一種不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像裝置及方法，該裝置主要由激光器單元、光學(xué)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(fā)拉曼光譜檢測部件等功能單元的相關(guān)器件構(gòu)成。依據(jù)該方法實施，可以在活細(xì)胞、離體的生物組織和活體小動物上快速實現(xiàn)單激光束工作方式下的自發(fā)拉曼光譜檢測和雙激光束工作方式下的受激拉曼散射顯微成像二種不同模態(tài)分子振動散射信號的原位獲取，實現(xiàn)對靶目標(biāo)的定量顯微成像和定性光譜分析，獲得靶目標(biāo)組成成分的特征信息，為樣本的光學(xué)診斷與深入分析提供重要數(shù)據(jù)。
【專利說明】一種不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)顯微成像技術(shù)由于對生物樣本具有無損傷、非侵入等優(yōu)點，使其在生物學(xué)領(lǐng)域有著重要地位。特別地，十九世紀(jì)末期新出現(xiàn)的激光共焦掃描顯微成像和雙光子激發(fā)熒光成像技術(shù)等，由于它們具有較高的空間分辨能力和三維光學(xué)成像能力，使得光學(xué)顯微術(shù)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及其相關(guān)交叉學(xué)科的基礎(chǔ)研究和臨床上獲得了廣泛的應(yīng)用。然而，由于生物樣本熒光顯微成像通常需要借助外源性熒光染料，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(xué)分子成像的實驗結(jié)果。因此，作為無需熒光標(biāo)記的分子振動光譜技術(shù)，如自發(fā)拉曼光譜檢測與顯微成像技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
[0003]自發(fā)拉曼信號是一種光散射信號，當(dāng)入射的激光被物質(zhì)中的分子散射時，其中一大部分的散射光與入射激光具有相同的波長或顏色，即發(fā)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(chǎn)生了偏離，即發(fā)生了自發(fā)拉曼散射。入射光與散射光波長偏離量的大小取決于測試樣品的組成成分或化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)，其中波長增大的散射光稱為斯托克斯散射，它是自發(fā)拉曼散射光譜的主要組成。
[0004]雖然自發(fā)拉曼散射光譜是一種免熒光標(biāo)記的分子影像技術(shù)，但由于自發(fā)拉曼散射的分子橫截面積(約10_3°cm2)遠(yuǎn)小于熒光色團(tuán)分子的橫截面積(約10_16cm2)，因此自發(fā)拉曼散射的光信號很微弱，采集一幅拉曼光譜圖像一般需要數(shù)小時，直接制約了自發(fā)拉曼顯微成像技術(shù)在生物樣品，特別是活細(xì)胞上的分子成像。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種不同模態(tài)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(xì)胞在內(nèi)的生物樣本快速實施受激拉曼散射顯微成像和自發(fā)拉曼散射光譜檢測的原位測量，實現(xiàn)對靶目標(biāo)特定化學(xué)鍵的分子振動進(jìn)行顯微成像，爾后根據(jù)顯微圖像定位和選擇檢測位置，進(jìn)行原位自發(fā)拉曼光譜檢測，進(jìn)一步定性分析靶目標(biāo)的物質(zhì)成份。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案一是:一種不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像裝置，包括激光器系統(tǒng)，所述激光器系統(tǒng)的輸出方向沿第一光路依次設(shè)置有第一脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元、光路切換器件、脈沖展寬器件和時間延遲單元，所述激光器系統(tǒng)的輸出方向沿第二光路依次設(shè)置有第二脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元和聲光調(diào)制器，所述時間延遲單元和第二脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元的輸出方向共同依次設(shè)置有第一二向色鏡、激光束掃描單元、第二二向色鏡、第一物鏡以及用于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(shè)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(jìn)一步的，所述第一脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元包含沿第一光路依次設(shè)置的第一半波片和第一偏振分光片，所述第二脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元包含沿第二光路依次設(shè)置的第二半波片和第二偏振分光片。
[0008]進(jìn)一步的，所述脈沖展寬器件的輸出端與時間延遲單元的輸入端之間設(shè)置有第一反射鏡。
[0009]進(jìn)一步的，所述激光器系統(tǒng)的輸出端與第二脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元的輸入端之間設(shè)置有光開關(guān)。
[0010]進(jìn)一步的，所述激光束掃描單元的輸出端與第二二向色鏡的輸入端之間設(shè)置有第二反射鏡。
[0011]進(jìn)一步的，所述載物臺下方從上往下依次設(shè)置有第二物鏡、第三反射鏡、第二會聚透鏡、光學(xué)濾光片以及光電探測器。
[0012]進(jìn)一步的，所述聲光調(diào)制器和光電探測器分別通過鎖相放大器電性連接至數(shù)據(jù)處理中心。
[0013]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案二是:一種不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像方法，采用上述的不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像裝置，將待測樣品放置于載物臺上，包括以下兩種模式:
(O自發(fā)拉曼散射光譜檢測模式:從激光器系統(tǒng)僅出射一束的飛秒脈沖激光，先經(jīng)過第一脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元實現(xiàn)對飛秒脈沖激光的功率調(diào)節(jié)后，然后經(jīng)光路切換器件和脈沖展寬器件實現(xiàn)飛秒脈沖激光的脈沖展寬大于10ps以作為自發(fā)拉曼光譜的激發(fā)光源，并依次通過時間延遲單元、第一二向色鏡、激光束掃描單元、第二二向色鏡和第一物鏡，最后輻照在待測樣品上；當(dāng)施行后向測量方式時，激發(fā)光束與待測樣品相互作用產(chǎn)生的自發(fā)拉曼散射光信號經(jīng)第一物鏡向后返回，并經(jīng)第二二向色鏡反射、第一會聚透鏡會聚后經(jīng)過孔徑光欄，再經(jīng)第一凹面反射鏡成一平行光束照射在反射型光柵上，經(jīng)反射型光柵分光后的光束再由第二凹面反射鏡進(jìn)行反射，并傳送給CCD探測器進(jìn)行信號采集；
(2)受激拉曼散射顯微成像模式:從激光器系統(tǒng)出射兩束光，分別為泵浦光和探測光；探測光先經(jīng)過第一脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元，接著經(jīng)過時間延遲單元后形成探測光束；泵浦光先經(jīng)過第二脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元，接著經(jīng)過聲光調(diào)制器后形成高頻調(diào)制的脈沖光束，并與探測光束在第一二向色鏡處實現(xiàn)時間和空間上的耦合與共線，耦合后的光束入射進(jìn)入激光束掃描單元，最后經(jīng)過第一物鏡會聚作用在待測樣品上，兩束超短脈沖激光在它們的波長或波數(shù)差與待測樣品中相關(guān)分子化學(xué)鍵振動光譜的拉曼位移相同或相近時，誘導(dǎo)特定化學(xué)鍵分子振動的受激拉曼散射效應(yīng)。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:該裝置主要由激光器單元、光學(xué)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(fā)拉曼光譜檢測部件等功能單元的相關(guān)器件構(gòu)成。依據(jù)該方法實施，可以在活細(xì)胞、離體的生物組織和活體小動物上快速實現(xiàn)單激光束工作方式下的自發(fā)拉曼光譜檢測和雙激光束工作方式下的受激拉曼散射顯微成像二種不同模態(tài)分子振動散射信號的原位獲取，實現(xiàn)對靶目標(biāo)的定量顯微成像和定性光譜分析，獲得靶目標(biāo)組成成分的特征信息，為樣本的光學(xué)診斷與深入分析提供重要數(shù)據(jù)。
[0015]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的闡述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明實施例的原理示意圖。
[0017]圖中標(biāo)記:1-激光器系統(tǒng)，2-第一半波片,3-第一偏振分光片,4-光路切換器件，
5-脈沖展寬器件，6-第一反射鏡,7-時間延遲單兀,8-第一二向色鏡,9-光開關(guān),10-第二半波片，11-第二偏振分光片，12-聲光調(diào)制器，13-激光束掃描單兀,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(shù)據(jù)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(xué)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(tài)分子振動光譜檢測與成像裝置，包括激光器系統(tǒng)1，所述激光器系統(tǒng)I的輸出方向沿第一光路依次設(shè)置有第一脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元、光路切換器件4、脈沖展寬器件5和時間延遲單元7，所述激光器系統(tǒng)I的輸出方向沿第二光路依次設(shè)置有第二脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元和聲光調(diào)制器12，所述時間延遲單元7和第二脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元的輸出方向共同依次設(shè)置有第一二向色鏡8、激光束掃描單元13、第二二向色鏡15、第一物鏡22以及用于放置待測樣品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(shè)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，所述第一脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元包含沿第一光路依次設(shè)置的第一半波片2和第一偏振分光片3，所述第二脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元包含沿第二光路依次設(shè)置的第二半波片10和第二偏振分光片11。所述脈沖展寬器件5的輸出端與時間延遲單元7的輸入端之間設(shè)置有第一反射鏡6。所述激光器系統(tǒng)I的輸出端與第二脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元的輸入端之間設(shè)置有光開關(guān)9。所述激光束掃描單元13的輸出端與第二二向色鏡15的輸入端之間設(shè)置有第二反射鏡14。所述載物臺下方從上往下依次設(shè)置有第二物鏡26、第三反射鏡27、第二會聚透鏡28、光學(xué)濾光片29以及光電探測器30。所述聲光調(diào)制器12和光電探測器30分別通過鎖相放大器20電性連接至數(shù)據(jù)處理中心19，即計算機(jī)。
[0020]如圖1所示，一種不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像方法，采用上述的不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像裝置，將待測樣品25放置于載物臺上，包括以下兩種模式:
(O自發(fā)拉曼散射光譜檢測模式:在此工作模式下，只需要單激光光束，上述裝置就可以實現(xiàn)自發(fā)拉曼散射光譜檢測，具體如下:從激光器系統(tǒng)I僅出射一束的飛秒脈沖激光，先經(jīng)過第一半波片2和第一偏振分光片3實現(xiàn)對飛秒脈沖激光的功率調(diào)節(jié)后，然后經(jīng)光路切換器件4和脈沖展寬器件5實現(xiàn)飛秒脈沖激光的脈沖展寬大于10ps以作為自發(fā)拉曼光譜的激發(fā)光源(單光子激發(fā))；由于測量信號為自發(fā)拉曼光譜信號，因此選擇激光束掃描單元13工作在點方式下，即暫停掃描，此時激光束經(jīng)第一反射鏡6反射后，并依次通過時間延遲單元7、第一二向色鏡8、激光束掃描單元13、第二反射鏡14、第二二向色鏡15和第一物鏡22，最后輻照在待測樣品25上；當(dāng)施行后向測量方式時，激發(fā)光束與待測樣品25相互作用產(chǎn)生的自發(fā)拉曼散射光信號經(jīng)第一物鏡22向后返回，并經(jīng)第二二向色鏡15反射、第一會聚透鏡16會聚后經(jīng)過孔徑光欄17，再經(jīng)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(jīng)反射型光柵21分光后的光束再由第二凹面反射鏡24進(jìn)行反射，并傳送給制冷型CCD探測器23進(jìn)行信號采集；
(2)受激拉曼散射顯微成像模式:在此工作模式下，需要雙激光光束，上述裝置就可以實現(xiàn)受激拉曼散射顯微成像，具體如下:從激光器系統(tǒng)I出射兩束光，分別為泵浦光和探測光；探測光先經(jīng)過第一脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元，接著經(jīng)過時間延遲單元7后形成探測光束；泵浦光先經(jīng)過第二脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元，接著經(jīng)過聲光調(diào)制器12后形成高頻調(diào)制的脈沖光束，并與探測光束在第一二向色鏡8處實現(xiàn)時間和空間上的耦合與共線(共水平方向)，耦合后的光束入射進(jìn)入激光束掃描單元13，最后經(jīng)過第一物鏡22會聚作用在待測樣品25上，由于是兩束超短脈沖激光同時作用于待測樣品25，當(dāng)它們的波長或波數(shù)差與待測樣品25中相關(guān)分子化學(xué)鍵振動光譜的拉曼位移相同或相近時，能夠誘導(dǎo)特定化學(xué)鍵分子振動的受激拉曼散射效應(yīng)。
[0021]本發(fā)明考慮到(XD表面是一個平面，因此采用了兩個凹面反射鏡,從而能有效地保證到達(dá)CCD的光譜信號在同一平面上，從而提高信號的空間分辨率和信噪比。本發(fā)明實施例測量的拉曼信號是一高頻的調(diào)制信號，因此受激散射光信號經(jīng)光電探測器30后連接至鎖相放大器20進(jìn)行頻率解調(diào)，最后再傳送到數(shù)據(jù)處理中心19進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。當(dāng)待測樣品25為組織切片或活細(xì)胞時，可以選擇在待測樣品25的前方(前向探測方式)或后方(后向探測方式)進(jìn)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(dāng)待測樣品25為活體小動物或厚的組織樣品時，則只能采用后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(fā)拉曼光譜的原位快速獲取，實現(xiàn)對生物樣品中特定化學(xué)鍵分子振動的顯微成像及其自發(fā)拉曼光譜的原位檢測，本發(fā)明僅給了前向式的受激拉曼散射信號獲取和后向式的自發(fā)拉曼散射光譜信號的獲取方案。實際上，對于生物組織的切片或活細(xì)胞的實驗測量，二種不同模態(tài)(受激拉曼散射和自發(fā)拉曼散射)都可以采用同時采用前向式或后向式測量，但對于活體小動物實驗，則只能采用后向式測量方式。
[0023]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像裝置，包括激光器系統(tǒng)，其特征在于:所述激光器系統(tǒng)的輸出方向沿第一光路依次設(shè)置有第一脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元、光路切換器件、脈沖展寬器件和時間延遲單元，所述激光器系統(tǒng)的輸出方向沿第二光路依次設(shè)置有第二脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元和聲光調(diào)制器，所述時間延遲單元和第二脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元的輸出方向共同依次設(shè)置有第一二向色鏡、激光束掃描單元、第二二向色鏡、第一物鏡以及用于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(shè)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(jù)權(quán)利要求1所述的不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像裝置，其特征在于:所述第一脈沖激光功率調(diào)節(jié)單兀包含沿第一光路依次設(shè)置的第一半波片和第一偏振分光片，所述第二脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元包含沿第二光路依次設(shè)置的第二半波片和第二偏振分光片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像裝置，其特征在于:所述脈沖展寬器件的輸出端與時間延遲單元的輸入端之間設(shè)置有第一反射鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像裝置，其特征在于:所述激光器系統(tǒng)的輸出端與第二脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元的輸入端之間設(shè)置有光開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像裝置，其特征在于:所述激光束掃描單元的輸出端與第二二向色鏡的輸入端之間設(shè)置有第二反射鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像裝置，其特征在于:所述載物臺下方從上往下依次設(shè)置有第二物鏡、第三反射鏡、第二會聚透鏡、光學(xué)濾光片以及光電探測器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像裝置，其特征在于:所述聲光調(diào)制器和光電探測器分別通過鎖相放大器電性連接至數(shù)據(jù)處理中心。
8.—種不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像方法，其特征在于:采用權(quán)利要求1至7中任一項所述的不同模態(tài)分子振動光譜檢測與成像裝置，將待測樣品放置于載物臺上，包括以下兩種模式: (O自發(fā)拉曼散射光譜檢測模式:從激光器系統(tǒng)僅出射一束的飛秒脈沖激光，先經(jīng)過第一脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元實現(xiàn)對飛秒脈沖激光的功率調(diào)節(jié)后，然后經(jīng)光路切換器件和脈沖展寬器件實現(xiàn)飛秒脈沖激光的脈沖展寬大于10ps以作為自發(fā)拉曼光譜的激發(fā)光源，并依次通過時間延遲單元、第一二向色鏡、激光束掃描單元、第二二向色鏡和第一物鏡，最后輻照在待測樣品上；當(dāng)施行后向測量方式時，激發(fā)光束與待測樣品相互作用產(chǎn)生的自發(fā)拉曼散射光信號經(jīng)第一物鏡向后返回，并經(jīng)第二二向色鏡反射、第一會聚透鏡會聚后經(jīng)過孔徑光欄，再經(jīng)第一凹面反射鏡成一平行光束照射在反射型光柵上，經(jīng)反射型光柵分光后的光束再由第二凹面反射鏡進(jìn)行反射，并傳送給CCD探測器進(jìn)行信號采集； (2)受激拉曼散射顯微成像模式:從激光器系統(tǒng)出射兩束光，分別為泵浦光和探測光；探測光先經(jīng)過第一脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元，接著經(jīng)過時間延遲單元后形成探測光束；泵浦光先經(jīng)過第二脈沖激光功率調(diào)節(jié)單元，接著經(jīng)過聲光調(diào)制器后形成高頻調(diào)制的脈沖光束，并與探測光束在第一二向色鏡處實現(xiàn)時間和空間上的耦合與共線，耦合后的光束入射進(jìn)入激光束掃描單元，最后經(jīng)過第一物鏡會聚作用在待測樣品上，兩束超短脈沖激光在它們的波長或波數(shù)差與待測樣品中相關(guān)分子化學(xué)鍵振動光譜的拉曼位移相同或相近時，誘導(dǎo)特定化學(xué)鍵分子振動的受激拉曼散射效應(yīng)。
【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(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)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:福建師范大學(xué)