【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于光譜成像及生物傳感，涉及一種微型高時空分辨拉曼顯微鏡及其搭建方法和應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、大腦作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最高級的部分，其內(nèi)環(huán)境的改變會帶來一系列的疾病。尤其是深部腦區(qū)，其內(nèi)環(huán)境的改變有著更重要的病理學(xué)意義。開展深部腦區(qū)相關(guān)研究，有利于闡明神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，從而揭示大腦工作的神經(jīng)機制，為相關(guān)疾病的診斷與治療提供更可靠的依據(jù)。傳統(tǒng)的功能化磁共振成像和電生理技術(shù)廣泛用于腦成像分析，但是普遍受限于空間分辨率低，并且很難區(qū)分不同物質(zhì)的化學(xué)信號。拉曼光譜可以提供分子的指紋信息，具有高光譜分辨率以及抗光漂白和自體熒光的特性，非常適合進行生物成像。但是傳統(tǒng)的拉曼成像裝置由于用于活體顯微成像仍存在困難，尤其是深部腦區(qū)，這主要是由于其成像方法是基于光柵光譜儀的顯微拉曼成像技術(shù)，使得成像時間非常長，一般需要數(shù)小時。此外，基于臺式顯微鏡的拉曼儀器體積大，無法用于自由移動活體動物因此，迫切的需要開發(fā)一種微型高時空分辨拉曼顯微鏡，實現(xiàn)深部腦區(qū)神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)的高通量實時分析與成像。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的成像時空分辨率差的不足，本專利技術(shù)的目的是提供一種微型高時空分辨拉曼顯微鏡搭建方法及應(yīng)用，構(gòu)建雙光梳光源，創(chuàng)新性的集成多模光纖、微機電、漸變折射率微透鏡，同時結(jié)合高速光電探測器和高速數(shù)據(jù)采集卡，研制具有高時空分辨率和高光譜分辨率的微型光纖拉曼成像系統(tǒng)。所述微型高時空分辨拉曼顯微鏡具有高時空分辨率、可實現(xiàn)細(xì)胞和不同腦區(qū)拉曼信號的高分辨率快速采集和/或成像。
2、本
3、本專利技術(shù)提供了一種微型高時空分辨拉曼顯微鏡，如附圖4所示。
4、所述微型高時空分辨拉曼顯微鏡包括以下組成部分：
5、(1)光源部分(雙光梳脈沖光源)。光源部分的核心技術(shù)為不同頻率的雙光梳脈沖光源；雙光梳光譜中采用重復(fù)頻率略微差別的兩個光梳作為光源，頻率分別為f1,f2，雙光梳拍頻信號的重復(fù)頻率差為δf＝f2-f1。具體地，雙光梳脈沖光源部分包括產(chǎn)生超短脈沖的固定重頻的光梳脈沖光源，放大高功率激光的大模場雙包層光纖的啁啾脈沖放大技術(shù)以及在精密控制光場的重復(fù)頻率鎖定技術(shù)、載波包絡(luò)相位控制技術(shù)和聲光移頻器的前饋式光梳控制技術(shù)。所述光源部分中還包括準(zhǔn)直器(第一準(zhǔn)直器、第二準(zhǔn)直器)和透鏡組(第一反射鏡和第一二向色鏡)，用于激發(fā)光的光路的調(diào)整和傳輸。
6、(2)微機電掃描子系統(tǒng)。該部分主要包括多模光纖、微機電系統(tǒng)和漸變折射率透鏡。其中所述多模光纖采用中心波長在1064nm、模場直徑6.7μm的多模光纖，用于激發(fā)光的傳輸和拉曼信號的同步收集，最大限度的抑制光梳光源非線性效用引起的脈沖展寬和色散，工作波長損耗<100db/km，色散<1ps/nm.km，在保證拉曼信號高效激發(fā)同時，最大限度的減少對動物自由移動的影響；所述光源非線性效用是指光波和介質(zhì)相互作用時交換能量，使得光子能量減少，發(fā)生光頻率的改變從而引起脈沖的色散和展寬。激發(fā)光經(jīng)光纖傳輸并準(zhǔn)直后進入微機電系統(tǒng)，經(jīng)微機電系統(tǒng)反射后的激發(fā)光進入漸變折射率透鏡，根據(jù)實際應(yīng)用需要，采用不同長度(1-5mm)和直徑(0.5-2.0mm)的大數(shù)值孔徑(na＝0.8)漸變折射率透鏡(grin)，grin透鏡將激發(fā)光聚焦到掃描平面，實現(xiàn)電驅(qū)動信號下的高空間分辨共聚焦掃描，如附圖5所示。
7、(3)高速信號采集與存儲子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要包括短通濾波片(lfp)、高速硅光電探測器(apd)和高速數(shù)據(jù)采集卡(digitizer)。為了提高探測信噪比，該裝置采用短通濾波片過濾探測信號中的激發(fā)光，具有可變增益和集成熱敏電阻的高速硅光電探測器將光信號實時轉(zhuǎn)換為電信號，并由高速數(shù)據(jù)采集卡實時讀取儲存，如附圖6所示。
8、(4)儀器驅(qū)動控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)包括驅(qū)動控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，用于控制所述光源部分、微機電掃描子系統(tǒng)、高速信號采集與存儲子系統(tǒng)，以及對獲得的數(shù)據(jù)進行處理。具體包括支持雙光梳光源輸出頻率和輸出功率調(diào)節(jié)、控制微機電(mems)快速共聚焦掃描、高速光電探測器的實時信號采集和高速數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)實時儲存，并提供開發(fā)窗口。該部分利用雙光梳光源與探針相互作用后，產(chǎn)生一系列的拍頻信號，進行傅立葉轉(zhuǎn)換(fft)得到拉曼光譜數(shù)據(jù)。傅立葉變換數(shù)據(jù)處理基于以下公式進行。
9、f(ω)＝∫f(t)·e-iωtdt
10、當(dāng)f(t)為非周期連續(xù)函數(shù)時，其中f(ω)表示頻域信號，f(t)表示時域信號，ω為角頻率，t為時間，e^(-iωt)為復(fù)指數(shù)函數(shù)。
11、數(shù)據(jù)處理的大致過程如圖7所示。
12、除了上述的雙光梳脈沖光源、微機電掃描子系統(tǒng)、高速信號采集子系統(tǒng)、驅(qū)動控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)外，還包括了額外的第二反射鏡、第二二向色鏡、第三準(zhǔn)直鏡、多模光纖；用于對激光的傳播路徑進行調(diào)整，準(zhǔn)直激光以及激光的傳輸。
13、本專利技術(shù)提供了一種微型高時空分辨拉曼顯微鏡的搭建方法，需要對包括光源部分、微機電掃描子系統(tǒng)、高速信號采集與存儲子系統(tǒng)、驅(qū)動控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)在內(nèi)的硬件結(jié)構(gòu)進行搭建，還需要對搭建好的硬件結(jié)構(gòu)進行調(diào)試，所述調(diào)試包括如下步驟：
14、步驟1：光梳的產(chǎn)生與調(diào)諧，具體包括以下子步驟：
15、步驟1-1：以光纖飛秒激光器作為穩(wěn)定泵浦產(chǎn)生相干激發(fā)；
16、步驟1-2：通過空間光路進行調(diào)諧，使得最終通過空間光路調(diào)諧后得到具有固定頻率差δf、強度、光斑尺寸可調(diào)的雙光梳光源；
17、步驟2：微機電掃描子系統(tǒng)集成與調(diào)試，具體包括以下子步驟：
18、步驟2-1：基于壓電陶瓷形變大小對施加電壓的敏感性，通過改變施加電壓的大小，改變微機電系統(tǒng)(mems)中反射鏡的角度，從而實現(xiàn)掃描光路的控制；
19、步驟2-2：利用高數(shù)值孔徑值的漸變折射率(grin)透鏡將激發(fā)光聚焦到掃描平面，實現(xiàn)電驅(qū)動信號下高分辨成像；
20、步驟2-3：以多模光纖作為脈沖激光的傳輸介質(zhì)，減少激發(fā)光非線性展寬和色散、保證激發(fā)效率；
21、步驟3：光路調(diào)節(jié)及校正，具體包括以下子步驟：
22、步驟3-1：采用重復(fù)頻率略微差別(δf)的兩個光梳作為脈沖光源，經(jīng)過第二二向色鏡后，由準(zhǔn)直鏡聚焦后進入多模光纖，并在光纖另一端進入微機電掃描子系統(tǒng)，δf＝f2-f1，f1，f2分別為兩個光梳的頻率。
23、步驟3-2：激發(fā)光和檢測光位于光纖的同一端，微機電掃描子系統(tǒng)位于光纖的另一端，光纖兩端固定于光學(xué)平臺，保證光信號的有效傳輸。
24、本專利技術(shù)還提供了如上所述方法構(gòu)建的高時空分辨微型拉曼顯微鏡在體外和/或體內(nèi)拉曼信號收集和/或成像中的應(yīng)用。
25、本專利技術(shù)還提供了如上所述方法構(gòu)建的高時空分辨微型拉曼顯微鏡在激發(fā)光激發(fā)下，體外拉曼分子信號收集中的應(yīng)用，所述拉曼分子包括羅丹明b，對巰基苯甲酸，花菁染料5。
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1.一種微型高時空分辨拉曼顯微鏡，其特征在于，包括：
2.如權(quán)利要求1所述的微型高時空分辨拉曼顯微鏡，其特征在于，所述光源部分包括兩個不同頻率的光梳脈沖光源，用于產(chǎn)生脈沖的固定重頻的兩個光梳；兩個光梳的頻率分別為f1，f2，兩個光梳拍頻信號的重復(fù)頻率差為Δf＝f2-f1。
3.如權(quán)利要求1所述的微型高時空分辨拉曼顯微鏡，其特征在于，所述微機電掃描子系統(tǒng)中，所述多模光纖的中心波長為1064nm、模場直徑為6.7μm，工作波長損耗<100dB/km，色散<1ps/nm.km；所述漸變折射率透鏡的長度為1-5mm，直徑為0.5-2.0mm，數(shù)值孔徑為0.8。
4.如權(quán)利要求1所述的微型高時空分辨拉曼顯微鏡，其特征在于，所述高速信號采集與存儲子系統(tǒng)中，所述短通濾波片用于過濾探測信號中的激發(fā)光；所述高速硅光電探測器具有可變增益并集成了熱敏電阻，其將光信號實時轉(zhuǎn)換為電信號；所述高速數(shù)據(jù)采集卡用于實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲和讀取。
5.權(quán)利要求1所述的微型高時空分辨拉曼顯微鏡，其特征在于，所述驅(qū)動控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)利用雙光梳光源與探針相互作用
6.如權(quán)利要求1所述的微型高時空分辨拉曼顯微鏡，其特征在于，所述微型高時空分辨拉曼顯微鏡還包括第二反射鏡、第二二向色鏡、第三準(zhǔn)直器、多模光纖；用于調(diào)整激光的傳播路徑，并進行激光的準(zhǔn)直和傳輸；
7.一種如權(quán)利要求1-6之任一項所述的微型高時空分辨拉曼顯微鏡的搭建方法，其特征在于，包括搭建和調(diào)試，所述搭建和調(diào)試包括光源部分、微機電掃描子系統(tǒng)、高速信號采集與存儲子系統(tǒng)、驅(qū)動控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)在內(nèi)的硬件結(jié)構(gòu)，包括如下步驟：
8.一種如權(quán)利要求7所述的方法搭建的微型高時空分辨拉曼顯微鏡在激發(fā)光激發(fā)下，體外拉曼分子信號收集中的應(yīng)用；其中，
9.一種如權(quán)利要求7所述的方法搭建的微型高時空分辨拉曼顯微鏡在激發(fā)光激發(fā)下，細(xì)胞內(nèi)拉曼分子信號收集和/或成像中的應(yīng)用；其中，
10.一種如權(quán)利要求7所述的方法搭建的微型高時空分辨拉曼顯微鏡在激發(fā)光激發(fā)下，鼠腦腦切片內(nèi)拉曼分子信號收集和/或成像中的應(yīng)用；其中，
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種微型高時空分辨拉曼顯微鏡，其特征在于，包括：
2.如權(quán)利要求1所述的微型高時空分辨拉曼顯微鏡，其特征在于，所述光源部分包括兩個不同頻率的光梳脈沖光源，用于產(chǎn)生脈沖的固定重頻的兩個光梳；兩個光梳的頻率分別為f1，f2，兩個光梳拍頻信號的重復(fù)頻率差為δf＝f2-f1。
3.如權(quán)利要求1所述的微型高時空分辨拉曼顯微鏡，其特征在于，所述微機電掃描子系統(tǒng)中，所述多模光纖的中心波長為1064nm、模場直徑為6.7μm，工作波長損耗<100db/km，色散<1ps/nm.km；所述漸變折射率透鏡的長度為1-5mm，直徑為0.5-2.0mm，數(shù)值孔徑為0.8。
4.如權(quán)利要求1所述的微型高時空分辨拉曼顯微鏡，其特征在于，所述高速信號采集與存儲子系統(tǒng)中，所述短通濾波片用于過濾探測信號中的激發(fā)光；所述高速硅光電探測器具有可變增益并集成了熱敏電阻，其將光信號實時轉(zhuǎn)換為電信號；所述高速數(shù)據(jù)采集卡用于實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲和讀取。
5.權(quán)利要求1所述的微型高時空分辨拉曼顯微鏡，其特征在于，所述驅(qū)動控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)利用...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：田陽，劉智超，張三軍，
申請(專利權(quán))人：華東師范大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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