一種不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置及方法
2023-12-11 20:38:22 2
一種不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置及方法，該裝置主要由雷射器單元、光學掃描顯微單元、受激拉曼散射信號探測與獲取單元以及自發拉曼光譜檢測部件等功能單元的相關器件構成。依據該方法實施，可以在活細胞、離體的生物組織和活體小動物上快速實現單雷射束工作方式下的自發拉曼光譜檢測和雙雷射束工作方式下的受激拉曼散射顯微成像二種不同模態分子振動散射信號的原位獲取，實現對靶目標的定量顯微成像和定性光譜分析，獲得靶目標組成成分的特徵信息，為樣本的光學診斷與深入分析提供重要數據。
【專利說明】一種不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置及方法。
【背景技術】
[0002]光學顯微成像技術由於對生物樣本具有無損傷、非侵入等優點，使其在生物學領域有著重要地位。特別地，十九世紀末期新出現的雷射共焦掃描顯微成像和雙光子激發螢光成像技術等，由於它們具有較高的空間分辨能力和三維光學成像能力，使得光學顯微術在生物學、醫學及其相關交叉學科的基礎研究和臨床上獲得了廣泛的應用。然而，由於生物樣本螢光顯微成像通常需要藉助外源性螢光染料，而外源性染料的添加在一定程度上會干擾和影響一些小分子的特性，從而影響光學分子成像的實驗結果。因此，作為無需螢光標記的分子振動光譜技術，如自發拉曼光譜檢測與顯微成像技術應運而生。
[0003]自發拉曼信號是一種光散射信號，當入射的雷射被物質中的分子散射時，其中一大部分的散射光與入射雷射具有相同的波長或顏色，即發生瑞利散射。此外，還有極小一部分(大約10_9)散射光的波長與入射光不同，產生了偏離，即發生了自發拉曼散射。入射光與散射光波長偏離量的大小取決於測試樣品的組成成分或化學鍵結構，其中波長增大的散射光稱為斯託克斯散射，它是自發拉曼散射光譜的主要組成。
[0004]雖然自發拉曼散射光譜是一種免螢光標記的分子影像技術，但由於自發拉曼散射的分子橫截面積(約10_3°cm2)遠小於螢光色團分子的橫截面積(約10_16cm2)，因此自發拉曼散射的光信號很微弱，採集一幅拉曼光譜圖像一般需要數小時，直接制約了自發拉曼顯微成像技術在生物樣品，特別是活細胞上的分子成像。
【發明內容】
[0005]為了克服現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置及方法，該方法可以無損地在包括活細胞在內的生物樣本快速實施受激拉曼散射顯微成像和自發拉曼散射光譜檢測的原位測量，實現對靶目標特定化學鍵的分子振動進行顯微成像，爾後根據顯微圖像定位和選擇檢測位置，進行原位自發拉曼光譜檢測，進一步定性分析靶目標的物質成份。
[0006]為了實現上述目的，本發明的技術方案一是:一種不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置，包括雷射器系統，所述雷射器系統的輸出方向沿第一光路依次設置有第一脈衝雷射功率調節單元、光路切換器件、脈衝展寬器件和時間延遲單元，所述雷射器系統的輸出方向沿第二光路依次設置有第二脈衝雷射功率調節單元和聲光調製器，所述時間延遲單元和第二脈衝雷射功率調節單元的輸出方向共同依次設置有第一二向色鏡、雷射束掃描單元、第二二向色鏡、第一物鏡以及用於放置待測樣品的載物臺，所述第二二向色鏡的輸出端沿其反射方向依次設置有第一會聚透鏡、孔徑光欄以及第一凹面反射鏡，所述第一凹面反射鏡的輸出光通過反射型光柵輸入到第二凹面反射鏡，所述第二凹面反射鏡的輸出光輸入到CXD探測器。
[0007]進一步的，所述第一脈衝雷射功率調節單元包含沿第一光路依次設置的第一半波片和第一偏振分光片，所述第二脈衝雷射功率調節單元包含沿第二光路依次設置的第二半波片和第二偏振分光片。
[0008]進一步的，所述脈衝展寬器件的輸出端與時間延遲單元的輸入端之間設置有第一反射鏡。
[0009]進一步的，所述雷射器系統的輸出端與第二脈衝雷射功率調節單元的輸入端之間設置有光開關。
[0010]進一步的，所述雷射束掃描單元的輸出端與第二二向色鏡的輸入端之間設置有第二反射鏡。
[0011]進一步的，所述載物臺下方從上往下依次設置有第二物鏡、第三反射鏡、第二會聚透鏡、光學濾光片以及光電探測器。
[0012]進一步的，所述聲光調製器和光電探測器分別通過鎖相放大器電性連接至數據處理中心。
[0013]為了實現上述目的，本發明的技術方案二是:一種不同模態分子振動光譜檢測與成像方法，採用上述的不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置，將待測樣品放置於載物臺上，包括以下兩種模式:
(O自發拉曼散射光譜檢測模式:從雷射器系統僅出射一束的飛秒脈衝雷射，先經過第一脈衝雷射功率調節單元實現對飛秒脈衝雷射的功率調節後，然後經光路切換器件和脈衝展寬器件實現飛秒脈衝雷射的脈衝展寬大於10ps以作為自發拉曼光譜的激發光源，並依次通過時間延遲單元、第一二向色鏡、雷射束掃描單元、第二二向色鏡和第一物鏡，最後輻照在待測樣品上；當施行後向測量方式時，激發光束與待測樣品相互作用產生的自發拉曼散射光信號經第一物鏡向後返回，並經第二二向色鏡反射、第一會聚透鏡會聚後經過孔徑光欄，再經第一凹面反射鏡成一平行光束照射在反射型光柵上，經反射型光柵分光後的光束再由第二凹面反射鏡進行反射，並傳送給CCD探測器進行信號採集；
(2)受激拉曼散射顯微成像模式:從雷射器系統出射兩束光，分別為泵浦光和探測光；探測光先經過第一脈衝雷射功率調節單元，接著經過時間延遲單元後形成探測光束；泵浦光先經過第二脈衝雷射功率調節單元，接著經過聲光調製器後形成高頻調製的脈衝光束，並與探測光束在第一二向色鏡處實現時間和空間上的耦合與共線，耦合後的光束入射進入雷射束掃描單元，最後經過第一物鏡會聚作用在待測樣品上，兩束超短脈衝雷射在它們的波長或波數差與待測樣品中相關分子化學鍵振動光譜的拉曼位移相同或相近時，誘導特定化學鍵分子振動的受激拉曼散射效應。
[0014]與現有技術相比，本發明具有以下優點:該裝置主要由雷射器單元、光學掃描顯微單元、受激拉曼散射信號探測與獲取單元以及自發拉曼光譜檢測部件等功能單元的相關器件構成。依據該方法實施，可以在活細胞、離體的生物組織和活體小動物上快速實現單雷射束工作方式下的自發拉曼光譜檢測和雙雷射束工作方式下的受激拉曼散射顯微成像二種不同模態分子振動散射信號的原位獲取，實現對靶目標的定量顯微成像和定性光譜分析，獲得靶目標組成成分的特徵信息，為樣本的光學診斷與深入分析提供重要數據。
[0015]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步詳細的闡述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明實施例的原理示意圖。
[0017]圖中標記:1-雷射器系統，2-第一半波片,3-第一偏振分光片,4-光路切換器件，
5-脈衝展寬器件，6-第一反射鏡,7-時間延遲單兀,8-第一二向色鏡,9-光開關,10-第二半波片，11-第二偏振分光片，12-聲光調製器，13-雷射束掃描單兀,14-第二反射鏡，15-第二二向色鏡，16-第一會聚透鏡，17-孔徑光欄，18-第一凹面反射鏡，19-數據處理中心，20-鎖相放大器，21-反射型光柵，22-第一物鏡，23-CXD探測器，24-第二凹面反射鏡，25-待測樣品,26-第二物鏡,27-第三反射鏡,28-第二會聚透鏡,29-光學濾光片,30-光電探測器。
【具體實施方式】
[0018]如圖1所示，一種不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置，包括雷射器系統1，所述雷射器系統I的輸出方向沿第一光路依次設置有第一脈衝雷射功率調節單元、光路切換器件4、脈衝展寬器件5和時間延遲單元7，所述雷射器系統I的輸出方向沿第二光路依次設置有第二脈衝雷射功率調節單元和聲光調製器12，所述時間延遲單元7和第二脈衝雷射功率調節單元的輸出方向共同依次設置有第一二向色鏡8、雷射束掃描單元13、第二二向色鏡15、第一物鏡22以及用於放置待測樣品25的載物臺，所述第二二向色鏡15的輸出端沿其反射方向依次設置有第一會聚透鏡16、孔徑光欄17以及第一凹面反射鏡18，所述第一凹面反射鏡18的輸出光通過反射型光柵21輸入到第二凹面反射鏡24，所述第二凹面反射鏡24的輸出光輸入到CXD探測器23。
[0019]在本實施例中，所述第一脈衝雷射功率調節單元包含沿第一光路依次設置的第一半波片2和第一偏振分光片3，所述第二脈衝雷射功率調節單元包含沿第二光路依次設置的第二半波片10和第二偏振分光片11。所述脈衝展寬器件5的輸出端與時間延遲單元7的輸入端之間設置有第一反射鏡6。所述雷射器系統I的輸出端與第二脈衝雷射功率調節單元的輸入端之間設置有光開關9。所述雷射束掃描單元13的輸出端與第二二向色鏡15的輸入端之間設置有第二反射鏡14。所述載物臺下方從上往下依次設置有第二物鏡26、第三反射鏡27、第二會聚透鏡28、光學濾光片29以及光電探測器30。所述聲光調製器12和光電探測器30分別通過鎖相放大器20電性連接至數據處理中心19，即計算機。
[0020]如圖1所示，一種不同模態分子振動光譜檢測與成像方法，採用上述的不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置，將待測樣品25放置於載物臺上，包括以下兩種模式:
(O自發拉曼散射光譜檢測模式:在此工作模式下，只需要單雷射光束，上述裝置就可以實現自發拉曼散射光譜檢測，具體如下:從雷射器系統I僅出射一束的飛秒脈衝雷射，先經過第一半波片2和第一偏振分光片3實現對飛秒脈衝雷射的功率調節後，然後經光路切換器件4和脈衝展寬器件5實現飛秒脈衝雷射的脈衝展寬大於10ps以作為自發拉曼光譜的激發光源(單光子激發)；由於測量信號為自發拉曼光譜信號，因此選擇雷射束掃描單元13工作在點方式下，即暫停掃描，此時雷射束經第一反射鏡6反射後，並依次通過時間延遲單元7、第一二向色鏡8、雷射束掃描單元13、第二反射鏡14、第二二向色鏡15和第一物鏡22，最後輻照在待測樣品25上；當施行後向測量方式時，激發光束與待測樣品25相互作用產生的自發拉曼散射光信號經第一物鏡22向後返回，並經第二二向色鏡15反射、第一會聚透鏡16會聚後經過孔徑光欄17，再經第一凹面反射鏡18成一平行光束照射在反射型光柵21上，經反射型光柵21分光後的光束再由第二凹面反射鏡24進行反射，並傳送給製冷型CCD探測器23進行信號採集；
(2)受激拉曼散射顯微成像模式:在此工作模式下，需要雙雷射光束，上述裝置就可以實現受激拉曼散射顯微成像，具體如下:從雷射器系統I出射兩束光，分別為泵浦光和探測光；探測光先經過第一脈衝雷射功率調節單元，接著經過時間延遲單元7後形成探測光束；泵浦光先經過第二脈衝雷射功率調節單元，接著經過聲光調製器12後形成高頻調製的脈衝光束，並與探測光束在第一二向色鏡8處實現時間和空間上的耦合與共線(共水平方向)，耦合後的光束入射進入雷射束掃描單元13，最後經過第一物鏡22會聚作用在待測樣品25上，由於是兩束超短脈衝雷射同時作用於待測樣品25，當它們的波長或波數差與待測樣品25中相關分子化學鍵振動光譜的拉曼位移相同或相近時，能夠誘導特定化學鍵分子振動的受激拉曼散射效應。
[0021]本發明考慮到(XD表面是一個平面，因此採用了兩個凹面反射鏡,從而能有效地保證到達CCD的光譜信號在同一平面上，從而提高信號的空間解析度和信噪比。本發明實施例測量的拉曼信號是一高頻的調製信號，因此受激散射光信號經光電探測器30後連接至鎖相放大器20進行頻率解調，最後再傳送到數據處理中心19進行數據分析與處理。當待測樣品25為組織切片或活細胞時，可以選擇在待測樣品25的前方(前向探測方式)或後方(後向探測方式)進行探測，選擇合適的窄帶濾光片便能夠獲得受激相干拉曼散射光信號；當待測樣品25為活體小動物或厚的組織樣品時，則只能採用後向測量方式測量受激相干拉曼散射信號。
[0022]為了實施受激拉曼散射顯微成像和自發拉曼光譜的原位快速獲取，實現對生物樣品中特定化學鍵分子振動的顯微成像及其自發拉曼光譜的原位檢測，本發明僅給了前向式的受激拉曼散射信號獲取和後向式的自發拉曼散射光譜信號的獲取方案。實際上，對於生物組織的切片或活細胞的實驗測量，二種不同模態(受激拉曼散射和自發拉曼散射)都可以採用同時採用前向式或後向式測量，但對於活體小動物實驗，則只能採用後向式測量方式。
[0023]以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
【權利要求】
1.一種不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置，包括雷射器系統，其特徵在於:所述雷射器系統的輸出方向沿第一光路依次設置有第一脈衝雷射功率調節單元、光路切換器件、脈衝展寬器件和時間延遲單元，所述雷射器系統的輸出方向沿第二光路依次設置有第二脈衝雷射功率調節單元和聲光調製器，所述時間延遲單元和第二脈衝雷射功率調節單元的輸出方向共同依次設置有第一二向色鏡、雷射束掃描單元、第二二向色鏡、第一物鏡以及用於放置待測樣品的載物臺，所述第二二向色鏡的輸出端沿其反射方向依次設置有第一會聚透鏡、孔徑光欄以及第一凹面反射鏡，所述第一凹面反射鏡的輸出光通過反射型光柵輸入到第二凹面反射鏡，所述第二凹面反射鏡的輸出光輸入到CCD探測器。
2.根據權利要求1所述的不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置，其特徵在於:所述第一脈衝雷射功率調節單兀包含沿第一光路依次設置的第一半波片和第一偏振分光片，所述第二脈衝雷射功率調節單元包含沿第二光路依次設置的第二半波片和第二偏振分光片。
3.根據權利要求1或2所述的不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置，其特徵在於:所述脈衝展寬器件的輸出端與時間延遲單元的輸入端之間設置有第一反射鏡。
4.根據權利要求1或2所述的不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置，其特徵在於:所述雷射器系統的輸出端與第二脈衝雷射功率調節單元的輸入端之間設置有光開關。
5.根據權利要求1所述的不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置，其特徵在於:所述雷射束掃描單元的輸出端與第二二向色鏡的輸入端之間設置有第二反射鏡。
6.根據權利要求5所述的不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置，其特徵在於:所述載物臺下方從上往下依次設置有第二物鏡、第三反射鏡、第二會聚透鏡、光學濾光片以及光電探測器。
7.根據權利要求6所述的不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置，其特徵在於:所述聲光調製器和光電探測器分別通過鎖相放大器電性連接至數據處理中心。
8.—種不同模態分子振動光譜檢測與成像方法，其特徵在於:採用權利要求1至7中任一項所述的不同模態分子振動光譜檢測與成像裝置，將待測樣品放置於載物臺上，包括以下兩種模式: (O自發拉曼散射光譜檢測模式:從雷射器系統僅出射一束的飛秒脈衝雷射，先經過第一脈衝雷射功率調節單元實現對飛秒脈衝雷射的功率調節後，然後經光路切換器件和脈衝展寬器件實現飛秒脈衝雷射的脈衝展寬大於10ps以作為自發拉曼光譜的激發光源，並依次通過時間延遲單元、第一二向色鏡、雷射束掃描單元、第二二向色鏡和第一物鏡，最後輻照在待測樣品上；當施行後向測量方式時，激發光束與待測樣品相互作用產生的自發拉曼散射光信號經第一物鏡向後返回，並經第二二向色鏡反射、第一會聚透鏡會聚後經過孔徑光欄，再經第一凹面反射鏡成一平行光束照射在反射型光柵上，經反射型光柵分光後的光束再由第二凹面反射鏡進行反射，並傳送給CCD探測器進行信號採集； (2)受激拉曼散射顯微成像模式:從雷射器系統出射兩束光，分別為泵浦光和探測光；探測光先經過第一脈衝雷射功率調節單元，接著經過時間延遲單元後形成探測光束；泵浦光先經過第二脈衝雷射功率調節單元，接著經過聲光調製器後形成高頻調製的脈衝光束，並與探測光束在第一二向色鏡處實現時間和空間上的耦合與共線，耦合後的光束入射進入雷射束掃描單元，最後經過第一物鏡會聚作用在待測樣品上，兩束超短脈衝雷射在它們的波長或波數差與待測樣品中相關分子化學鍵振動光譜的拉曼位移相同或相近時，誘導特定化學鍵分子振動的受激拉曼散射效應。
【文檔編號】G01N21/65GK104359892SQ201410666547
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月20日 優先權日:2014年11月20日
【發明者】楊洪欽, 邱彩敏, 陳建玲, 彭亦如, 王瑜華, 鄭莉琴, 謝樹森 申請人:福建師範大學