一種基於完美渦旋光激發SPR的光聲顯微系統的製作方法

2023-12-01 23:17:11 2

本發明涉及生物醫學成像技術領域，尤其是一種基於完美渦旋光(perfectopticalvortex，pov)激發spr的光聲顯微系統。

背景技術：

光聲成像是一種基於光聲效應的新興的生物醫學成像技術，這種成像方法結合了光激發與聲探測的優點。該技術通過檢測短脈衝雷射光源照射到吸收物質後，因吸收體瞬時熱彈性效應產生的寬帶超聲波(即光聲信號)，實現對組織光吸收特性的直接測量。光聲顯微成像是近幾年新興的影像技術，憑藉特異性的光學吸收對比機制，在血管生理學、腫瘤學及腦科學等眾多領域展現出巨大的應用潛力和市場前景。近幾年發展的具備光學解析度的光聲顯微技術，橫向解析度達到微米級別，可清晰成像紅血球細胞、毛細血管、及黑色素腫瘤等組織的微觀形態結構。然而，絕大多數的光聲顯微成像技術依賴於壓電型超聲換能器進行光聲波檢測。受材料固有屬性的限制，超聲換能器的檢測靈敏度和帶寬均有限。首先，換能器的聲壓探測靈敏度通常在上千帕量級，導致光聲成像的信噪比較低，嚴重影響光聲圖像質量。其次，換能器的探測帶寬範圍普遍在幾十兆赫茲，使光聲成像的縱向解析度在幾十微米，既影響了光聲成像的深度定位精度，又容易引起飽和效應。

然而，基於壓電型超聲換能器的光聲信號檢測方式，具有探測靈敏度低和檢測帶寬窄的缺陷，限制了光聲成像信噪比和解析度的提高。對於超聲換能器來講，受壓電材料本身屬性的制約，換能器普遍存在探測帶寬窄(約40-60mhz)和靈敏度低(噪音等效聲壓：幾百-上千帕)的缺點。換能器帶寬限制了光聲成像的縱向解析度，不僅影響深度定位的精準度，而且使三維圖像嚴重失真。同時，有限的聲探測帶寬導致光聲譜信息的損失，而且會引起飽和效應，從而無法準確反映物質的光學吸收特性。

為了突破傳統超聲換能器的制約，我們可以引入表面等離激元共振傳感(surfaceplasmonresonance，spr)技術。spr屬於全光學傳感，對外界幹擾具有極高的響應速度，理論上可以達到幾十到幾百兆赫茲的頻帶檢測；並且由於spr對於不同折射率所對應的激發角度不同，所以通過一個輕微的折射率變化，spr便有較大的靈敏度響應。因此，spr較之超聲換能器有很大的優勢。

目前,基於表面等離激元共振傳感(spr)進行光聲信號探測，主要分兩大類：第一種是稜鏡型spr；另一種是基於緊聚焦型物鏡激發的spr。在稜鏡型spr的光聲系統中，由於稜鏡自身佔據較大空間，使其難以放置在高數值孔徑顯微物鏡的出光口處(工作距離通常僅為幾毫米)。取而代之的是，將稜鏡spr與顯微物鏡置於生物樣品兩側，形成光聲信號的透射探測模式，但是該方法僅適應於細胞或薄層離體組織，無法進行厚生物樣品與活體組織成像。另外，稜鏡型spr很難引入特殊光束(如：渦旋光束，柱形矢量光束)進行激發，制約了其靈敏度和動態範圍的提高。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種基於完美渦旋光激發spr的光聲顯微系統，不僅解決了傳統光聲帶寬窄等的問題，並且與光學顯微有機結合，以最大的能量利用效率激發金膜的spr，有效降低了背景噪音，提高了光聲信號的檢測靈敏度。

為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案如下：

一種基於完美渦旋光激發spr的光聲顯微系統，其特徵是：所述光聲顯微系統包括探測光、探測光光束整形單元、光束偏振及相位調製單元、傅立葉變換單元、激發光、激發光光束整形單元、激發共振耦合光聲信號單元和控制與信號採集單元；

所述探測光由波長λ＝633nm氦氖雷射器(he-ne雷射器)發射出的功率10mw、光束直徑1mm的線偏振光；

所述探測光光束整形單元為入射的線偏振光經過衰減片，再經過擴束模塊將光束擴束；

所述光束偏振及相位調製單元為入射到起偏器和1/2λ波片，轉換成某一角度的線偏振光，經空間光調製器進行波前整形；

所述傅立葉變換單元為入射到傅立葉透鏡中,將空間光調製器上的「相位圖案」轉換為完美渦旋光，並傳遞至油浸物鏡的入瞳處，經聚焦實現單一角度的spr激發；

所述激發光由波長λ＝532nm納秒脈衝雷射器發射出的光聲激發光束，主要用於激發光聲信號；

所述激發光光束整形單元為光聲激發光束的擴束、整形與傳遞光路；

所述激發等離子體共振耦合光聲信號單元為經油浸物鏡聚焦，入射至金膜下方的待測生物樣品上，實現光聲信號的激發；

所述控制與信號採集單元為tm波和te波經金膜反射，進入波長λ＝633nm的窄帶濾光片上，將波長λ＝532nm的光過濾掉，之後經過偏振分光鏡，分成tm波和te波分別等光程的進入差分探測器中，經數據採集卡採集存儲，控制與信號採集器獲得光聲信號；並且對生物樣品進行二維掃描，加之聲信號本身具有深度信息，控制與信號採集器可實現三維成像。

作為本發明的優選方案，所述油浸物鏡是一種緊聚焦型物鏡，其數值孔徑(na)為1.4。通過大數值孔徑激發spr的系統，這樣可以很好地與光學顯微技術結合，然而，由於只有特定角度的tm波可以激發spr，導致大部分雷射光能量無法耦合進入金膜，造成光能量損耗；同時這些經金膜反射的光進入差分探測器中形成噪聲，影響了檢測靈敏度。採用緊聚焦型物鏡激發spr，這種油浸物鏡不僅激發納米級厚度金膜產生spr，還可以聚焦光聲激發光束，實現了反射式光聲信號檢測(激發光與聲探測位於生物樣品同側)，克服了稜鏡型spr的缺陷。

作為本發明的優選方案，所述完美渦旋光為一種帶有螺旋角動量的渦旋光束，其與光軸垂直的二維平面形成的光斑呈較細的圓環狀分布，經過油浸物鏡聚焦以後，在金膜上的tm波以特定激發角度入射實現spr激發。spr具有高靈敏度的優點可以探測比較微弱的光聲信號，並且由於是光學傳感，所以響應速度很快，從而大大的增加了系統的探測帶寬，優化了原有的探測光聲波機制。普通光場激發方式導致絕大部分光能量被反射，激發光利用率非常有限。由於只有特定角度的tm波可以激發spr，而pov具有獨特的環狀光斑的光學特性，通過透鏡緊聚焦之後可以實現單一的入射角度，因而在spr的基礎上引入pov不僅解決了傳統光聲帶寬窄等的問題，並且與光學顯微有機結合，以最大的能量利用效率激發金膜的spr，有效降低了背景噪音，提高了光聲信號的檢測靈敏度。

作為本發明的優選方案，所述spr在純水中激發的單一角度為71.75°。由於激發spr需要特定角度的tm波，所以spr激發的單一角度為71.75°。

作為本發明的優選方案，所述擴束模塊由兩個能夠改變激發光直徑和發散角的透鏡組合而成。通過這種設置，使得入射平行光光斑變大，能夠充滿物鏡的全部入瞳面，從而滿足spp的激發角度。

作為本發明的優選方案，所述完美渦旋光的產生還可採用錐鏡或數字微鏡(dmd)來實現。完美渦旋光的產生不僅可以採用空間光調製器來實現，還可以通過採用錐鏡或數字微鏡(dmd)來實現，光束通過錐鏡上或數字微鏡(dmd)上的「相位全息圖」並經過傅立葉變換單元轉換為完美渦旋光，並傳遞至油浸物鏡的入瞳處，經聚焦實現單一角度的spr激發。

作為本發明的優選方案，所述光聲顯微系統分為探測部分和激發部分，所述探測部分採用探測光為λ＝633nm線偏振光，經過衰減片、擴束模塊、偏振片、1/2λ波片、空間光調製器調製成pov，經過分束器進入na＝1.4的油浸物鏡聚焦滿足波矢匹配條件從而激發金膜表面激發等離子體共振，tm波耦合進入金膜內形成表面波，te波通過全反射反射到偏振分光鏡中，後用波長l＝633nm窄帶濾光片濾掉散射的波長λ＝532nm的激發光，經過偏振分光鏡將te波和tm波分開，然後te波和tm波分別通過反光鏡反射和透鏡折射保證等光程進入差分探測器進行強度的探測；所述激發部分採用一波長為532nm的納秒脈衝雷射器發射激發光，激發光經擴束模塊準直擴束，由二向色鏡和油浸物鏡組成的組合透鏡聚焦於金膜下方的待測生物樣品上，受激產生的光聲信號由如上所述的探測部分進行檢測。上述光聲顯微系統採用的大na油浸物鏡除了激發spr外，還可對光聲激發光束進行聚焦，這種激發/檢測共光路的設計、與信號的反射探測模式，不僅極大簡化了光路，而且適合成像較厚生物樣品以及活體組織，具有更廣泛的適用性；在光聲成像中，傳播至金膜/水界面處的光聲壓導致折射率發生變化，引起spr模式改變，使耦合進入金屬薄膜內的tm波能量變化，通過探測這一變化，實現光聲信號的檢測；受光聲壓幹擾，反射的tm波和te波強度差發生變化，經差分檢測可進行光聲信號的探測；由於pov獨特的圓環狀光斑的光學特性，通過透鏡緊聚焦之後可以實現單一的入射角度，在spr的基礎上引入這種pov能夠保證tm模式光能量可以高效率的耦合進入金膜，提高激發光能量的利用率，降低背景噪音，改善光聲信號的檢測靈敏度；其中探測部分的波矢匹配是實現表面等離激元共振傳感的關鍵所在，只有滿足特定角度的tm模式入射光可以有效激發spr。

本發明與現有技術相比，具有如下優點：

本發明中的基於完美渦旋光激發spr的光聲顯微系採用一種基於表面等離激元共振傳感的新型光聲信號探測方法，可大幅提高信號的探測靈敏度與帶寬；而且，該發明引入空間光調製器構造完美渦旋光，實現spr的單一角度激發，可以進一步提高激發光的利用率，降低信號檢測的背景噪音，增強了檢測靈敏度，實現光聲信號的高靈敏度、高信噪比、高能量利用率的寬譜檢測，從而使折射率的測量靈敏度達到10-6riu級別，對應的聲壓檢測靈敏度為幾十帕；其中spr激發光與光聲信號激發光採用同一油浸物鏡，既實現了光聲信號的反射式探測，又很好的降低光路的複雜度。

附圖說明

圖1是本發明實施例1的系統流程圖；

圖2是本發明實施例1的系統圖；

圖3是本發明實施例1中空間光調製器上的「相位圖案」；

圖4是本發明實施例1中激發spr產生的pov環圖像。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行具體描述。

實施例1

如圖1-3所示，本實施例中的基於完美渦旋光激發spr的光聲顯微系統，光聲顯微系統包括探測光1、探測光光束整形單元2、光束偏振及相位調製單元3、傅立葉變換單元4、激發光5、激發光光束整形單元6、激發共振耦合光聲信號單元7和控制與信號採集單元8；探測光1由波長λ＝633nm氦氖雷射器11(he-ne雷射器)發射出的功率10mw、光束直徑1mm的線偏振光；探測光光束整形單元2為入射的線偏振光經過衰減片12，再經過擴束模塊將光束擴束；擴束模塊由兩個能夠改變激發光直徑和發散角的透鏡13組合而成；光束偏振及相位調製單元3為入射到偏振片14和1/2λ波片15，轉換成某一角度的線偏振光，經空間光調製器16進行波前整形；傅立葉變換單元4為入射到傅立葉透鏡26中，將空間光調製器16上的「相位圖案」轉換為完美渦旋光，並傳遞至油浸物鏡17的入瞳處，經聚焦實現單一角度的spr激發；激發光5由波長λ＝532nm納秒脈衝雷射器18發射出的光聲激發光束，主要用於激發光聲信號；激發光光束整形單元6為光聲激發光束經過衰減片12、透鏡13和二向色鏡19的擴束、整形與傳遞光路；激發等離子體共振耦合光聲信號單元7為經油浸物鏡17聚焦，入射至金膜20下方的待測生物樣品21上，實現光聲信號的激發；控制與信號採集單元8為tm波和te波經金膜20反射，進入波長λ＝633nm的窄帶濾光片22上，將波長λ＝532nm的光過濾掉，之後經過偏振分光鏡23，分成tm波和te波分別等光程的進入差分探測器24中，經數據採集卡採集存儲，控制與信號採集器28獲得光聲信號；並且對生物樣品21進行二維掃描，加之聲信號本身具有深度信息，控制與信號採集器28可實現三維成像。

油浸物鏡17是一種緊聚焦型物鏡，其數值孔徑(na)為1.4。

如圖4所示，完美渦旋光為一種帶有螺旋角動量的渦旋光束，其與光軸垂直的二維平面形成的光斑呈較細的圓環狀分布，經過油浸物鏡17聚焦以後，在金膜20上的tm波以特定激發角度入射實現spr激發。

spr在純水中激發的單一角度為71.75°。由於激發spr需要特定角度的tm波，所以spr激發的單一角度為71.75°

光聲顯微系統分為探測部分和激發部分，探測部分採用探測光1為λ＝633nm線偏振光，經過衰減片12、擴束模塊、偏振片14、1/2λ波片15、空間光調製器16調製成pov，經過分束器25進入na＝1.4的油浸物鏡17聚焦滿足波矢匹配條件從而激發金膜20表面激發等離子體共振，tm波耦合進入金膜20內形成表面波，te波通過全反射反射到偏振分光鏡23中，後用波長l＝633nm窄帶濾光片22濾掉散射的波長λ＝532nm的激發光，經過偏振分光鏡23將te波和tm波分開，然後te波和tm波分別通過反光鏡27反射和透鏡13折射保證等光程進入差分探測器24進行強度的探測；激發部分採用一波長為532nm的納秒脈衝雷射器18發射激發光5，激發光5經擴束模塊準直擴束，由二向色鏡19和油浸物鏡17組成的組合透鏡聚焦於金膜20下方的待測生物樣品21上，受激產生的光聲信號由如上所述的探測部分進行檢測。

本發明採用空間光調製器16構造了完美渦旋光束，提高了tm波的spr激發效率，增強了檢測靈敏度，降低了背景噪音，從而使折射率的測量靈敏度達到10-6riu級別，對應的聲壓檢測靈敏度為幾十帕。此外，本發明是基於spr光學表面波方法探測，對超聲波引起的折射率變化具有極高的響應速度，所以理論上本發明的探測帶寬可以達到ghz的級別，但由於光電平衡探測器，信號放大器的限制(目前可以做到500mhz以上)，探測的帶寬會有一定的降低。

實施例2

本實施例中的基於完美渦旋光激發spr的光聲顯微系統與實施例1的區別在於：

所述完美渦旋光的產生還可採用錐鏡來實現。完美渦旋光的產生不僅可以採用空間光調製器來實現，還可以通過採用錐鏡來實現，光束通過錐鏡轉換為完美渦旋光，並傳遞至油浸物鏡的入瞳處，經聚焦實現單一角度的spr激發。

實施例3

本實施例中的基於完美渦旋光激發spr的光聲顯微系統與實施例1的區別在於：

所述完美渦旋光的產生還可採用數字微鏡(dmd)來實現。完美渦旋光的產生不僅可以採用空間光調製器來實現，還可以通過採用數字微鏡(dmd)來實現，光束通過數字微鏡(dmd)上的「相位全息圖」並經過傅立葉變換單元轉換為完美渦旋光，並傳遞至油浸物鏡的入瞳處，經聚焦實現單一角度的spr激發。

此外，需要說明的是，本說明書中所描述的具體實施例，其各部分名稱等可以不同，凡依本發明專利構思所述的構造、特徵及原理所做的等效或簡單變化，均包括於本發明專利的保護範圍內。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，只要不偏離本發明的結構或者超越本權利要求書所定義的範圍，均應屬於本發明的保護範圍。