CN108681057A - 一种用于高通量斑马鱼偏振成像的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高通量斑马鱼偏振成像的装置及其方法，包括。光源；偏振片，由第一偏振片、第二偏振片构成，第一偏振片、第二偏振片的自身轴线相互重合，第一偏振片、第二偏振片连接有旋转电机，旋转电机驱动第一偏振片、第二偏振片绕自身轴线转动；样品池，样品池内水浴有玻璃毛细管，玻璃毛细管具备绕自身轴线的转动自由度；注射泵，通过软管与玻璃毛细管连接；成像设备，由物镜、筒镜、相机构成；光源、第一偏振片、样品池、物镜、第二偏振片、筒镜、相机依次位于同一直线上，并与玻璃毛细管自身轴线方向垂直。采用此发明实现高通量自动化的统计，具备偏振成像的能力，能够准确确定样品姿态。

Description

一种用于高通量斑马鱼偏振成像的装置及其方法
技术领域
本发明涉及光学实验器械领域，具体涉及一种用于高通量斑马鱼偏振成像的装置及其方法。
背景技术
斑马鱼作为常用的模式动物在遗传发育研究和药物筛选中具有重要应用。正常野生型斑马鱼肌肉具有双折射效应，而特定基因突变型的斑马鱼肌肉没有双折射效应。因而适合采用偏振显微镜进行观察以区分野生型与突变型样品。
在肌肉突变的表型统计中一般利用偏振体式显微镜进行观测，基本步骤包括凝胶包埋，体式偏振显微镜下人工表型统计。本发明公开了一种全自动化的偏振成像装置，解决传统斑马鱼偏振成像自动化程度低，效率低下的问题。
在斑马肌肉表型统计筛选中，利用偏振光进行观测和分析，最常用的方法是利用偏振体式显微镜进行观测。这种传统的方法不能够进行高通量自动化的统计。现有***往往仅能进行普通明场成像和共聚焦成像，不具备偏振成像的能力.现有的偏振成像技术效率低下，不能够进行高通量成像。现有装置确定样品姿态的方法是明场成像，明场图像特征不明显，姿态确定不够准确。而偏振图像特征明显对比度高，根据偏振图能够更加准确的确定样品姿态。
发明内容
本发明要解决的问题在于提供一种用于高通量斑马鱼偏振成像的装置及其方法，实现高通量自动化的统计，具备偏振成像的能力，能够准确确定样品姿态。
为解决上述问题，本发明提供一种用于高通量斑马鱼偏振成像的装置及其方法，为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于高通量斑马鱼偏振成像的装置，包括：光源；偏振片，由第一偏振片、第二偏振片构成，第一偏振片、第二偏振片的自身轴线相互重合，第一偏振片、第二偏振片连接有旋转电机，旋转电机驱动第一偏振片、第二偏振片绕自身轴线转动；样品池，样品池内水浴有玻璃毛细管，玻璃毛细管具备绕自身轴线的转动自由度；注射泵，通过软管与玻璃毛细管连接；成像设备，由物镜、筒镜、相机构成；光源、第一偏振片、样品池、物镜、第二偏振片、筒镜、相机依次位于同一直线上，并与玻璃毛细管自身轴线方向垂直。
采用上述技术方案的有益效果是：物镜用于收集图像信号，将物面图像成像到无穷远；筒镜用于将无穷远信号成像到相机靶面。第二偏振片设置在物镜后接近物镜出瞳面处，这样做主要原因是保证成像光线尽可能多的通过第二偏振片。物镜、筒镜的配合构成显微成像的基础。采用全自动的进样、成像、统计；样品计算姿态并调节。能够进行高通量的偏振成像，通过偏振成像结果来统计样品的表型分布。通过旋转电机，配合进出样***实现高通量的偏振成像。根据肌肉偏振图像来确定斑马鱼姿态取向。两个偏振片在始终正交的状态下旋转，玻璃毛细管也自身旋转，对快速通过玻璃毛细管的样品进行高效率的观测，无关变量也得以控制，整体自动化程度高。
作为本发明的进一步改进，样品池为上方开口的长方体，样品池的两侧为透明的玻璃片，光源发出的光线穿透两侧的玻璃片。
采用上述技术方案的有益效果是：玻璃片便于光线的透入，样品池的形状保证容纳足够的水。
作为本发明的更进一步改进，光源与第一偏振片之间设有聚光镜。
采用上述技术方案的有益效果是：其作用是将LED光聚焦到样品面上。
作为本发明的又进一步改进，玻璃毛细管内径为0.8mm，外径为1mm。
采用上述技术方案的有益效果是：减少管厚，因为水、玻璃的折射率不一样，减少玻璃毛细管的折射的影响。
作为本发明的又进一步改进，筒镜焦距为200mm，物镜为四倍物镜，聚光镜的焦距为30mm。
采用上述技术方案的有益效果是：筒镜、物镜、聚光镜的具体规格的选择可以优化实验的精准性，保证成像效果。
作为本发明的又进一步改进，光源为单晶LED光源。
采用上述技术方案的有益效果是：单晶LED光源发光面小，能量集中便于将照明光聚焦到样品表面。
作为本发明的又进一步改进，第一偏振片、第二偏振片同步转动过程中，第一偏振片、第二偏振片始终正交布置，第一偏振片、第二偏振片分别连接有第一步进电机、第二步进电机，玻璃毛细管连接有第三步进电机。
采用上述技术方案的有益效果是：步进电机便于控制，便于精准得进行特定角度的传动。
作为本发明的又进一步改进，玻璃毛细管、第一偏振片、第二偏振片的外圆周表面具备一圈轮齿，第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机连接有齿轮，齿轮与轮齿外啮合。
采用上述技术方案的有益效果是：齿轮与轮齿的外啮合结构可以方便得输出步进电机的旋转运动，将电机的旋转运动转化为偏振片、玻璃毛细管的旋转运动。
作为本发明的又进一步改进，第一偏振片或第二偏振片仅连接有一个旋转电机，第一偏振片、第二偏振片之间通过轴杆连接，轴杆上套有第一锤形齿轮，第一锤形齿轮外切有第二锤形齿轮，第一锤形齿轮、第二锤形齿轮的自身轴线相互重合，第二锤形齿轮的中部具备通孔，第二锤形齿轮的两侧轴端分别同轴固定有玻璃毛细管、软管。
采用上述技术方案的有益效果是：减少旋转电机的使用数，降低成本，一个电机来带动第一偏振片、第二偏振片、玻璃毛细管三者的转动，同时轴杆不与玻璃毛细管干涉，软管可以轻易得绕过轴杆。
作为本发明的又进一步改进，第一偏振片、第二偏振片、玻璃毛细管连接有转向角传感器，转向角传感器连接有电子显示屏。
采用上述技术方案的有益效果是：转向角传感器可以实时得知第一偏振片、第二偏振片、玻璃毛细管的转动角度，电子显示屏便于直观显示数值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种实施方式的结构示意图；
图2是本发明一种实施方式的局部立体示意图；
图3是本发明一种实施方式的使用步骤流程图；
图4是本发明另一种实施方式的结构示意图；
图5是本发明另一种实施方式的局部立体示意图。
1-光源；2-第一偏振片；3-样品池；4-物镜；5-第二偏振片；6-筒镜；7-相机；8-第一步进电机；9-齿轮传动机构；10-第三步进电机；11-第二步进电机；12-软管；13-注射泵；14-玻璃片；15-玻璃毛细管；16-聚光镜；17-轴杆；18-第一锥形齿轮；19-第二锥形齿轮。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明：
为了达到本发明的目的，一种用于高通量斑马鱼偏振成像的装置，包括：光源1；偏振片，由第一偏振片2、第二偏振片5构成，第一偏振片2、第二偏振片5的自身轴线相互重合，第一偏振片2、第二偏振片5连接有旋转电机，旋转电机驱动第一偏振片2、第二偏振片5绕自身轴线转动；样品池3，样品池3内水浴有玻璃毛细管15，玻璃毛细管15具备绕自身轴线的转动自由度；注射泵13，通过软管12与玻璃毛细管15连接；成像设备，由物镜4、筒镜6、相机7构成；光源1、第一偏振片2、样品池3、物镜4、第二偏振片5、筒镜6、相机7依次位于同一直线上，并与玻璃毛细管15自身轴线方向垂直。
采用上述技术方案的有益效果是：物镜用于收集图像信号，将物面图像成像到无穷远；筒镜用于将无穷远信号成像到相机靶面。第二偏振片设置在物镜后接近物镜出瞳面处，这样做主要原因是保证成像光线尽可能多的通过第二偏振片。物镜、筒镜的配合构成显微成像的基础。采用全自动的进样、成像、统计；样品计算姿态并调节。能够进行高通量的偏振成像，通过偏振成像结果来统计样品的表型分布。通过旋转电机，配合进出样***实现高通量的偏振成像。根据肌肉偏振图像来确定斑马鱼姿态取向。两个偏振片在始终正交的状态下旋转，玻璃毛细管也自身旋转，对快速通过玻璃毛细管的样品进行高效率的观测，无关变量也得以控制，整体自动化程度高。
在本发明的另一些实施方式中，样品池3为上方开口的长方体，样品池3的两侧为透明的玻璃片14，光源1发出的光线穿透两侧的玻璃片14。
采用上述技术方案的有益效果是：玻璃片便于光线的透入，样品池的形状保证容纳足够的水。
在本发明的另一些实施方式中，光源1与第一偏振片2之间设有聚光镜16。
采用上述技术方案的有益效果是：其作用是将LED光聚焦到样品面上。
在本发明的另一些实施方式中，玻璃毛细管15内径为0.8mm，外径为1mm。
采用上述技术方案的有益效果是：减少管厚，因为水、玻璃的折射率不一样，减少玻璃毛细管的折射的影响。
在本发明的另一些实施方式中，筒镜6焦距为200mm，物镜4为四倍物镜，聚光镜16的焦距为30mm。
注射泵13的流速是100ul/min。第一偏振片2、第二偏振片5的单次转角度数是10°，玻璃毛细管的单次转角度数是10°，或者5°。
采用上述技术方案的有益效果是：筒镜、物镜、聚光镜的具体规格的选择可以优化实验的精准性，保证成像效果。
在本发明的另一些实施方式中，光源1为单晶LED光源。
采用上述技术方案的有益效果是：单晶LED光源发光面小，能量集中便于将照明光聚焦到样品表面。
在本发明的另一些实施方式中，第一偏振片2、第二偏振片5同步转动过程中，第一偏振片2、第二偏振片5始终正交布置，第一偏振片2、第二偏振片5分别连接有第一步进电机8、第二步进电机11，玻璃毛细管15连接有第三步进电机10。
采用上述技术方案的有益效果是：步进电机便于控制，便于精准得进行特定角度的传动。
在本发明的另一些实施方式中，玻璃毛细管15、第一偏振片2、第二偏振片5的外圆周表面具备一圈轮齿，第一步进电机8、第二步进电机11、第三步进电机10连接有齿轮，齿轮与轮齿外啮合。
采用上述技术方案的有益效果是：齿轮与轮齿的外啮合结构可以方便得输出步进电机的旋转运动，将电机的旋转运动转化为偏振片、玻璃毛细管的旋转运动。
在本发明的另一些实施方式中，如图5所示，第一偏振片2或第二偏振片5仅连接有一个旋转电机，第一偏振片2、第二偏振片5之间通过轴杆17连接，轴杆17上套有第一锤形齿轮18，第一锤形齿轮18外切有第二锤形齿轮19，第一锤形齿轮18、第二锤形齿轮19的自身轴线相互垂直，第二锤形齿轮19的中部具备通孔，第二锤形齿轮19的两侧轴端分别同轴固定有玻璃毛细管15、软管12。
采用上述技术方案的有益效果是：减少旋转电机的使用数，降低成本，一个电机来带动第一偏振片、第二偏振片、玻璃毛细管三者的转动，同时轴杆不与玻璃毛细管干涉，软管可以轻易得绕过轴杆。
在本发明的另一些实施方式中，第一偏振片2、第二偏振片5、玻璃毛细管15连接有转向角传感器，转向角传感器连接有电子显示屏。
采用上述技术方案的有益效果是：转向角传感器可以实时得知第一偏振片、第二偏振片、玻璃毛细管的转动角度，电子显示屏便于直观显示数值。
如图3所示：
步骤1；样品进样：样品通过注射泵13的驱动进入玻璃毛细管15中。
步骤2：转动第一偏振片2、第二偏振片5，通过第一步进电机8和第二步进电机11带动两个偏振片转动相同的角度δθ；
步骤3：采图，相机采集偏振图像；
重复步骤2、步骤3共N次，其中N*δθ＝180°；
步骤4：选取N副偏振图中图像信号最强的一副，并记录相应角度θ0。；
步骤5：根据该副图像强度信息获得样品偏振特性，判断样品是否具有双折射效应。针对斑马鱼肌肉样品就是判断该样品的肌肉表型是否发生了突变，判断条件为图像强度是否超过了一定阈值T，如果超过则具有双折射效应，对应为野生型，如果没超过则不具备双折射效应，对应为突变型，如果没有则直接出样。如果有则进入下一步；
步骤6：通过第一步进电机8和第二步进电机11旋转第一偏振片2、第二偏振片5至角度θ0角度；
步骤7：转动玻璃毛细管15：通过第三步进电机10带动玻璃毛细管15转动角度δφ；
步骤8：采图，相机7采集偏振图像；
重复步骤7、步骤8共M次，其中M*δφ＝360°；
步骤9：根据偏振特性计算样品姿态信息。
通过旋转玻璃毛细管15，对偏振图像分析，利用偏振图像中斑马鱼肌肉的的高对比度，确定样品轴向姿态。能够确定样品姿态的重要性在于，在进行显微观察的时候可以根据感兴趣的角度直接调整样品，使感兴趣的区域进入视野中。
相较于明场图像，偏振图像肌肉部分对比度高，不同姿态特征明显。针对斑马鱼，背向可以看到两片肌肉，有两条明亮带，而侧向仅能看到一片肌肉，对应图像仅一个明亮带。本专利正是利用偏振图像中，肌肉特征明显，从而方便的确定样品姿态。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于高通量斑马鱼偏振成像的装置，其特征在于，包括：
光源；
偏振片，由第一偏振片、第二偏振片构成，所述第一偏振片、第二偏振片的自身轴线相互重合，所述第一偏振片、第二偏振片连接有旋转电机，所述旋转电机驱动第一偏振片、第二偏振片绕自身轴线转动；
样品池，样品池内水浴有玻璃毛细管，所述玻璃毛细管具备绕自身轴线的转动自由度；
注射泵，通过软管与玻璃毛细管连接；
成像设备，由物镜、筒镜、相机构成；
所述光源、第一偏振片、样品池、物镜、第二偏振片、筒镜、相机依次位于同一直线上，并与玻璃毛细管自身轴线方向垂直。
2.根据权利要求1所述的一种用于高通量斑马鱼偏振成像的装置，其特征在于：所述样品池为上方开口的长方体，所述样品池的两侧为透明的玻璃片，光源发出的光线穿透两侧的玻璃片。
3.根据权利要求1所述的一种用于高通量斑马鱼偏振成像的装置，其特征在于：所述光源与第一偏振片之间设有聚光镜，所述聚光镜的焦距为30mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于高通量斑马鱼偏振成像的装置，其特征在于：所述玻璃毛细管内径为0.8mm，外径为1mm，所述筒镜焦距为200mm，所述物镜为四倍物镜。
5.根据权利要求1所述的一种用于高通量斑马鱼偏振成像的装置，其特征在于：所述光源为单晶LED光源。
6.根据权利要求1所述的一种用于高通量斑马鱼偏振成像的装置，其特征在于：所述第一偏振片、第二偏振片同步转动过程中，所述第一偏振片、第二偏振片始终正交布置，所述第一偏振片、第二偏振片分别连接有第一步进电机、第二步进电机，所述玻璃毛细管连接有第三步进电机。
7.根据权利要求6所述的一种用于高通量斑马鱼偏振成像的装置，其特征在于：所述玻璃毛细管、第一偏振片、第二偏振片的外圆周表面具备一圈轮齿，所述第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机连接有齿轮，所述齿轮与轮齿外啮合。
8.根据权利要求1所述的一种用于高通量斑马鱼偏振成像的装置，其特征在于：所述第一偏振片或第二偏振片仅连接有一个旋转电机，所述第一偏振片、第二偏振片之间通过轴杆连接，所述轴杆上套有第一锤形齿轮，所述第一锤形齿轮外切有第二锤形齿轮，所述第一锤形齿轮、第二锤形齿轮的自身轴线相互垂直，所述第二锤形齿轮的中部具备通孔，所述第二锤形齿轮的两侧轴端分别同轴固定有玻璃毛细管、软管；所述第一偏振片、第二偏振片、玻璃毛细管连接有转向角传感器，所述转向角传感器连接有电子显示屏。
9.一种用于高通量斑马鱼偏振成像的方法，其特征在于，包括：
步骤一；样品进样：样品通过注射泵的驱动进入玻璃毛细管中；
步骤二：转动第一偏振片、第二偏振片，通过第一步进电机和第二步进电带动两个偏振片转动相同的角度δθ；
步骤三：采图，相机采集偏振图像；
重复步骤二、步骤三共N次，其中N*δθ＝180°；
步骤四：选取N副偏振图中图像信号最强的一副图，并记录相应角度θ0；
步骤五：根据图像信号最强的一副图像的强度信息获得样品偏振特性，判断样品是否具有双折射效应；针对斑马鱼肌肉样品就是判断该样品的肌肉表型是否发生了突变，判断条件为图像强度是否超过了一定阈值T，如果超过则具有双折射效应，对应为野生型，如果没超过则不具备双折射效应，对应为突变型，如果没有则直接出样；如果有则进入下一步；
步骤六：通过第一步进电机和第二步进电机旋转第一偏振片、第二偏振片至角度θ0角度；
步骤七：转动玻璃毛细管：通过第三步进电机带动玻璃毛细管转动角度δφ；
步骤八：采图，相机采集偏振图像；
重复步骤七、步骤八共M次，其中M*δφ＝360°；
步骤九：根据偏振特性计算样品姿态信息。
10.根据权利要求9所述的一种用于高通量斑马鱼偏振成像的方法，其特征在于：所述δθ的度数为10°，所述δφ的度数为10°或5°。
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