并行STED显微中光学系统对荧光擦除图案的影响
发布时间：2021-03-18 05:22
并行受激发射损耗（STED）显微术采用周期性排列的光学格子作为荧光抑制图案并行实现多点荧光擦除,可以有效地提升显微成像的时间分辨率。本文建立了并行STED显微成像系统的简化光学系统模型,在此基础上推导出受光学参数影响的并行荧光擦除图案周期公式,来阐明辅助物镜及显微物镜对该周期的影响机理。由该公式,解出了能产生更小周期并行荧光擦除图案的最优光学参数。数值仿真结果显示,本文方法能产生出周期小至276nm×276nm的正方形网格状并行荧光擦除图案。
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(09)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
并行STED显微成像系统的简化理想光学系统模型
在实际情况中标准透镜可取得的最大焦距为1000mm，通过特殊定制可以取得更大焦距的辅助物镜，但考虑到光学系统中过长传播距离对损耗光束能量的衰减及定制透镜带来的成本上升等副作用，可以认为显微成像系统中最佳的辅助物镜焦距为可获得标准透镜的最大焦距1000mm，且图2(b）虚线中与之最为匹配的物方倾斜角为0.24°，所以可以认为损耗光束入射显微成像系统的最佳物方倾斜角u=0.24°。与此同时，在最佳辅助物镜焦距和最佳物方倾斜角条件下，损耗光束直径改变对并行荧光擦除图案周期的影响非常小可以忽略，所以可以认为激光器出射光束的原始直径就是损耗光束入射显微成像系统时的最佳光束直径。本文使用Zemax软件按图1所示系统设计光路装置，仿真研究了最佳光学参数所产生的并行荧光擦除图案。在仿真过程中，使用四个波长为760nm且光束大小为1的等功率线性偏振高斯光源来模拟四束损耗光B1～B4，使用一个焦距为1000mm的双胶合消色差透镜作为辅助物镜，使用上文理论计算中参照参考文献[22]中例1所示结构建立的平场复消色差油浸物镜作为显微物镜，该显微物镜的NA=1.4、后孔径直径为8.51mm且浸油折射率为1.515。为探测损耗光束干涉产生的并行荧光擦除图案，在样本平面焦点处同轴放置两个轴向间距为1nm、横纵半宽均为830nm的矩形探测器，令它们分别探测水平偏振损耗光束或竖直偏振损耗光束干涉产生的相干照度。因两探测器间距远小于衍射极限，所以可以认为它们分别接收到并行荧光擦除图案的水平偏振分量和竖直偏振分量，两探测器探测结果叠加，即可得到样本平面上并行荧光擦除图案的光照强度分布，仿真结果如图3所示[23-25]。
本文使用Zemax软件按图1所示系统设计光路装置，仿真研究了最佳光学参数所产生的并行荧光擦除图案。在仿真过程中，使用四个波长为760nm且光束大小为1的等功率线性偏振高斯光源来模拟四束损耗光B1～B4，使用一个焦距为1000mm的双胶合消色差透镜作为辅助物镜，使用上文理论计算中参照参考文献[22]中例1所示结构建立的平场复消色差油浸物镜作为显微物镜，该显微物镜的NA=1.4、后孔径直径为8.51mm且浸油折射率为1.515。为探测损耗光束干涉产生的并行荧光擦除图案，在样本平面焦点处同轴放置两个轴向间距为1nm、横纵半宽均为830nm的矩形探测器，令它们分别探测水平偏振损耗光束或竖直偏振损耗光束干涉产生的相干照度。因两探测器间距远小于衍射极限，所以可以认为它们分别接收到并行荧光擦除图案的水平偏振分量和竖直偏振分量，两探测器探测结果叠加，即可得到样本平面上并行荧光擦除图案的光照强度分布，仿真结果如图3所示[23-25]。图3(a）为探测器1接收到的水平偏振损耗光束B3、B4在样本平面上干涉产生的相干照度分布，它是一组空间上横向（x方向）周期性排列的竖直光学条纹；图3(b）为探测器2接收到的竖直偏振损耗光束B1、B2在样本平面上干涉产生的相干照度分布，它是一组空间上纵向（y方向）周期性排列的水平光学条纹；二者叠加后，得到并行荧光擦除图案在样本平面上的光照强度分布：一个周期小至276nm×276nm的正方形光学格子，如图3(c）所示。该仿真图案周期为此条件下衍射极限（271.429nm）的1.017倍，且与此条件下由（3）式算得到的理论计算周期相一致，仿真周期与理论计算周期间的误差仅为1.65%。而另一方面，已报道方法在同样损耗光波长下，使用NA=1.49的显微物镜仅产生出周期小至290nm×290nm的正方形光学格子，该图案周期为此条件下衍射极限（255.034nm）的1.137倍[11]。这一数据对比说明（3）式可以预测受并行STED显微成像系统光学参数影响的并行荧光擦除图案周期，它揭示了辅助物镜焦距及损耗光束入射显微成像系统的物方倾斜角对并行荧光擦除图案周期的影响机理，且可由（2）式、（5）式计算出能产生更小周期并行荧光擦除图案的最佳光学参数。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于可控光剂量的低荧光漂白共聚焦成像技术[J]. 徐依雯,张运海,杨皓旻,季林,昌剑,刘创,唐玉国. 中国激光. 2018(04)
[2]双光子荧光寿命成像在肿瘤诊断研究中的应用[J]. 李慧,夏先园,陈廷爱,余佳,李曦,郑炜. 中国激光. 2018(02)
[3]新型超分辨显微技术浅析[J]. 金录嘉,何洋,瞿璐茜,张弛,李美琪,席鹏. 激光与光电子学进展. 2018(03)
[4]荧光蛋白与超分辨显微成像[J]. 彭鼎铭,付志飞,徐平勇. 光学学报. 2017(03)
本文编号：3087989
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(09)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
并行STED显微成像系统的简化理想光学系统模型
在实际情况中标准透镜可取得的最大焦距为1000mm，通过特殊定制可以取得更大焦距的辅助物镜，但考虑到光学系统中过长传播距离对损耗光束能量的衰减及定制透镜带来的成本上升等副作用，可以认为显微成像系统中最佳的辅助物镜焦距为可获得标准透镜的最大焦距1000mm，且图2(b）虚线中与之最为匹配的物方倾斜角为0.24°，所以可以认为损耗光束入射显微成像系统的最佳物方倾斜角u=0.24°。与此同时，在最佳辅助物镜焦距和最佳物方倾斜角条件下，损耗光束直径改变对并行荧光擦除图案周期的影响非常小可以忽略，所以可以认为激光器出射光束的原始直径就是损耗光束入射显微成像系统时的最佳光束直径。本文使用Zemax软件按图1所示系统设计光路装置，仿真研究了最佳光学参数所产生的并行荧光擦除图案。在仿真过程中，使用四个波长为760nm且光束大小为1的等功率线性偏振高斯光源来模拟四束损耗光B1～B4，使用一个焦距为1000mm的双胶合消色差透镜作为辅助物镜，使用上文理论计算中参照参考文献[22]中例1所示结构建立的平场复消色差油浸物镜作为显微物镜，该显微物镜的NA=1.4、后孔径直径为8.51mm且浸油折射率为1.515。为探测损耗光束干涉产生的并行荧光擦除图案，在样本平面焦点处同轴放置两个轴向间距为1nm、横纵半宽均为830nm的矩形探测器，令它们分别探测水平偏振损耗光束或竖直偏振损耗光束干涉产生的相干照度。因两探测器间距远小于衍射极限，所以可以认为它们分别接收到并行荧光擦除图案的水平偏振分量和竖直偏振分量，两探测器探测结果叠加，即可得到样本平面上并行荧光擦除图案的光照强度分布，仿真结果如图3所示[23-25]。
本文使用Zemax软件按图1所示系统设计光路装置，仿真研究了最佳光学参数所产生的并行荧光擦除图案。在仿真过程中，使用四个波长为760nm且光束大小为1的等功率线性偏振高斯光源来模拟四束损耗光B1～B4，使用一个焦距为1000mm的双胶合消色差透镜作为辅助物镜，使用上文理论计算中参照参考文献[22]中例1所示结构建立的平场复消色差油浸物镜作为显微物镜，该显微物镜的NA=1.4、后孔径直径为8.51mm且浸油折射率为1.515。为探测损耗光束干涉产生的并行荧光擦除图案，在样本平面焦点处同轴放置两个轴向间距为1nm、横纵半宽均为830nm的矩形探测器，令它们分别探测水平偏振损耗光束或竖直偏振损耗光束干涉产生的相干照度。因两探测器间距远小于衍射极限，所以可以认为它们分别接收到并行荧光擦除图案的水平偏振分量和竖直偏振分量，两探测器探测结果叠加，即可得到样本平面上并行荧光擦除图案的光照强度分布，仿真结果如图3所示[23-25]。图3(a）为探测器1接收到的水平偏振损耗光束B3、B4在样本平面上干涉产生的相干照度分布，它是一组空间上横向（x方向）周期性排列的竖直光学条纹；图3(b）为探测器2接收到的竖直偏振损耗光束B1、B2在样本平面上干涉产生的相干照度分布，它是一组空间上纵向（y方向）周期性排列的水平光学条纹；二者叠加后，得到并行荧光擦除图案在样本平面上的光照强度分布：一个周期小至276nm×276nm的正方形光学格子，如图3(c）所示。该仿真图案周期为此条件下衍射极限（271.429nm）的1.017倍，且与此条件下由（3）式算得到的理论计算周期相一致，仿真周期与理论计算周期间的误差仅为1.65%。而另一方面，已报道方法在同样损耗光波长下，使用NA=1.49的显微物镜仅产生出周期小至290nm×290nm的正方形光学格子，该图案周期为此条件下衍射极限（255.034nm）的1.137倍[11]。这一数据对比说明（3）式可以预测受并行STED显微成像系统光学参数影响的并行荧光擦除图案周期，它揭示了辅助物镜焦距及损耗光束入射显微成像系统的物方倾斜角对并行荧光擦除图案周期的影响机理，且可由（2）式、（5）式计算出能产生更小周期并行荧光擦除图案的最佳光学参数。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于可控光剂量的低荧光漂白共聚焦成像技术[J]. 徐依雯,张运海,杨皓旻,季林,昌剑,刘创,唐玉国. 中国激光. 2018(04)
[2]双光子荧光寿命成像在肿瘤诊断研究中的应用[J]. 李慧,夏先园,陈廷爱,余佳,李曦,郑炜. 中国激光. 2018(02)
[3]新型超分辨显微技术浅析[J]. 金录嘉,何洋,瞿璐茜,张弛,李美琪,席鹏. 激光与光电子学进展. 2018(03)
[4]荧光蛋白与超分辨显微成像[J]. 彭鼎铭,付志飞,徐平勇. 光学学报. 2017(03)
本文编号：3087989
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3087989.html
