一种实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法

摘要

本发明公开了一种实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法，步骤包括：采用第二光束将目标点处所述可逆开关荧光蛋白激发至第一状态；采用第一光束对目标点处的环形区域进行辐照，使所述环形区域内的所述可逆开关荧光蛋白由第一状态转换为第二状态；采用第三光束对所述中央区域进行辐照，使所述中央区域内的所述可逆开关荧光蛋白由第一状态转换为混合态；采用第二光束对除所述中央区域以外的区域进行辐照，所得可逆开关荧光蛋白呈所述第一状态环绕包围所述混合态的形式。本发明通过不同光束对可逆开关荧光蛋白进行状态的转换，使其呈环绕状的形式，实现了不同编码的多维度标记，达到超分辨荧光强度多阶复用光学存储的目的。

权利要求

1.一种实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法，其特征在于，其步骤包括：取可逆开关荧光蛋白并结晶形成晶体；

采用第二光束将目标点处所述可逆开关荧光蛋白激发至第一状态；

采用第一光束对目标点处的环形区域进行辐照，使所述环形区域内的所述可逆开关荧光蛋白由第一状态转换为第二状态，且被所述环形区域所包围的中央区域为第一状态，所述中央区域为小于衍射极限的区域；

采用第三光束对所述中央区域进行辐照，使所述中央区域内的所述可逆开关荧光蛋白由第一状态转换为第一状态和第三状态所构成的混合态；

采用第二光束对除所述中央区域以外的区域进行辐照，使其由第二状态转换为第一状态，所得可逆开关荧光蛋白呈所述第一状态环绕包围所述混合态的形式，用于对目标点进行荧光强度多阶状态的标记。

2.根据权利要求1中所述的实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法，其特征在于，所述第一状态、第二状态与第三状态为三种不同的荧光蛋白状态，所述可逆开关荧光蛋白在所述第一状态与第二状态之间转换时具有可逆性，且所述可逆开关荧光蛋白还具有从所述第一状态转换为所述第三状态的特性。

3.根据权利要求1中所述的实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法，其特征在于，所述可逆开关荧光蛋白为具有经不同波长或能量的光束辐照后在不同状态间进行切换特性的荧光蛋白。

4.根据权利要求1中所述的实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法，其特征在于，所述第二光束为高斯光束，并具有对所述可逆开关荧光蛋白辐照后使其由所述第二状态转换为所述第一状态的特性。

5.根据权利要求1中所述的实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法，其特征在于，所述第一光束为拉盖尔高斯光束，并具有对所述可逆开关荧光蛋白辐照后使其由所述第一状态转换为所述第二状态的特性。

6.根据权利要求1中所述的实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法，其特征在于，所述第三光束为高斯光束，并具有对所述可逆开关荧光蛋白辐照后使其由所述第一状态转换为所述第三状态的特性。

7.根据权利要求1中所述的实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法，其特征在于，所述采用第三光束对所述中央区域进行辐照步骤中，通过控制所述第三光束对所述中央区域的辐照时间，使所述混合态呈现出多阶变化的特征。

说明书

一种实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光学存储领域，特别是一种实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法。

背景技术

[0002] 近年来，数字信息技术极大地促进了世界经济和社会的发展，随着人工智能以及大数据的发展，各行各业对信息数据存储的要求与日俱增，据估计，各个部门产生的信息数
据量每年几乎翻一番。当前，光学数据存储技术由于具有能耗低、数据安全性高等优势，光
学存储技术日益成熟，然而其数据存储容量受到光学衍射极限的极大制约。因此光学数据
存储主要在超分辨和多维两个方面发展以此来提升光学数据存储的容量。

[0003] 近年来，包括“受激辐射损耗显微成像技术(STED)”及其衍生技术“可逆饱和光学荧光转化显微技术(RESOLFT)”等多种超分辨成像技术利用荧光基团标记分子实现了超越
衍射极限的成像，RESOLFT技术能够实现超分辨的标记进行数据存储。现有技术中的单STED
技术需要应用高功率损耗光，在进行超分辨成像过程中不可避免地会带来光损伤问题，同
时关于光学数据存储的维度方面也存在较大局限性，难以满足多维度光学数据存储的需
求。故需要提出一种新的光学存储方法用于解决现有技术中存在的问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于，提供一种实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法，用于解决现有技术中的超分辨光学数据存储方法难以满足多维度光学数据存储的需求的问
题。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法，其步骤包括：取可逆开关荧光蛋白并结晶形成晶体；采用第二光束将目标点处可逆
开关荧光蛋白激发至第一状态；采用第一光束对目标点处的环形区域进行辐照，使环形区
域内的可逆开关荧光蛋白由第一状态转换为第二状态，且被环形区域所包围的中央区域为
第一状态；采用第三光束对中央区域进行辐照，使中央区域内的可逆开关荧光蛋白由第一
状态转换为第一状态和第三状态所构成的混合态；采用第二光束对除中央区域以外的区域
进行辐照，使其由第二状态转换为第一状态，所得可逆开关荧光蛋白呈第一状态环绕包围
混合态的形式，用于对目标点进行荧光强度多阶状态的标记。

[0006] 其中，第一状态、第二状态与第三状态为三种不同的荧光蛋白状态，可逆开关荧光蛋白在第一状态与第二状态之间转换时具有可逆性，且可逆开关荧光蛋白还具有从第一状
态转换为第三状态的特性。

[0007] 其中，可逆开关荧光蛋白为具有经不同波长或能量的光束辐照后在不同状态间进行切换特性的荧光蛋白。

[0008] 其中，第二光束为高斯光束，并具有对可逆开关荧光蛋白辐照后使其由第二状态转换为第一状态的特性。

[0009] 其中，第一光束为拉盖尔高斯光束，并具有对可逆开关荧光蛋白辐照后使其由第一状态转换为第二状态的特性。

[0010] 其中，第三光束为高斯光束，并具有对可逆开关荧光蛋白辐照后使其由第一状态转换为第三状态的特性。

[0011] 其中，中央区域为小于衍射极限的区域。

[0012] 其中，采用第三光束对中央区域进行辐照步骤中，通过控制第三光束对中央区域的辐照时间，使混合态呈现出多阶变化的特征。

[0013] 本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法，通过第一光束和第二光束对可逆开关荧光蛋白进行状态
的转换，使可逆开关荧光蛋白呈环绕状的形式，且中央区域小于衍射极限；在第三光束辐照
下使中央区域转换为第三状态，通过调节第三光束的曝光时间即可实现不同编码的多维度
标记，以此达到超分辨荧光强度多阶复用光学存储的目的。

附图说明

[0014] 图1是本发明中实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法一实施方式的流程图；

[0015] 图2是本发明中实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法一实施方式在应用时的装置示意图；

[0016] 图3是本发明中实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法一实施方式中可逆开光荧光蛋白的状态转换示意图；

[0017] 图4是本发明中实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法一实施方式中可逆开光荧光蛋白的标记过程图。

具体实施方式

[0018] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，均属于本发明保护的范围。

[0019] 请参阅图1～2，图1是本发明中实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法一实施方式的流程图，图2是本发明中实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法一实施
方式在应用时的装置示意图。本发明中实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法的步
骤包括：

[0020] S1：取可逆开关荧光蛋白并结晶形成晶体。本实施方式中，所选择的可逆开关荧光蛋白在经过不同波长或能量的光束辐照后，能够在不同状态间进行切换，如收到光束辐照
后能够在第一状态和第二状态之间切换，或者在第一状态和第三状态之间进行切换，且该
切换过程可以是可逆过程，也可以是不可逆过程，在此不作限定。

[0021] S2：采用第二光束将目标点处可逆开关荧光蛋白激发至第一状态。本实施方式中，第二光束为高斯光束，并具有对可逆开关荧光蛋白辐照后使其由第二状态转换为第一状态
的特性，本步骤中第二光束依次经过双色镜和物镜后，到达可逆开关荧光蛋白的目标点处，
使目标点处可逆开关荧光蛋白由第二状态转换至第一状态；所使用的物镜可优选为使得光
束实现紧聚焦的高数值孔径物镜。

[0022] S3：采用第一光束对目标点处的环形区域进行辐照，使环形区域内的可逆开关荧光蛋白由第一状态转换为第二状态，且被环形区域所包围的中央区域为第一状态。本实施
方式中，第一光束为拉盖尔高斯光束，并具有对可逆开关荧光蛋白辐照后使其由第一状态
转换为第二状态的特性，本步骤中第一光束依次经过双色镜和物镜后，到达可逆开关荧光
蛋白的目标点处，使目标点处可逆开关荧光蛋白由第一状态转换为第二状态，而中央区域
仍为第一状态；由此在拉盖尔高斯光束的环形辐照后，在中央区域形成了一个小于衍射极
限的点，且中央区域与环形区域呈现出两种不同的状态。

[0023] S4：采用第三光束对中央区域进行辐照，使中央区域内的可逆开关荧光蛋白由第一状态转换为第一状态和第三状态所构成的混合态。本实施方式中，第三光束为高斯光束，
并具有对可逆开关荧光蛋白辐照后使其由第一状态转换为第三状态的特性；本步骤中可通
过控制第三光束对可逆开关荧光蛋白的辐照时间，使中央区域中第一状态转换为第三状态
的程度，通过控制第三光束对中央区域的辐照时间，产生不同程度的且多阶变化的混合态
效果，该混合态包含有第一状态和第三状态两种状态，由于中央区域是小于衍射极限的点，
从而能够对第三光束产生相应并发生状态转换。

[0024] S5：采用第二光束对除中央区域以外的区域进行辐照，使其由第二状态转换为第一状态，所得可逆开关荧光蛋白呈第一状态环绕包围混合态的形式。本步骤中，中央区域超
越衍射极限的点仍为第一状态和第三状态所构成的混合态，而中央区域以外的部分由第二
状态转换为第一状态，由于混合态可具有多种变现效果，从而根据编码能够实现对中心区
域超越衍射极限的点多种情况的标记，即荧光强度多阶的状态，进而达到荧光强度多阶复
用的目的。

[0025] 下面以具体实施例对上述实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法的实施过程进行说明。

[0026] 实施例1

[0027] 本实施例中，选取IrisFP作为可逆开关荧光蛋白，前述第一状态、第二状态、第三状态分别对应绿色荧光状态、无荧光状态、红色荧光状态；IrisFP能够实现在绿色荧光状态
与无荧光状态多次可逆重复的开关，同时还能实现从绿色荧光状态到红色荧光状态的单向
2
切换；在绿色荧光状态时IrisFP能够在波长为488nm、能量为52W/cm的光束辐照下激发出
2
波长为516nm的荧光，在红色荧光状态时能够在波长为551nm、能量为125W/cm的光束辐照
下激发出波长为580nm的荧光；第一光束为拉盖尔高斯光束，第二光束和第三光束均为高斯
光束。

[0028] 本实施例在执行上述实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法时，具体步骤2
如下：采用取IrisFP结晶形成IrisFP晶体；采用波长为405nm、能量为47W/cm的第二光束将
2
目标点处IrisFP晶体激发至绿色荧光状态；采用波长为488nm、能量为500W/cm的第一光束
对目标点处的环形区域进行辐照，使环形区域内的IrisFP晶体由绿色荧光状态转换为无荧
光状态，且被环形区域所包围的中央区域为绿色荧光状态；采用波长为405nm、能量为263W/
2
cm的第三光束对中央区域进行辐照，使中央区域内的IrisFP晶体由绿色荧光状态转换为
2
绿色荧光和红色荧光所构成的混合态；采用405nm、能量为47W/cm的第二光束对除中央区
域以外的区域进行辐照，使其由无荧光状态转换为绿色荧光状态，所得IrisFP晶体呈绿色
荧光状态环绕包围混合态的形式，从而完成了对目标点的标记，根据编码能够实现在中心
区域超越衍射极限点的多种情况标记，包括完全的绿色荧光状态、完全的红色荧光状态以
及绿色荧光状态和红色荧光状态构成的混合态，达到多维度复用的目的。

[0029] 实施例2

[0030] 本实施例中，选取rsEGFP作为可逆开关荧光蛋白，前述第一状态、第二状态、第三状态分别对应荧光状态、无荧光状态、漂白态；rsEGFP能够实现在荧光状态与无荧光状态多
次可逆重复的开关，同时还能实现从荧光状态到漂白态的单向切换；第一光束为拉盖尔高
斯光束，第二光束和第三光束均为高斯光束。

[0031] 本实施例在执行上述实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法时，具体步骤如下：采用取rsEGFP结晶形成rsEGFP晶体；采用第二光束将目标点处rsEGFP晶体激发至荧
光状态；采用第一光束对目标点处的环形区域进行辐照，使环形区域内的rsEGFP晶体由荧
光状态转换为无荧光状态，且被环形区域所包围的中央区域为荧光状态；采用第三光束对
中央区域进行辐照，使中央区域内的rsEGFP晶体由荧光转换为荧光状态和漂白态所构成的
混合态；采用第二光束对除中央区域以外的区域进行辐照，使其由无荧光状态转换为荧光
状态，所得rsEGFP晶体呈荧光状态环绕包围混合态的形式，从而完成了对目标点的标记，根
据编码能够实现在中心区域超越衍射极限点的多种情况标记，包括完全的荧光状态、完全
的漂白态以及荧光状态和漂白态构成的混合态，达到多维度复用的目的。

[0032] 进一步地，结合上述对本发明中实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法及具体实施例，对其原理进行描述，请参阅图3～4，图3是本发明中实现超分辨荧光强度多阶
复用的光学存储方法一实施方式中可逆开光荧光蛋白的状态转换示意图，图4是本发明中
实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法一实施方式中可逆开光荧光蛋白的标记过
程图。如图3所示，对于本实施方式来说，第一状态、第二状态与第三状态为三种不同的荧光
蛋白状态，且可逆开关荧光蛋白在第一状态与第二状态之间转换时具有可逆性，而由第一
状态转换为第三状态不具有可逆性，从而可以使需要标记的目标点在三个状态中进行组
合，提高了光学存储的维度。如图4所示，a、b、c、d、e表示实现超分辨荧光强度多阶复用的光
学存储方法在实施过程中的各时刻所呈现的标记状态，相邻两时刻之间分别体现了上述S2
～S5步骤，由于最终时刻e呈现出中央区域为第一状态和第三状态所构成的混合态，而中央
区域以外的部分为第一状态，则仅需调节第三光束的曝光时间，则可使中央区域的混合态
呈现不同的混合程度，从而实现不同编码的标记，达到超分辨荧光强度多阶复用光学存储
的目的。

[0033] 需要指出的是，所选用的可逆开关荧光蛋白、光束波长或能量、转换状态这之间具有紧密的对应关系，可根据实际的编码需求对可逆开关荧光蛋白、光束波长或能量、转换状
态进行选择，在此不做限定。此外，上述步骤S2～S5仅对单个目标点的标记方法进行了描
述，在对多个目标点进行标记时，可通过重复上述步骤S2～S5的操作来实现多点标记过程，
在此不做赘述。

[0034] 区别于现有技术的情况，本发明提供了一种实现超分辨荧光强度多阶复用的光学存储方法，通过第一光束和第二光束对可逆开关荧光蛋白进行状态的转换，使可逆开关荧
光蛋白呈环绕状的形式，且中央区域小于衍射极限；在第三光束辐照下使中央区域转换为
第三状态，通过调节第三光束的曝光时间即可实现不同编码的多维度标记，以此达到超分
辨荧光强度多阶复用光学存储的目的。

[0035] 需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。

[0036] 以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在
不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。