CN104237186A - 一种荧光成像装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种荧光成像装置及方法。所述装置包括连续进样装置、样品管道、切片激光器和高速荧光采集端；连续进样装置与样品管道连接，样品管道依次包括扫描管道和偏转管道，扫描管道和偏转管道夹角在60°至120°之间，扫描管道管壁为光学平整面；切片激光器产生的光切片投射在扫描管道上；连续荧光成像装置垂直于切片光设置。所述方法包括以下步骤：(1)将荧光标记的样品分散于离散相中，由连续相驱动形成样品序列24；(2)每个样品经过激光切片器产生的光切片，激发荧光，连续荧光成像装置采集多张切面荧光图，样品进入偏转管道；(3)堆积荧光图，重构出样品三维图像。本发明提供的装置及方法可实现高通量样品荧光三维成像。

Description

一种荧光成像装置及方法
技术领域
本发明属于荧光成像领域，更具体地，涉及一种荧光成像装置及方法。
背景技术
切片光显微成像***(LSM)是一种新型的荧光显微成像技术。与共聚焦与普通倒置荧光显微镜相比它具有低光毒性，高Z轴分辨率，大成像动态范围等多项优势，非常适用于多细胞结构的三维观察。
现有的切片光显微成像技术，比如选择性平面照明显微成像***(Selective Plane Illumination Microscopy,SPIM)在做成像时需要进行一系列的样品准备，固定和机械扫描。步骤通常是将一个样品封装在琼脂糖中，再整体固定在一个精密的位移台上，成像时控制位移台或者扫描振镜对样品进行Z轴扫描。由于将多个样品对齐并固定难度不小，加上振镜的扫描范围或位移台的移动行程有限，这样的常规方法很难进行高通量的多样品成像。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种荧光成像装置及方法，其目的在于使高通量样品依次通过扫描装置成像，并在成像后迅速离开成像区域，避免影响下一样品成像，由此解决目前三维荧光成像技术无法实现高通量成像的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种荧光成像装置，包括连续进样装置、样品管道、切片激光器和高速荧光采集端；所述连续进样装置与样品管道连接，所述样品管道按照进样方向依次包括扫描管道和偏转管道，所述扫描管道和偏转管道夹角在60°至120°之间，所述扫描管道管壁为光学平整面；所述切片激光器产生的光切片投射在扫描管道上；所述连续荧光成像装置垂直于切片光设置。
优选地，所述荧光成像装置，其扫描管道和偏转管道夹角为90°。
优选地，所述荧光成像装置，其光切片和偏转管道夹角在0°至15°之间，优选0°。
优选地，所述荧光成像装置，其样品管道还包括周期性弯管道，设置在扫描管道进样方向上游，用于样品混合。
优选地，所述荧光成像装置，其样品管道的周期性弯管道处设置有降温装置。
优选地，所述荧光成像装置，其样品管道为微流控芯片。
优选地，所述荧光成像装置，其微流控芯片的材料为聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯。
优选地，所述荧光成像装置，其连续进样装置为多相进样装置，优选Y型、T型十字型多相进样装置。
按照本发明的另一方面，提供了一种荧光成像方法，包括以下步骤：
(1)将荧光标记的待成像样品分散于离散相中，所述进样装置驱动连续相，带动样品形成样品序列24；
(2)步骤(1)中形成的样品序列24进入样品管道，当样品经过扫描管道时，样品序列24中的每个样品经过所述激光切片器产生的光切片，被激发产生荧光，所述荧光被所述连续荧光成像装置采集，形成多张切面荧光图，样品随后进入偏转管道；
(3)堆积步骤(2)中形成的多张切面荧光图，从而重构出所述样品的三维图像。
优选地，所述荧光成像方法，其所述光切片的扫描率S，按照以下式子确定：
S＝V/F
其中，V为离散相的流动速率，F为高速荧光采集端的采集帧率。
优选地，所述荧光成像方法，其所述待成像样品为离散相包裹的荧光标记生物样本，所述离散相与连续相为互不相容的两相。
优选地，所述荧光成像方法，其所述连续相和离散相均为液相。
优选地，所述荧光成像方法，其所述离散相为琼脂相，所述连续相为油相。
优选地，所述荧光成像方法，其所述琼脂相为质量浓度在0.2％至1％之间的琼脂糖溶液，温度在35-50摄氏度。
优选地，所述荧光成像方法，其所述连续相和离散相分别通过多相进样装置的不同进样口进样。
优选地，所述荧光成像方法，其所述连续相和离散相经过所述周期性弯管道后，形成均匀的样品序列24。
优选地，所述荧光成像方法，当所述连续相和离散相经过所述周期性弯管道时，对其进行降温处理。
优选地，所述荧光成像方法，其步骤(3)所述重构出所述样品的三维图像的方法为三维像素超分辨算法。
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：
(1)本发明提供的荧光成像装置，样品管道的扫描管道和偏转管道呈一定角度，使得样品在扫描后迅速离开成像区域，不会影响到下一样品成像。
(2)本发明提供的荧光成像装置高度集成，可将样品的环境调节，顺序的装载，流动控制，三维成像，导出等一系列功能集中在一块芯片上实现；通过扫描管道管壁的光学平整面，可取得良好的荧光激发效果和荧光成像质量，从而将切片光显微成像技术与微流控技术有机结合，实现基于芯片的光流控切片光显微成像。
(3)本发明提供的装置利用样品在微流管道中的稳定流动执行三维扫描成像，无需使用精密的机械扫描装置。
(4)本发明提供的荧光成像方法，样品序列24中的多个样品，可连续扫描成像，实现样品高通量成像，可用于生物学上的高通量筛选，如联合药物筛选、胚胎筛选等，具有重大的应用价值。
附图说明
图1是实施例1的荧光成像装置结构示意图；
图2是实施例2的荧光成像装置结构示意图；
图3是实施例3的荧光成像装置结构示意图；
图4是实施例4的荧光成像装置的成像示意图；
图5是实施例4荧光成像装置的成像结果；其中：图5a为样品开始扫描时的位置，图5a’为样品开始扫描时的扫描照片，图5b为样品结束扫描时的位置，图5b’为样品结束扫描时的扫描照片，图5C为三维重构后的样品图像。
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：1为连续进样装置，2为样品管道，3为切片激光器，4为高速荧光采集端，5为注射器泵，6为蠕动泵，7为降温装置，21周期性弯管道，22为扫描管道，23为偏转管道，24为样品序列。
具体实施方式
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。
本发明提供的荧光成像装置，包括连续进样装置1、样品管道2、切片激光器3和高速荧光采集端4。
所述连续进样装置1与样品管道2连接。所述连续进样装置1为多相进样装置，优选Y型、T型或十字型多相进样装置。所述连续进样装置1，可通过注射器泵5、蠕动泵6等控制所述连续相和离散相的流动速率。
所述样品管道2，可采用微流控芯片，按照进样方向依次包括周期性弯管道21、扫描管道22和偏转管道23。所述扫描管道22和偏转管道23夹角在60°至120°之间，优选为90°。所述扫描管道22管壁为光学平整面。所述周期性弯管道21，设置在扫描管道22进样方向上游，用于样品混合。所述样品管道2的周期性弯管道21处设置有降温装置7，所述降温装置7可为冷凝片，优选热电冷凝片。所述微流控芯片的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯。
当使用PDMS制备所述微流控芯片时，光学平整面的具体制备方法如下：准备一块光洁的硅片，在硅片上旋涂上一层PDMS薄层；然后将芯片的刀切口面放置在未固化的PDMS薄层中，轻压去除界面的气泡；将放置在硅片上的芯片整体放进烘箱中，烘烤待PDMS固化后取出；小心地从硅片上揭下芯片，因为硅片表面的高平整度，经过处理后的侧面散射显著减少，呈现完全透明的状态，符合显微级荧光图像采集的要求。PDMS厚度优选为500微米左右。离散相为水相，连续相为油相时，优选对微流芯片管道进行疏水处理，所述疏水处理进一步优选为硅烷化处理。
所述切片激光器3产生的光切片投射在扫描管道22上。所述光切片和偏转管道23夹角在-30°至30°之间，优选0°。
所述连续荧光成像装置垂直于切片光设置。
本发明提供的荧光成像方法，包括以下步骤：
(1)将荧光标记的待成像样品分散于连续相中，所述进样装置驱动连续相，带动样品形成样品序列24；
所述待成像样品为离散相包裹的荧光标记生物样本，所述离散相与连续相为互不相容的两相，可以为液相和气相、液相和固相或液相和液相，优选为两液相。当连续相为气相时，优选空气柱，当连续相为液相时，优选油相。更优选地，所述离散相为琼脂相，所述连续相为油相。琼脂相为质量浓度在0.2％至1％之间的琼脂糖溶液，温度为35至50摄氏度。
(2)步骤(1)中形成的样品序列24进入样品管道2，当样品经过所述周期性弯管道21时，所述连续相和离散均匀混合，形成均匀的样品序列24；进而当所述样品序列24经过扫描管道22时，其中的每个样品经过所述激光切片器产生的光切片时，被激发产生荧光，所述荧光被所述连续荧光成像装置采集，形成多张切面荧光图，样品随后进入偏转管道23。优选地，当所述连续相和离散相经过所述周期性弯管道21时，对其进行降温处理。
所述光切片的扫描率S，按照以下式子确定：
S＝V/F
其中，V为离散相的流动速率，F为高速荧光采集端4的采集帧率。
每个样品流过拐角扫描管道22，拐进偏转管道23，不影响下一个样品的成像。
当离散相为水相，连续相为油相，由于流体剪切力以及水相-油相界面的不浸润，样品管道2内生成一系列分散于油相中的水相液滴，液滴的大小由管道尺寸、水相-油相速率的比值决定，产生频率与水相总注射速率与油相注射速率的比值成正比，液滴在样品管道2里的流动速度由所有入口流体的总速度决定，液滴中荧光的强度或者细胞的浓度由样品的原始浓度、样品通路的注射速率与水相通路的注射速率的比值决定。
根据不同的应用要求来设计不同芯片，对样品执行不同方式的操作。对于体积较大或不易团聚的样品，可通过控制样品序列24的密度和样品序列24在微流管道中的流速来获得以一定间隔分散在样品管道2中的样品，管道的尺寸只稍大于样品，以便样品的稳定流动，样品在管道中的流速通过注射器泵5、蠕动泵6等控制。对于微小，且易团聚的样品，比如多细胞溶液，可通过设置互不相溶的两相，使样品被包裹于离散相的液滴中来获得以一定间隔分散在微流管道中的样品。
在微流控芯片的设置周期性弯管道21，作为混合、冷却区域，以增加流程，提高液滴内部样品的混合，同时增加冷却时间。流经周期性弯管道21结的样品经过局部的大程度降温，在流经L型拐角传感区域进行成像的过程中样品基本不发生位移变化，从而提高了成像质量。当样品分散在琼脂液滴中时，琼脂液滴因降温发生凝固，从而减少了样品相对于琼脂液滴的位移变化。
(3)堆积步骤(2)中形成的多张切面荧光图，从而重构出所述样品的三维图像，可采用三维像素超分辨算法。
以下为实施例：
实施例1
一种荧光成像装置，如图1所示，包括连续进样装置1、样品管道2、切片激光器3和高速荧光采集端4。
所述连续进样装置1与样品管道2连接。所述连续进样装置1为Y型多相进样装置。所述连续进样装置1，通过注射器泵5控制所述连续相和离散相的流动速率。
所述样品管道2，采用微流控芯片，按照进样方向依次包括周期性弯管道21、扫描管道22和偏转管道23。所述扫描管道22和偏转管道23夹角为90°。所述扫描管道22管壁为光学平整面。所述周期性弯管道21，设置在扫描管道22进样方向上游，用于样品混合。所述样品管道2的周期性弯管道21处设置有热电冷凝片。所述微流控芯片的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
当使用PDMS制备所述微流控芯片时，光学平整面的具体制备方法如下：准备一块光洁的硅片，在硅片上旋涂上一层PDMS薄层；然后将芯片的刀切口面放置在未固化的PDMS薄层中，轻压去除界面的气泡；将放置在硅片上的芯片整体放进烘箱中，烘烤待PDMS固化后取出；小心地从硅片上揭下芯片，因为硅片表面的高平整度，经过处理后的侧面散射显著减少，呈现完全透明的状态，符合显微级荧光图像采集的要求。PDMS厚度优选为500微米左右。对微流芯片管道进行疏水处理，所述疏水处理为硅烷化处理。
所述切片激光器3产生的光切片投射在扫描管道22上。所述光切片和偏转管道23夹角为0°。
所述连续荧光成像装置垂直于切片光设置。
实施例2
一种荧光成像装置，如图2所示，包括连续进样装置1、样品管道2、切片激光器3和高速荧光采集端4。
所述连续进样装置1与样品管道2连接。所述连续进样装置1为T型多相进样装置。所述连续进样装置1，通过注射器泵5控制所述连续相和离散相的流动速率。
所述样品管道2，采用微流控芯片，按照进样方向依次包括周期性弯管道21、扫描管道22和偏转管道23。所述扫描管道22和偏转管道23夹角为60°。所述扫描管道22管壁为光学平整面。所述周期性弯管道21，设置在扫描管道22进样方向上游，用于样品混合。所述样品管道2的周期性弯管道21处设置有水冷降温装置7。所述微流控芯片的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
当使用PDMS制备所述微流控芯片时，光学平整面的具体制备方法如下：准备一块光洁的硅片，在硅片上旋涂上一层PDMS薄层；然后将芯片的刀切口面放置在未固化的PDMS薄层中，轻压去除界面的气泡；将放置在硅片上的芯片整体放进烘箱中，烘烤待PDMS固化后取出；小心地从硅片上揭下芯片，因为硅片表面的高平整度，经过处理后的侧面散射显著减少，呈现完全透明的状态，符合显微级荧光图像采集的要求。PDMS厚度优选为500微米左右。对微流芯片管道进行疏水处理，所述疏水处理为硅烷化处理。
所述切片激光器3产生的光切片投射在扫描管道22上。所述光切片和偏转管道23夹角为-30°。
所述连续荧光成像装置垂直于切片光设置。
实施例3
一种荧光成像装置，如图3所示，包括连续进样装置1、样品管道2、切片激光器3和高速荧光采集端4。
所述连续进样装置1与样品管道2连接。所述连续进样装置1为十字型多相进样装置。所述连续进样装置1，通过蠕动泵6控制所述连续相和离散相的流动速率。
所述样品管道2，采用微流控芯片，按照进样方向依次包括周期性弯管道21、扫描管道22和偏转管道23。所述扫描管道22和偏转管道23夹角为120°。所述扫描管道22管壁为光学平整面。所述周期性弯管道21，设置在扫描管道22进样方向上游，用于样品混合。所述样品管道2的周期性弯管道21处设置有风冷降温装置7。所述微流控芯片的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
所述切片激光器3产生的光切片投射在扫描管道22上。所述光切片和偏转管道23夹角为30°。
所述连续荧光成像装置垂直于切片光设置。
实施例4
一种荧光成像方法，应用实施例1中的荧光成像装置(三维视图如图4所示)，包括以下步骤：
(1)将荧光标记的待成像样品分散于离散相中，所述进样装置驱动连续相，带动样品形成样品序列24；
所述待成像样品为离散相包裹的绿色荧光标记的琼脂糖液滴，所述连续相为具有良好生物兼容性的FC-40氟油，所述离散相为含琼脂糖水溶液。质量浓度在0.2％至1％，温度在35至50度之间。
(2)步骤(1)中形成的混合尚不均匀的样品序列24进入样品管道2，当样品经过所述周期性弯管道21时，所述连续相和离散均匀混合，形成均匀的样品序列24；进而当序列中某一样品26流过扫描管道22时，即被所述激光切片器产生的光切片28扫描，同时被激发产生荧光，所述荧光被所述连续荧光成像装置采集，形成多张切面荧光图，样品随后进入偏转管道23，被导出留作进一步培养用，如样品所示当所述连续相和离散相经过所述周期性弯管道21时，均对其进行降温处理。
离散相的流动速率V＝1mm/s，高速荧光采集端4的采集帧率F＝400fps，所述光切片的扫描率S＝2.5微米。
每个样品流过拐角扫描管道22，拐进偏转管道23，不影响下一个样品的成像。
(3)堆积步骤(2)中形成的多张切面荧光图，从而重构出所述样品的三维图像，如图5所示，其中图5a为样品开始扫描时的位置，图5a’为样品开始扫描时的扫描照片，图5b为样品结束扫描时的位置，图5b’为样品结束扫描时的扫描照片，图5C为三维重构后的样品图像。
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。

Claims (10)

1.一种荧光成像装置，其特征在于，包括连续进样装置(1)、样品管道(2)、切片激光器(3)和高速荧光采集端(4)；所述连续进样装置(1)与样品管道(2)连接，所述样品管道(2)按照进样方向依次包括扫描管道(22)和偏转管道(23)，所述扫描管道(22)和偏转管道(23)夹角在60°至120°之间，所述扫描管道(22)管壁为光学平整面；所述切片激光器(3)产生的光切片投射在扫描管道(22)上；所述连续荧光成像装置垂直于切片光设置。
2.如权利要求1所述的荧光成像装置，其特征在于，所述扫描管道(22)和偏转管道(23)夹角为90°，所述光切片和偏转管道(23)夹角在-30°至30°之间，优选0°。
3.如权利要求1所述的荧光成像装置，其特征在于，所述样品管道(2)还包括周期性弯管道(21)，设置在扫描管道(22)进样方向上游，用于样品混合；优选地，所述样品管道(2)的周期性弯管道(21)处设置有降温装置(7)。
4.如权利要求1至3任意一项所述的荧光成像装置，其特征在于，所述样品管道(2)为微流控芯片。
5.应用如权利要求1至4任意一项所述装置的荧光成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将荧光标记的待成像样品分散于离散相中，所述进样装置驱动连续相，带动样品形成样品序列24；
(2)步骤(1)中形成的样品序列24进入样品管道(2)，当样品经过扫描管道(22)时，样品序列24中的每个样品经过所述激光切片器产生的光切片，被激发产生荧光，所述荧光被所述连续荧光成像装置采集，形成多张切面荧光图，样品随后进入偏转管道(23)；
(3)堆积步骤(2)中形成的多张切面荧光图，从而重构出所述样品的三维图像。
6.如权利要求5所述的荧光成像方法，其特征在于，所述光切片的扫描率S，按照以下式子确定：
S＝V/F
其中，V为离散相的流动速率，F为高速荧光采集端(4)的采集帧率。
7.如权利要求5所述的荧光成像方法，其特征在于，所述待成像样品为离散相包裹的荧光标记生物样本，所述离散相与连续相为互不相容的两相,所述连续相和离散相优选均为液相,所述离散相更优选为琼脂相，所述连续相更优选为油相。
8.如权利要求7所述的荧光成像方法，其特征在于，所述琼脂相为质量浓度在0.2％至1％之间的琼脂糖溶液，温度在35至50摄氏度。
9.如权利要求5至8任意一项所述的荧光成像方法，其特征在于，所述连续相和离散相经过所述周期性弯管道(21)后，形成均匀的样品序列24。
10.如权利要求9所述的荧光成像方法，其特征在于，当所述连续相和离散相经过所述周期性弯管道(21)时，对其进行降温处理。
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