一种光片显微成像转换装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种光片显微成像转换装置，包括：光片激光光源、样品夹持器、以及运动器；所述光片激光光源，产生光片激光，水平照射在被固定于样品夹持器样品上；所述运动器，与样品夹持器连接，用于带动样品夹持器在与竖直方向夹角小于15度方向上运动。本发明提供的光片显微成像转换装置，是一种小型化、低成本的转换装置，能通过加装在普通的倒置荧光显微镜上，使其具备光片显微成像的能力，通过少量改装实现三维成像上的质的突破，从而大幅降低生物样品三维成像的成本。
【专利说明】
一种光片显微成像转换装置
技术领域
[0001]本发明属于显微成像领域，更具体地，涉及一种光片显微成像转换装置。
【背景技术】
[0002]光片显微成像系统(lightsheet microscopy)是本世纪发明的一种新型的显微成像技术。与激光共聚焦扫描以及普通的宽场荧光显微镜相比它具有低光毒性，高轴向分辨率，大成像动态范围等多项优势，非常适用于从单细胞到多细胞结构或全胚胎的大范围三维观察。光片显微成像技术有别于传统的荧光显微技术，它使用了一个额外的照明光路产生超薄的激光光片照明样品，样品内只有被光片照明的极薄的平面会被激发产生荧光，然后通过在与光片照明光路正交的方向设置显微成像光路收集一系列轴向分辨率高的荧光图像。因此主流的光片显微成像系统，比如选择性平面照明显微成像系统(SelectivePlane Illuminat1n Microscopy，SPIM)，再如数字扫描式激光光片显微成像系统(Digital Scanning Laser Sheet Microscopy)均是包含有三个主要的部分，即:光片照明光路，样品固定及扫描装置，宽场显微成像光路。这三个部分通常由照明光路和成像光路组成L型的正交结构，样品固定及扫描装置处在L光路的拐角处。加强型的光片成像系统则为十字型结构，使用双侧照明，双侧采集的结构以应对厚样品的快速成像。目前几乎所有已知的光片显微成像系统均采用自主搭建的照明光路，机械扫描装置，以及成像光路。所不同的是有的系统是完全分立式的组装在一个光学平台上。有的则是在一台倒置荧光显微镜上进行光片成像系统的加装。无论采用上述的哪种方式，都没有去有效利用现有的荧光显微镜资源，因此系统的搭建也就需要使用很多的光机组件和光学元件。先不论成本的高昂，这种搭建系统的组装和使用均需要有高度光学，机械经验的人参与，并无益于光片显微成像系统在它的主要受众:生物学实验室的普及。
[0003]光片显微成像系统与普通宽场照明显微镜的主要区别是在于样品的照明方式上，因此理论上只需在一台倒置荧光显微镜上的水平方向加装一个照明光路即可实现光片成像。但主要的技术问题在于1.普通的倒置荧光显微镜采用将样品水平放置在载玻片或盖玻片上的方向进行成像，玻片的侧面薄且不平，使从水平的侧面加装光片照明光路几乎不可能。2.显微镜的物镜的工作距离通常很短，留给加装的空间极其有限，而通用的载物台上也很难固定光具3.—般的倒置荧光显微镜并无Z轴机械扫描部件，无法实现光片的Z轴扫描。因此欲在一个普通倒置宽场荧光显微镜上通过非常小规模的改进即实现光片成像有很大的技术难度，需要解决上述的样品放置棘手，加装空间有限，以及扫描难的问题。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光片显微成像转换装置，其目的在于通过微型化的激光光片发生装置与样品在竖直方向上发生相对运动，使得使用普通的倒置荧光显微镜就能采集到能堆积出立体图像的高分辨率轴向荧光图像，由此解决现有的倒置显微镜无法改装为光片成像系统的技术问题。
[0005]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光片显微成像转换装置，包括:光片激光光源、样品夹持器、以及运动器；
[0006]所述光片激光光源，产生光片激光，水平照射在被固定于样品夹持器样品上;所述运动器，与样品夹持器连接，用于带动样品夹持器(2)运动，所述运动其方向与竖直方向夹角小于15度。
[0007]优选地，所述光片显微成像转换装置，其光片激光光源包括光源、光片生成部件；所述光源用于产生准直激光，所述光片生成部件用于将所述准直激光转化为激光光片。
[0008]优选地，所述光片显微成像转换装置，其光源包括在激光方向上依次设有激光准直头以及可调光阑;所述光片生成部件，在激光方向上设有柱面镜，所述柱面镜包括旋转底座，用于调整柱面镜位置。
[0009]优选地，所述光片显微成像转换装置，其样品夹持器包括可更换的夹持部件以及样品池;所述夹持部件用于连接样品池与运动器。
[0010]优选地，所述光片显微成像转换装置，其样品池为比色槽，其底面和片光激光方向的侧面为光学平整面。
[0011]优选地，所述光片显微成像转换装置，其运动器为电动促动器，运动精度为10微米以下，优选运动精度为I微米或以下，更优选运动精度为100纳米或以下。
[0012]优选地，所述光片显微成像转换装置，其还包括水平位移平台，与运动器连接，用于提供水平面内二维移动。
[0013]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:
[0014]本发明提供了一种将普通倒置荧光显微镜改装成最大化地利用原显微镜的已有资源，光学部分只在原显微镜基础上添加了光片产生部件。解决了其他类的基于传统宽场照明显微镜的光片显微成像改装均难以有效利用显微镜光路的，进而增加系统复杂度和成本的大问题。通过在普通的倒置荧光显微镜上加装小型化、低成本的转换装置，使其具备光片显微成像的能力。由于倒置荧光显微镜的高普及率，本发明能通过少量改装实现三维成像上的质的突破，从而大幅降低生物样品三维成像的成本。
[0015]优选方案采用的柱面镜底座位置及样品位置采用精确可调可控的设计，使得样品和光片的对准操作极为方便。
[0016]优选方案可替换的样品夹持提高了本装置的普适性，针对不同成像对象的需要，可设计不同的样品夹持装置，通过螺丝固定在位移台面即可实现光片扫描三维成像。
[0017]优选方案利用高精度的电动促动器执行三维扫描成像，能稳定地三维成像，也便于实现自动化控制。
【附图说明】
[0018]图1是本发明提供的光片显微成像转换装置结构示意图；
[0019]图2是为光片成像附件与实验室普通倒置荧光显微镜一起的完整工作示意图；
[0020]图3是光片成像附件装置中样品夹持器与运动器；
[0021]图4为本发明实施例使用所述光片纤维成像转换装置之前、之后的倒置荧光显微镜切面图像，重构面图像以及三维重构图像的结果对比。
[0022]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:
[0023]I为光片激光光源，11为光源，12为光片生成部件，111为激光准直头，112为可调光阑，121为柱面镜，122为底座，2为样品夹持器，21为夹持部件，22为样品池，3为运动器，4为样品，5为水平位移平台，6为基座。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025]本发明提供的光片显微成像转换装置，包括:光片激光光源1、样品夹持器2、以及运动器3，优选方案还包括二维移动平台；所述光片激光光源I，产生光片激光，水平照射在固定于样品夹持器2的样品4上;所述运动器3，与样品夹持器2连接，用于带动样品夹持器2运动，所述运动其方向与竖直方向夹角小于15度。所述二维移动平台与垂直运动其连接，用于提供水平面内二维移动。
[0026]所述光片激光光源I，包括光源11、光片生成部件12，所述光源11用于产生准直激光，所述光片生成部件12用于将所述准直激光转化为激光光片。所述光源11包括在激光方向上依次设有激光准直头111、可调光阑112;所述光片生成部分，在激光方向上设有柱面镜121，所述柱面镜121包括旋转底座122，用于调整柱面镜121位置。
[0027]所述样品夹持器2包括可更换的加持部件以及样品池22;所述夹持部件21用于连接样品池22与运动器3。所述样品池22为比色槽，其片光激光方向的侧面和底面为光学平整面。
[0028]所述运动器3为电动促动器，运动精度为10微米或以下，优选运动精度为I微米或以下，更优选运动精度为100纳米或以下。
[0029]以下为实施例:
[0030]实施例1
[0031]本发明提供的光片显微成像转换装置，如图1所示，本发明提供的光片显微成像转换装置，包括:光片激光光源1、样品夹持器2、以及运动器3，优选方案还包括二维移动平台；所述光片激光光源I，产生光片激光，水平照射在被固定于样品夹持器2的样品4上;所述运动器3，与样品夹持器2连接，用于带动样品夹持器2在竖直方向上运动，所述二维移动平台与垂直运动其连接，用于提供水平面内二维移动。
[0032]所述光片激光光源I，包括光源11、光片生成部件12，所述光源11，用于产生准直激光，所述光片生成部件12用于将所述准直激光转化为激光光片。所述光源11包括在激光方向上依次设有激光准直头111、可调光阑112;所述光片生成部分，在激光方向上设有柱面镜121，所述柱面镜121包括旋转底座122，用于调整柱面镜121位置。
[0033]所述可调光阑112为小型的光阑组合，对激光准直头111产生的激光光束进行空间滤波，整形后的准直光束经过一个短焦距柱面镜121线聚焦后产生光片。装置具体的组装实现方式如图1所示。
[0034]所述样品夹持器2包括可更换的加持部件以及样品池22;所述夹持部件21用于连接样品池22与运动器3。所述样品池22为比色槽，其片光激光方向的侧面和底面为光学平整面。
[0035]样品夹持器2包括可更换的样品夹持部件21及定制的用于生物观察成像的样品池22。其中，微样品4装载于样品夹持部件21上，浸没在样品池22提供的生物培养液中，以保证能够对活体生物组织进行光片成像。
[0036]运动器3和二维移动平台使得样品4加持部分三维移动，所述运动器3采用高精度电动促动器，运动精度为10微米以下。在垂直光片方向，通过高精度的电动促动器的驱动，光片完成对样品4的三维扫描。同时可以通过调控另一个维度的螺旋测微仪，可以在一定量程范围内调整样品4的位置，使得样品4能够处于光片的作用区域。
[0037]对于以上所有部件都通过简单的嵌入或螺丝紧固的方式固连在安装基座6上。安装基座6采用精密机加工一体成型，保证了光片生成光路的高准直度和良好的对齐性。安装基座6底部带有安装通孔，可以方便地整体固定在倒置荧光显微镜的载物台上。当该装置固定于显微镜上时，装置产生的光片平行于载物台平面，与荧光显微镜的物镜及采集光路正交。荧光成像时，样品4固定在所述装置中，无需使用显微镜的宽场光激发，而以精密机械控制的方式移动样品4，使其被光片扫描激发，被光片照亮的平面产生的荧光信号被倒置荧光显微镜顺序收集，用于后期的图像三维重构。整体非常小巧，方便在有限的空间里集成在倒置荧光显微镜，并与物镜在有限的工作距离下协同工作。装置的工作全景示意图如图2所不O
[0038]普通的倒置荧光显微镜在水平的侧面加装光片照明光路几乎不可能，本发明采用了可拆卸，易替换的样品夹持部件21。在成像过程中，样品4浸没且悬空在装有培养液的定制样品池22中，所述样品池22设计的夹持部件21上。采用这种方式，可以解决在普通的倒置荧光显微镜中，由于将样品4水平放置在载玻片或盖玻片上的方向进行成像，玻片的侧面薄且不平而导致的无法成像或者成像质量差的弊端。同时，针对不同的样品4需求，可以设计不同的夹持部件21结构，这种设计极大的增加了所述装置的普适性。通常，由于显微镜的物镜工作距离短，对于采用高倍物镜成像更是如此，因此留给加装样品4的空间极为有限。为了解决这个问题，我们采用订制的比色槽作为容纳生物细胞组织样品4的样品池22，该样品池22具有如下特点:(I)为了便于配合样品4夹持部件21，采用槽状结构；(2)样品池22的另外三个侧面为光学平整面，都具有高通光性；(3)样品池22靠近物镜的底面，厚度相当于盖玻片厚度水准，以此满足高倍成像的需要。具体实现案例如图3所示。
[0039]进一步地，本发明提供的光片显微成像转换装置中，采用机械驱动的方式完成对样品4的三维光片扫描。其主要实现方式是将所述可拆卸，易替换的样品夹持部件21固定安装在一个水平位移平台5面上，在竖直方向上，采用高精度的电动促动器，从而高精度地完成对样品4的自动化三维扫描。为了使样品4能完整通过光片作用区域，在成像前需要对样品4的位置进行相应的调整。通过对水平位移平台5的另一个维度的螺旋测微仪的调控，可以在一定位移行程内，对样品4进行精确的位置调整。在电动促动器的驱动下，样品4从上到下经过光切片后，产生一系列的切面荧光图像，它们的总和包含了完整的样品4信息。使用倒置荧光显微镜及配套的荧光相机地即可将这一系列的切面荧光图像以数字方式记录下来。与倒置荧光显微镜自带的宽场照明式荧光成像相比，使用所述装置的光片照明得到的荧光图像具有以下优势:1.具有显著更高的轴向分辨率;2.基本杜绝了焦外荧光激发对图像的污染。因此，简单地通过堆积这些切面荧光图像，我们即可重构出样品4的三维图像，获得样品4完整的空间信息。本发明通过加装一个小型且廉价的，包含有光切片产生部件和样品4扫描部件的光片显微成像转换装置，即在传统的倒置荧光显微镜上实现了高轴向分辨率和高动态范围的三维荧光显微成像。扫描光片成像技术具体实现方式如图3所示。
[0040]实施例2
[0041]使用fIik绿色荧光蛋白的转基因鱼胚胎的心脏发育作为观察对象。Flik荧光蛋白在内皮细胞和心肌细胞中表达，因此鱼的循环系统包括血管，心脏均在激发光的作用下发射绿色荧光。如使用普通的宽场照明倒置荧光显微镜观察，由于广泛的焦外光照射，心脏周围的组织均被激发出荧光，倒置整个图像对比度低，光污染严重，来自心脏的截面图像很不明显。如图4的左上侧所示。经过简单在加装光片显微成像转换装置后，使用附件产生的极薄光片照明，可以几乎完全杜绝焦外光的污染，得到的心脏截面图像清晰，对比度高，如图4的右上侧所示。同时由于激发光能量几乎完全用在焦面的照明上，因此图像的动态范围更大，后期的处理空间也相应更大。并且，加装附件后，由于使用比物镜的焦深更薄的光片成像，图像的轴向分辨率也大幅提升，使得高质量的三维成像成为可能。图4左中展示的是用原始倒置荧光显微镜对三维培养的细胞结构进行三维成像后重构的y-ζ面，我们可以看到轴向重构的分辨率以及焦外污染均非常糟糕，细胞结构完全无法解析。而对应的三维重构结果也很不理想(左下)。而在图4右中展示的安装光片成像附加装置后对同一样品4成像的结果中，重构面图像的轴向分辨率与对比度均获得了显著的提升，可以清晰分辨细胞的结构。而对应的三维重构效果也获得极大提升，可以清楚展示三维细胞的空间结构信息(右下)。所以，借助我们的光片显微成像转换装置，在宽场倒置显微镜上实现了对于多细胞结构的真正意义上的三维成像和完美重构。
[0042]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种光片显微成像转换装置，其特征在于，包括:光片激光光源(I)、样品夹持器(2)、以及运动器(3); 所述光片激光光源(I)，产生光片激光，水平照射在被固定于样品夹持器(2)样品上;所述运动器(3)，与样品夹持器(2)连接，用于带动样品夹持器(2)运动，所述运动其方向与竖直方向成夹角，优选夹角小于15度。2.如权利要求1所述的光片显微成像转换装置，其特征在于，所述光片激光光源(I)包括光源(U)、光片生成部件(12);所述光源(11)用于产生准直激光，所述光片生成部件(12)用于将所述准直激光转化为激光光片。3.如权利要求2所述的光片显微成像转换装置，其特征在于，所述光源(11)包括在激光方向上依次设有激光准直头(111)以及可调光阑(112);所述光片生成部件(12)，在激光方向上设有柱面镜(121)，所述柱面镜(121)包括旋转底座(122)，用于调整柱面镜(121)位置。4.如权利要求1所述的光片显微成像转换装置，其特征在于，所述样品夹持器(2)包括可更换的夹持部件(21)以及样品池(22);所述夹持部件(21)用于连接样品池(22)与运动器⑶。5.如权利要求4所述的光片显微成像转换装置，其特征在于，所述样品池(22)为比色槽，其底面和片光激光方向的侧面为光学平整面。6.如权利要求1所述的光片显微成像转换装置，其特征在于，所述运动器(3)为电动促动器，运动精度为10微米或以下，优选运动精度小于I微米或以下，更优选运动精度100纳米或以下。7.如权利要求1所述的光片显微成像转换装置，其特征在于，还包括水平位移平台(5)，与运动器(3)连接，用于提供水平面内二维移动。
【文档编号】G01N21/01GK106053346SQ201610494150
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】费鹏, 刘胜, 江浩, 聂俊, 关泽, 关泽一
【申请人】华中科技大学