宽视场光片荧光显微成像技术研究

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光片荧光显微成像技术与传统的落射式照明荧光显微成像方式有明显的差异:该系统的照明光束是经过柱面透镜或振镜扫描实现的一个厚度很薄的片状光束,而探测光路与照明光路相互垂直。光片荧光显微镜的成像速度快、光毒性弱、光漂白性弱,适于进行活体样本的三维成像与长时间实时成像。  虽然光片荧光显微成像技术在生物样本成像中有很多优点,但由于照明光束的片状形态与照明物镜数值孔径有关,传统的高斯光束光片荧光显微镜其成像轴向分辨率与视场范围彼此制约。因此如何在保证高轴向分辨率的前提下扩展成像视场成为光片荧光显微成像技术研究的一个重要问题。  本论文在宽视场光片荧光显微成像技术研究中,通过液晶空间光调制器(Liquid Crystal Spatial Light Modulator,LC-SLM)对照明光束波前进行调制。为使LC-SLM可以对光束进行准确地调制,本文提出了结合高位深相位光栅图对LC-SLM标定的方法,并得到了标定文件LUT16(Look-Up-Table16)。由标定效果的分析实验可知,本文提出的LC-SLM校准方法相比于传统的标定手段,校准的准确性更高、系统更简单,对环境的要求更低。  本论文在传统的光片荧光显微成像技术的基础上提出了两种可以在不牺牲轴向分辨能力的情况下扩展视场的方法。  第一种方法,通过LC-SLM改变入射照明光束的波前相位,使光束在样本中的聚焦位置在光轴方向上发生偏移,激发出样本中不同位置处的荧光,再经过对这些图像进行剪裁拼接,从而实现对整个样本的大视场成像。在实验平台中将荧光微球和菊花花粉置于样品池中进行成像实验。经数据采集与后期数据处理可得,当488nm波长的照明光束经过数值孔径为0.3的照明物镜激发样本时,能够维持片状光厚度在0.81μm的同时实现31.93μm的视场范围,相对于普通光片成像视场扩展了3倍。  第二种方法是利用具有无衍射性质的艾里光束形成片层光激发样本,并建立去卷积算法恢复图像的轴向分辨率。首先,在LC-SLM控制软件上,上传三次相位图从而调制光束得到艾里光束,并由振镜扫描形成片层光激发样本成像。接着,以上述成像图片为初始数据,编辑去卷积算法程序对成像的轴向分辨率进行恢复,提高轴向分辨率。采用10×、NA-0.3的照明物镜和20×、NA-0.5的探测物镜对样本进行成像的实验结果为:在利用42倍的探测放大倍率对荧光微球进行成像时,视场范围从传统高斯光束形成的片层光激发样本成像的25μm扩展到208μm。在利用53倍的探测放大倍率对染色的斑马鱼肌肉组织成像时,视场范围从20μm扩展到167μm。  仿真和实验表明,本论文提出的方法有效解决了传统高斯光束光片荧光显微系统对样本成像时轴向分辨率高而视场范围小的问题。
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