基于宽带受激辐射的时间分辨光学生物检测设备及其检测成像方法转让专利
申请号 : CN202010532382.8
文献号 : CN111678898B
文献日 : 2021-06-22
发明人 : 丁志华 , 刘智毅 , 孟佳 , 邱建榕 , 韩涛 , 王迪
申请人 : 浙江大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于宽带受激辐射的时间分辨光学生物检测设备,其特征在于,包括超连续谱光源、光调制单元、光学相干显微单元以及计算机,其中:所述超连续谱光源用于产生超连续谱激光;
所述光调制单元通过对超连续谱激光进行调制生成一路带有强度调制的泵浦光和一路具有时间延迟特性的探测光,进而将这两路光合成后送入光学相干显微单元;
所述光学相干显微单元利用输入的合成光对生物样本进行相干探测,获得能够反映生物样本发光寿命信息的电信号;
所述计算机采用相矢量法对电信号强度与时间延迟的关系曲线进行分析,获得生物样本的发光寿命信息,用以评价生物样本的新陈代谢水平;
所述光调制单元包括:
扩束器,用于对超连续谱激光进行扩束,输出具有适配光斑尺寸的激光;
截止滤光片CF1,用于从具有适配光斑尺寸的激光中分离出所需的宽带光谱激光;
二向色镜DM1,用于将宽带光谱激光分成两路不同波长的激光;
光学斩波器,用于对波长较短的一路激光进行强度调制生成泵浦光;
光学延迟线,用于对波长较长的一路激光进行时间延迟生成探测光;
二向色镜DM2,用于将泵浦光和探测光合成后送入光学相干显微单元;
所述光学相干显微单元包括分光镜、截止滤光片CF2、透镜GP1~GP5、二维扫描振镜、参考镜、光阑、针孔、衍射光栅以及CMOS线阵传感器,其中:所述分光镜用于将输入的合成光分成两路相同的激光,其中一路依次经光阑和透镜GP1打到参考镜上并原路返回,另一路依次经二维扫描振镜和透镜GP2打到生物样本上并原路返回,进而分光镜将两路返回的激光进行合成并将合成光束依次经截止滤光片CF2、透镜GP3、针孔、透镜GP4、衍射光栅、透镜GP5后送入CMOS线阵传感器;所述CMOS线阵传感器用于将输入光的光谱转换成电信号后送至计算机。
2.根据权利要求1所述的时间分辨光学生物检测设备,其特征在于:所述光学相干显微单元采用的是谱域光学相干显微系统。
3.根据权利要求1所述的时间分辨光学生物检测设备,其特征在于:所述光学延迟线对输入光的时间延迟可控。
4.根据权利要求1所述的时间分辨光学生物检测设备,其特征在于:所述超连续谱光源的输出光谱范围为450~1600nm,重复频率为20MHz,脉冲宽度为20ps。
5.根据权利要求1所述的时间分辨光学生物检测设备,其特征在于:所述截止滤光片CF1用以截止800nm波长以上的光谱,从而分离出450~800nm波长的宽带光谱激光,所述截止滤光片CF2用以截止510nm波长以下的光谱。
6.如权利要求1所述时间分辨光学生物检测设备的检测成像方法,包括如下步骤:(1)由超连续谱光源发射的激光经过光调制单元和光学相干显微单元,获得被测生物样本某点的强度信息;
(2)调整光学延迟线的时间延迟,获得不同时间延迟下的强度信息;
(3)通过二维扫描振镜对被测生物样本进行二维扫描,从而得到能够反映生物样本发光寿命信息的电信号;
(4)采用相矢量法对电信号强度与时间延迟的关系曲线进行分析,获得生物样本的发光寿命信息,用以评价生物样本的新陈代谢水平。
说明书 :
基于宽带受激辐射的时间分辨光学生物检测设备及其检测成
像方法
技术领域
背景技术
但由于其对比度来源于细胞和组织折射率的变化,而在不同生理病理状态下由细胞代谢引
起的组织复折射率实部的变化不大,因而散射对比机制下的OCT/OCM技术在分子特异性识
别能力上存在不足,亟待发展具有分子特异性的OCT成像新方法。
激辐射方法不仅可以实现对非荧光色团的成像,也可以对常规的荧光样品进行成像,因此
这一方法的出现为光学显微技术的发展提供了很好的思路,对于光学显微技术应用范围的
进一步扩大起到了推动作用,而且鉴于受激辐射过程明显快于自发辐射过程,这也为提高
成像速度提供了潜在可能性。
化等,已被应用于探测细胞和组织的特征,包括离子浓度、周围环境的pH、细胞内辅酶与蛋
白质的耦联等等,这些特征均与细胞的新陈代谢水平密不可分。
细胞成像的能力。提高分子信号的收集效率(高信噪比)和分辨率水平(更清楚),提高时间
分辨寿命成像的速度(更快),提高成像与探测的深度(更深),是推进寿命成像对细胞代谢
水平检测所面临的难点和挑战,同时也是进一步拓展其在生物医学领域应用范畴所亟需解
决的难题。与此同时,当前基于寿命信息实现细胞代谢水平的检测仍然主要基于荧光色团,
来自于外源性的荧光标记或是自发荧光物质,这也在一定程度上限制了这些方法的应用:
首先,细胞内大量包含新陈代谢信息的物质为非荧光色团,无法用荧光信号对其进行成像;
其次,某些应用环境下不适宜用荧光染料对生物样品进行标记,比如对活体组织细胞进行
成像时,荧光标记可能会影响样品的活性;最后,在对某些小型代谢产物分子进行观测时,
由于这些分子本身的尺寸已经小于荧光染料分子的尺寸,引入荧光标记可能还会影响测量
的分辨精度。
发明内容
寿命成像。
输入的合成光分成两路相同的激光,其中一路依次经光阑和透镜GP1打到参考镜上并原路
返回,另一路依次经二维扫描振镜和透镜GP2打到生物样本上并原路返回,进而分光镜将两
路返回的激光进行合成并将合成光束依次经截止滤光片CF2、透镜GP3、针孔、透镜GP4、衍射
光栅、透镜GP5后送入CMOS线阵传感器;所述CMOS线阵传感器用于将输入光的光谱转换成电
信号后送至计算机。
附图说明
具体实施方式
和探测光,输入至光学相干显微单元;光学相干显微单元用于对生物样本进行相干探测。
用于分离出所需的宽带光谱激光;二向色镜1用于将输入激光分成两路分别进入泵浦支路
单元和探测支路单元;泵浦支路单元包括光学斩波器,用于对输入光进行强度调制;探测支
路单元包括光学延迟线,用于对输入光进行时间延迟调制;光学延迟线对输入光的时间延
迟精确可控;二向色镜2用于将泵浦支路与探测支路的激光合束,输入到光学相干显微单
元;光学相干显微单元为谱域光学相干显微系统。
光片(截止800nm以上的光谱)分离出宽带光谱光(450~800nm),该宽带光谱光抵达一个二
向色镜(HR@450~510nm,HT@520~800nm)后,分成反射和透射两路光,反射光路为调制泵浦
光支路,该支路中设置了光学斩波器(频率调谐范围200~10kHz),用于对激发光的强度调
制;透射支路为探测光支路,该支路中设置了可调量程为10cm的光学延迟线(对应的最大时
间延迟约为300ps),两支路光经过另一个二向色镜(HR@450~510nm,HT@520~800nm)后汇
合,并经分光镜(分光比90/10,其中90%进入样品臂,10%进入参考臂)分为参考光和样品
光,参考臂所用透镜L1与样品臂所用透镜L2相同,焦距f=20mm;在样品臂光路中使用可变
光阑(孔径调谐范围为Φ0.8~20mm)衰减激光功率,样品自发辐射光峰值波长在630nm左
右。从参考臂和样品臂返回的光在分束镜处汇合并发生干涉,通过另一截止滤光片(截止激
发光,即截止510nm以下的光谱)后,经透镜L3、针孔和透镜L4进入光谱仪,透镜L3焦距f=
5mm,针孔直径为50μm,透镜L4焦距f=10mm。在光谱仪中,干涉光经衍射光栅(1200lines/
mm)分光,不同的光谱成分被透镜L5(焦距f=50mm)聚焦到线阵探测器的不同位置上,并由
线阵探测器采集。
光与探测光的光脉冲间隔及光脉冲宽度均相同。为了实现寿命成像,需要使用光学延迟线
在多个不同的时间延迟下分别实现受激辐射成像,从而得到受激辐射强度衰减曲线。
脉冲幅度呈现出微小增量(如图2中的d),而该增量正是对应于非荧光/荧光物质的分子特
异性信息。
代谢相关表征量。典型的Phasor图谱如图3所示,通过Phasor分析方法,不但可以获得寿命
的量值,还能基于像素样点在二维空间的群簇特性,得到与寿命直接或间接相关的其他参
量,与细胞新陈代谢建立多元联系,比如群簇的面积、群簇的重心、群簇的线性/非线性拟合
等等,都与细胞内影响分子寿命的不同因素有关,这些特性与待测物微环境的诸多变量相
关联,为受激辐射分子寿命的生物医学解读提供了全面的、多角度的信息,而这正是解决光
学信号与细胞代谢水平关联性问题的关键。
大地提高成像速度;光谱分光的引入,使得本发明的寿命成像也可具有光谱分辨的能力,能
反映原子能级更精细的结构,获取全新维度的分子微环境信息用以评估细胞的代谢水平。
本发明具有长工作距离、高时空分辨率、快速成像等优势,兼具组织结构信息(散射信号)和
分子特异性(寿命成像)信息,能够实现对细胞代谢动态变化和各向异性的高灵敏检测。
原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领
域技术人员根据本发明的揭示,对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围
之内。