆孔与上通光孔202和下通光孔206相连通。为保证高真空腔室2内的密封环境，物镜固定座13与高真空腔室2之间设置密封圈，圆孔和上通光孔202位置对应设置透光片，以便于光束进入高真空腔室2内。本实施例可通过拆卸物镜固定座13更换不同放大倍数的物镜701，适应不同的光学成像需求，例如，可以实现低倍物镜701下大视野预览和高倍物镜701下局部区域高分辨率成像等。
75.本实施例中，参见图2、图3、图4及图5，样品传输杆3包括置物端301和抽拉端302，样品传输杆3在置物端301和抽拉端302之间延伸。置物端301用于固定冷冻样品，并穿设于高真空腔室2内，使冷冻样品位于物镜701上方，高真空腔室2的侧壁上对应设置有样品传输杆3适配接口，可满足不同型号样品传输杆3的使用需求。样品传输杆3的置物端301能够穿
过位置调节装置4伸入高真空腔室2内，抽拉端302与位置调节装置4连接，位置调节装置4适于位置调节，能够带动样品传输杆3移动，以调节冷冻样品相对于物镜701的位置。
76.具体地，位置调节装置4包括波纹管403、样品传输管402和三维平移台401，三维平移台401通过平移台固定架14安装于高真空腔室2上，波纹管403一端与高真空腔室2密封连接，另一端与样品传输管402连接，样品传输管402与三维平移台401连接，三维平移台401适于x、y、z三个方向的位置调节。样品传输杆3的置物端301穿设于波纹管403和样品传输管402内，抽拉端302与样品传输管402抵接，样品传输杆3的外周通过密封圈与样品传输管402内壁密封连接。波纹管403适于长度方向、水平方向和竖直方向的位置调节，当三维平移台401工作时，能够带动与样品传输管402连接的波纹管403对应移动，样品传输管402相对于高真空腔室2的位置发生移动，样品传输杆3的穿设长度也对应改变，能够精确调节冷冻样品相对于物镜701的位置，方便冷冻样品不同位置的荧光成像。
77.进一步，参见图2、图3及图7，本实施中的高真空环境光镜电镜关联成像系统还包括抽真空系统6，包括低真空泵606，第一旁路60a、第二旁路60b、第一真空阀603和真空规602。其中，第一真空阀603设于高真空腔室2和波纹管403之间，分别与高真空腔室2和波纹管403密封连接，以在高真空腔室2、波纹管403、样品传输管402和样品传输杆3之间形成密封通道，第一真空阀603用于控制高真空腔室2与密封通道的连通和关闭。第一旁路60a为预抽真空系统，出口端与低真空泵606的抽气口端密封连接，进口端与样品传输管402密封连接，用于对密封通道预抽低真空。第二旁路60b为高真空抽取系统，出口端与低真空泵606的抽气口端密封连接，进口端与高真空腔室2的侧壁连接，用于对高真空腔室2抽高真空。真空规602密封连接于高真空腔室2的侧壁上，用于检测高真空腔室2的真空度。
78.具体地，第一旁路60a包括第二真空阀605，第二真空阀605一端密封连接于样品传输管402上，另一端与低真空泵606的抽气口端连接，第二真空阀605用于控制第一旁路60a与密封通道的连通和关闭。当需要对密封通道抽低真空时，控制低真空泵606启动，第一真空阀603关闭，第二真空阀605开启，开始对密封通道抽低真空，当密封通道的气压达到设定值后，控制第二真空阀605关闭。
79.具体地，第二旁路60b包括第三真空阀607和分子泵601。其中，第三真空阀607连接于低真空泵606的抽气口端，通过气体管路与分子泵601连接，分子泵601设于高真空腔室2的侧壁上，第三真空阀607用于控制第二旁路60b与低真空泵606的连通和关闭，分子泵601用于对高真空腔室2抽高真空。
80.基于上述抽真空系统的具体结构，对高真空腔室2抽高真空。首先保持第一真空阀603、第二真空阀605关闭，控制低真空泵606启动，第三真空阀607开启，开始对分子泵601以及高真空腔室2抽低真空，当达到设定值后，控制分子泵601启动，开始为高真空腔室2抽高真空，真空规602用于监测高真空腔室2的真空度。
81.本实施例中，冷冻样品通过样品传输杆3传送至高真空腔室2内。预先将冷冻样品置于样品传输杆3的置物端301，将样品传输杆3预插入样品传输管402内。保持第一真空阀603关闭，控制第三真空阀607关闭，控制第二真空阀605开启，低真空泵606开始对密封通道抽低真空。当达到设定值后，控制第二真空阀605关闭，控制第一真空阀603开启，控制第三真空阀607开启，密封通道与高真空腔室2连通，样品传输杆3在负压作用下被抽吸到高真空腔室2内，实现了冷冻样品由大气到高真空环境的传输。本实施例通过样品传输杆3将冷冻
样品输送至高真空腔室2内，可避免现有冷冻传输方式中的冷冻样品在夹取过程中发生形变和冰污染对冷冻样品的结构的损坏，大大提高了实验成功率，以获得更加真实的生物样本的结构信息。对于不同的冷冻样品的成像需求，可更换不同型号的样品传输杆3，通用性强，适于范围广。
82.进一步，参见图3，本实施例中的高真空环境光镜电镜关联成像系统还包括防污染系统5，具体包括杜瓦罐501、真空连接管502、导热棒503、软连接带504、冷盒506和温度传感器9。其中，杜瓦罐501通过真空连接管502连接于高真空腔室2的侧壁上，连接器505固定于高真空腔室2内的支撑架205上，一端通过软连接带504与导热棒503连接，导热棒503穿过真空连接管502与杜瓦罐501连接，连接器505另一端与冷盒506连接，冷盒506上设置有槽口，样品传输杆3的置物端301置于冷盒506的槽口内，使冷冻样品与高真空腔室2的真空环境隔离，为冷冻样品提供了个防污染的成像环境，大大减少了成像过程中的污染物在样品上的沉积。液氮杜瓦罐501内盛满液氮为高真空腔室2内低温环境提供冷源，对应的真空连接管502、导热棒503、软连接带504、连接器505和冷盒506均为紫铜等热的良导体材质制成，将高真空腔室2内的冷盒506通过热传导的方式进行冷却，使冷盒506始终处于接近液氮温度，实现良好的对冷冻样品的防污染效果。温度传感器9设于支撑架205上，用于检测高真空腔室2内的冷盒506温度。
83.进一步，本实施例中的结构光照明系统8为外置结构光照明系统8，设置在显微镜主体1上，并设于高真空腔室2的后方，用于向高真空腔室2内发射结构光，为物镜701和冷冻样品提供结构光照明。
84.具体地，参见图6，本实施例中的结构光照明系统8包括沿光路依次设置的照明模块、第一透镜组802、分光棱镜804、半波片805、空间光调制器806、第二透镜组807、光阑808、第三透镜组809和二向色镜810。其中，照明模块为激光发射器801，用于发射不同波长的激发光光束，发射光束经第一透镜组802扩束为平行光束，平行光束经分光棱镜804转变为具有特定偏振方向的线偏振光束，线偏振光束经半波片805和空间光调制器806后被调制成特定方向和空间频率的结构光，调制后的结构光再次经过分光棱镜804后传播方向产生90度偏折，经第二透镜组807聚焦至光阑808上，光阑808按使用需求对聚焦光束进行过滤，仅允许正负一级和零级衍射光通过并进入后续光路中，正负一级和零级衍射光经第三透镜组809扩束聚焦，后经二向色镜810反射后穿过下通光孔206照射至物镜701后瞳，经过物镜701会聚到样品上，为冷冻样品荧光成像提供结构光照明。进一步，第一透镜组802包括沿光路依次设置的3个双胶合透镜，3个双胶合透镜依次对发射光束进行扩束、聚集、扩束，将激光发射器801出射的点光源照明光束扩束为均匀的照明光斑，增加光束的均匀照明范围。第二双胶合透镜组包括1个双胶合透镜，用于将调制后的结构光聚焦至光阑808上，实现对正负一级和零级衍射光的过滤。第三透镜组809包括沿光路设置的2个双胶合透镜，分别用于扩束、聚焦。其中，聚焦用双胶合透镜和二向色镜810分别设于显微镜主体1上，二向色镜810设于下通光孔206的下方，二向色镜810具有反射和透射功能，可以反射激发光(波长短)，透射发射光(波长长)。进一步，结构光照明系统8还包括光强度感应器803，光强度感应器803设于分光棱镜804远离第二透镜组807的一侧，用于感应结构光的强弱。具体使用时，当需进行二维结构光照明成像时，仅允许物镜701后瞳处正负一级衍射光进入照明光路照射样品，通过空间光调制器806控制获取三个照明角度(每个照明角度移动三个照明相位)共计9张原
始照明成像数据的收集。当需进行三维结构光照明成像时，仅允许物镜701后瞳处正负一级及零级衍射光进入照明光路照射样品，通过空间光调制器806控制获取每个光学层面三个照明角度(每个照明角度移动五个照明相位)共计15张原始照明成像数据的收集。本实施例通过空间光调制器806改变照明结构光的空间频率以适应不同放大倍数物镜701的数值孔径需求，以获得相应的图像分辨率。
85.具体地，本实施例中的成像系统7包括设置于高真空腔室2内的物镜701、二向色镜810、荧光滤镜703、第四透镜组704、探测器705和数据处理器706，物镜701、二向色镜810、荧光滤镜703、第四透镜组704和探测器705沿光路依次设置，探测器705与数据处理器706通讯连接。具体到本实施例中，第四透镜组704为双胶合透镜，冷冻样品上提前标记有荧光物质，当结构光照射冷冻样品表面时，荧光物质被激发，发出比激发光(结构光)波长更长的发射光束，发射光束(长波光束)透过二向色镜810，经荧光滤镜703过滤掉杂散光后，由第四透镜组704聚焦于探测器705上进行成像数据采集，并传输给数据处理器706，数据处理器706对结构光成像数据进行分析处理和高分辨率信息重构。
86.进一步，本实施例中的高真空环境光镜电镜关联成像系统7还包括控制器12，控制器12分别与位置调节装置4、成像系统7、抽真空系统6、结构光照明系统8和温度传感器9通讯连接。其中，温度传感器9通过传感器真空插座10与控制器12连接，并将高真空腔室2内冷盒506的温度信息传输给控制器12显示，以监测冷盒506的温度始终低于一安全值-160℃，以防止温度升高，防污染性能减弱，使冷冻样品受到杂质的污染。
87.基于上述高真空环境光镜电镜关联成像系统，其具体使用过程包括如下步骤：
88.1)、控制结构光照明系统8启动，将结构光从显微镜主机后侧入光口导入，进而导入到高真空腔室2内，并进行系统光路准直及照明光空间频率调制参数优化设定；
89.2)、对高真空腔室2抽高真空：
90.控制第一真空阀603关闭、低真空泵606、分子泵601和第三真空阀607启动，开始为高真空腔室2抽真空，当真空规602检测到高真空腔室2内的真空度优于设定值(例如，5
×
10-3
pa)时，系统可以使用；
91.3)、对杜瓦罐501加满液氮，使冷盒506冷却，当控制器12通过温度传感器9监测到冷盒506温度低于设定值(例如，-160℃)时，可以准备冷冻样品传输；
92.4)、预先冷冻样品固定于样品传输杆3的置物端301；
93.5)、对密封通道抽低真空：
94.把装有冷冻样品的样品传输杆3插入样品传输管402中，控制第三真空阀607关闭，第二真空阀605开启，低真空泵606开始对密封通道抽低真空，当真空度到达设定值(例如，10pa)时，控制第二真空阀605关闭，第一真空阀603开启，第三真空阀607开启，样品传输杆3在负压作用下被吸入高真空腔室2内；
95.6)、控制三维平移台401精确调整样品传输杆3的水平位置和高度，以使冷冻样品位于物镜701上方；
96.7)、当真空腔室内真空度恢复至规定值后，打开金属挡片，开启结构光照明成像：如需进行二维结构光照明成像，通过空间光调制器806控制获取三个照明角度(每个照明角度移动三个照明相位)共计9张原始照明成像数据的收集；如需进行三维结构光照明成像，通过空间光调制器806控制获取每个光学层面三个照明角度(每个照明角度移动五个照明
相位)共计15张原始照明成像数据的收集，通过控制三维平移台401的上下移动获取原始三维数据。数据采集完成后，通过结构光照明重构算法将包含高分辨率信息的高频信息以移频的方式复原，从而获得比冷冻宽场照明荧光成像分辨率提高一倍的冷冻结构光照明荧光图像；
97.8)、光学成像完成后，通过与样品传输杆3插入高真空腔室2相反的操作，把样品传输杆3从高真空腔室2内拔出，并转移到透射电镜(或扫描电镜)中，根据得到的荧光图像导航定位，选择感兴趣的目标区域进行电镜高分辨率数据采集，从而获得冷冻光镜电镜关联成像数据。
98.上述为本实施例高真空环境光镜电镜关联成像系统的具体结构及使用方法，可广泛应用于冷冻光学成像以及光电关联成像技术应用领域，使冷冻样品真空环境下进行结构光照明成像，进而提高了成像系统7的光学分辨率和光电关联对齐精度。本实施例高真空环境光镜电镜关联成像系统可以配合不同类型的样品传输杆3和系统参数设置实现冷冻、高温、气氛、液体等不同条件下的成像，本实施例中还可根据光学成像需求更换不同放大倍数的物镜701，以及放置电动多镜头座，实现不同放大倍数的物镜701在实验中的自由切换。结构光照明系统8通过空间光调制器806对应调整结构光的空间频率以适应不同放大倍数物镜701使用需求，进而满足了不同冷冻样品的成像需求，适用范围广，通用性强。
99.综上所述，本实用新型提供的高真空环境光镜电镜关联成像系统，仅为本实用新型的较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都涵盖在本实用新型的保护范围内。