阅读说明：本技术 捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统及方法 (Freezing fluorescence microscopic imaging system and method for capturing moving macromolecule form in microchannel ) 是由 范亮亮 赵亮 赵宏 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：一种捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统及方法,该系统由流动快速滞止和急速冷冻系统、显微镜系统、摄像系统和图像处理系统组成；流动快速滞止和急速冷冻系统,用于准确固定原流动条件下的大分子形态,同时有效增强被染色大分子的荧光强度；显微镜系统与摄像系统相结合,实现对冷冻固化后的大分子进行三维显微成像,对于长度较长的大分子,进行分段扫描；图像处理系统通过对捕获的大分子图像进行三维重构,最终还原微通道内大分子在运动状态下的形态；本发明对于自由状态下的微纳米目标物显微成像有着极其重要的应用价值。(A freezing fluorescence microscopic imaging system and method for capturing the form of moving macromolecules in a microchannel, wherein the system comprises a flow rapid stagnation and rapid freezing system, a microscope system, a camera system and an image processing system; the system is a rapid flow stagnation and rapid freezing system, is used for accurately fixing the macromolecular form under the original flow condition and effectively enhancing the fluorescence intensity of the dyed macromolecules; the microscope system is combined with the camera system to realize three-dimensional microscopic imaging of the frozen and solidified macromolecules and sectional scanning of the macromolecules with longer length; the image processing system finally restores the form of macromolecules in the microchannel in a motion state by performing three-dimensional reconstruction on the captured macromolecule image; the invention has extremely important application value for micro-imaging of the micro-nano target object in a free state.)

捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统及 方法

技术领域

本发明涉及一种显微成像方法。具体涉及一种用于捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统及方法。

背景技术

微通道内运动大分子的形态测量在生物医学、化学工程等领域有着重要的价值。如人体中存在着大量的微米尺度通道，构成了血液流动的微通道。血液表现出粘弹性流体性质，其主要原因在于血浆中存在着蛋白质大分子。蛋白质大分子在微血管中的形态及分布等特征直接影响血液动力学特性，与某些疾病(如血栓)的发生直接相关。因此，通过捕获微通道内运动大分子的形态及分布等微观细节特征，有助于揭示疾病发生的机理，对于疾病的预防和治疗有着重要的意义。目前未见相关测量手段报道，其难点在于运动大分子在微通道内会发生形态改变，利用常规的激光共聚焦显微镜等手段无法准确捕获其形态。其次，大分子链长较长，可达数十微米，给运动大分子全链长三维捕获带来很大难度。最后，大分子径向尺寸较小，为纳米甚至更小尺度，无法用常规荧光显微镜捕获。因此，微通道内运动大分子形态捕获是显微成像领域研究中的一个难题，急需发展新手段予以解决。

发明内容

为解决上述问题，本发明目的在于提供一种用于捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统及方法，具有精度高、能实现对微通道内运动大分子形态进行三维捕获等优点，在生物医学、化学工程等领域，具有巨大的应用潜力。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统，包括流动快速滞止和急速冷冻系统、显微镜系统7、摄像系统8以及图像处理系统9；流动快速滞止和急速冷冻系统，实现微通道内流动的快速滞止和流体的急速冷冻固化，从而保持原流动状态下的大分子形态，同时增强染色大分子的荧光强度；显微镜系统7与摄像系统8相结合用于对冷冻固化后的大分子进行三维显微成像，图像处理系统9通过对捕获的大分子图像进行三维重构，最终还原微通道内大分子在运动状态下的形态。

所述流动快速滞止和急速冷冻系统中，入口1与实验段微通道5相连，再经三通阀6和出口3相连，实验段微通道5放置于低温液体储液池4中；并联微通道2与入口1及三通阀6相连；通过三通阀6和并联微通道2的共同作用，实现对实验段微通道5内流体流动的快速滞止；低温液体储液池4使实验段微通道5中的流体急速冷冻，从而固化大分子的形态，同时增强荧光强度。

所述的捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统的工作方法，将大分子溶于流体中，初始状态时，在三通阀6的作用下，实验段微通道5与入口1和出口3相连通，并联微通道2中无流体流动；待达到所需的流体条件后，三通阀6快速动作，使实验段微通道5中的流体流动快速滞止；入口1继续流入的流体经并联微通道2流至出口3；向低温液体储液池4快速加入低温流体，使实验段微通道5中的流体急速冷冻，从而固化流体中大分子的形态，同时增强荧光强度；显微镜系统7与摄像系统8相结合，实现对冷冻固化后的大分子进行三维显微成像，对于长度较长的大分子，进行分段扫描；图像处理系统9通过对捕获的大分子图像进行三维重构，最终还原微通道内大分子在运动状态下的形态。

本发明解决了微通道内运动大分子形态捕获的关键难题，具有如下优点：

1)通过流动快速滞止和急速冷冻系统，有效保持微通道内原流动状态下大分子的形态，解决了大分子继续发生形态改变的难题；

2)通过冷冻固化，可有效增强被染色大分子的荧光强度，使利用光学显微镜捕获大分子的形态成为可能；

3)通过结合流动快速滞止和急速冷冻系统、显微镜系统、摄像系统与图像处理系统，可实现对运动大分子全链长的三维捕获，在生物医学、化学工程等领域有着巨大的应用价值。

附图说明

图1为本发明系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

一种捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统，包括流动快速滞止和急速冷冻系统、显微镜系统7、摄像系统8以及图像处理系统9；流动快速滞止和急速冷冻系统，实现微通道内流动的快速滞止和流体的急速冷冻固化，从而保持原流动状态下的大分子形态，同时增强染色大分子的荧光强度；显微镜系统7与摄像系统8相结合用于对冷冻固化后的大分子进行三维显微成像，图像处理系统9通过对捕获的大分子图像进行三维重构，最终还原微通道内大分子在运动状态下的形态。

作为本发明的优选实施方式，所述流动快速滞止和急速冷冻系统中，入口1与实验段微通道5相连，再经三通阀6和出口3相连，实验段微通道5放置于低温液体储液池4中；并联微通道2与入口1及三通阀6相连。通过三通阀6和并联微通道2的共同作用，实现对实验段微通道5内流体流动的快速滞止。低温液体储液池4使实验段微通道5中的流体急速冷冻，从而固化大分子形态，同时增强荧光强度。

作为本发明的优选实施方式，所述低温液体储液池4中的低温流体为液氮。

作为本发明的优选实施方式，本发明中大分子所处的实验段微通道5可由玻璃等不易变形透明材料加工制作。

作为本发明的优选实施方式，本发明中大分子经荧光染色，以实现对较小径向尺寸大分子形态的准确捕获。

所述的捕获微通道内运动大分子形态的冷冻荧光显微成像系统的工作方法，将大分子溶于流体中，初始状态时，在三通阀6的作用下，实验段微通道5与入口1和出口3相连通，并联微通道2中无流体流动；待达到所需的流体条件后，三通阀6快速动作，使实验段微通道5中的流体流动快速滞止；入口1继续流入的流体经并联微通道2流至出口3；向低温液体储液池4快速加入低温流体，使实验段微通道5中的流体急速冷冻，从而固化流体中大分子的形态，同时增强荧光强度；显微镜系统7与摄像系统8相结合，实现对冷冻固化后的大分子进行三维显微成像，对于长度较长的大分子，进行分段扫描；图像处理系统9通过对捕获的大分子图像进行三维重构，最终还原微通道内大分子在运动状态下的形态。

下面以一实施例说明本发明的实施过程：

以对微通道内长链蛋白质大分子三维形态捕获为例，经染色后的长链蛋白质大分子在实验段微通道5中流动。初始状态时，在三通阀6的作用下，实验段微通道5与入口1和出口3相连通，并联微通道2中无流体流动。待达到所需的流体条件后，三通阀6快速动作，使实验段微通道5中的流体流动快速滞止。入口1继续流入的流体经并联微通道2流至出口3。向低温液体储液池4快速加入液氮等低温流体，使实验段微通道5中的流体急速冷冻，从而固化长链蛋白质大分子的形态，同时增强气荧光强度。显微镜系统7与摄像系统8相结合，实现对冷冻固化后的长链蛋白质大分子进行三维显微成像，对于链长较长的蛋白质大分子，进行分段扫描。利用图像处理系统9对捕获的蛋白质大分子图像进行三维重构，最终还原微通道内蛋白质大分子在运动状态下的形态。综上，本发明解决了微通道内运动大分子形态捕获的难题，提供了一种新的显微成像系统和方法，在生物医学、化学工程等领域具有巨大的应用潜力。