近紅外激光掃描共聚焦成像系統技術方案

本發明專利技術公開了一種近紅外激光掃描共聚焦成像系統，包括采用共聚焦結構的掃描光路單元和控制單元，該掃描光路單元包括近紅外激光光源、準直擴束模塊、激光濾光片、二向色反射鏡、掃描振鏡、f-theta透鏡、鏡筒透鏡、成像物鏡、熒光濾光片、會聚透鏡、針孔和探測器等，該控制單元包括用于控制掃描振鏡的運動控制模塊，用于采集探測器輸出信號的數據采集模塊以及與運動控制模塊和數據采集模塊連接的數據處理模塊等。其配套的方法為：以熒光發射光譜在932~1250nm之間的近紅外量子點標記樣品，再以前述近紅外激光掃描共聚焦成像系統對樣品進行檢測。本發明專利技術能精確高效地實現對生物組織等樣品的深層次成像，且系統結構簡單，易于操作。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種共聚焦顯微系統及其應用，尤其涉及一種工作波長范圍在近紅外波段的激光掃描共聚焦成像系統，以及應用該系統對近紅外量子點標記的生物組織及其它微小器件結構進行成像和觀察的方法，屬于光學

技術介紹
生物熒光成像技術作為生物醫學領域必不可少的技術手段已經得到廣泛應用，是觀察細胞形態、結構和生命現象的有力工具。目前普遍應用生物熒光成像技術是二十世紀80年代發展起來的激光掃描共聚焦顯微鏡，它的特點是采用針孔技術排除焦點以外的光信號對圖像的干擾，從而大大提高了圖像的清晰度和細節分辨能力，具有很高的軸向對比度。由于激光掃描共聚焦顯微鏡使用的激光范圍在488nnT647nm之間，屬于可見光范疇,而生物細胞對可見光散射大，換言之，可見光在生物樣品內的穿透深度淺，最深不超過幾百微米，厚標本的信息很難采集；另外，由于生物細胞對可見光吸收大，高密度的可見光激發生物樣品時更容易弓I起光毒性和光漂白現象。為了克服激光掃描共聚焦顯微鏡的這些缺陷，二十世紀90年代美國康奈爾大學Denk等人提出了雙光子激發熒光顯微技術。它采用具有高光子密度的近紅外激光激發生物樣品，由于生物細胞對近紅外光的吸收少，對生物細胞的光毒性減少，并降低了光漂白；同時，生物細胞對近紅外光的散射比可見光小，容易穿透更深的生物樣本，更適合觀察厚樣本。然而，盡管雙光子激光熒光成像技術采用了近紅外光源，能夠實現對厚生物樣本的觀察，但是，因采用的熒光染料的發射波長仍然在可見光范圍，其在生物組織中依然存在吸收和散射問題，因此難以觀察更深層的組織。并且，現有的激光掃描共聚焦顯微系統和雙光子激發熒光顯微系統還普遍存在結構復雜、操作不便、成像速度慢、圖像分別率低等問題，尤其難以滿足對生物組織及其他類似樣品進行多維度、深層次觀測的需求。
技術實現思路
鑒于現有技術中的不足，本專利技術的目的之一在于提供一種近紅外激光掃描共聚焦成像系統，其能精確高效的實現對生物組織等樣品的深層次成像，且結構簡單，易于操作。為實現上述專利技術目的，本專利技術采用了如下技術方案 一種近紅外激光掃描共聚焦成像系統，包括采用共聚焦結構的掃描光路單元和控制單元，其中 所述掃描光路單元包括近紅外激光光源、準直擴束模塊、激光濾光片、二向色反射鏡、掃描振鏡、f-theta透鏡、第一鏡筒透鏡、第一成像物鏡、熒光濾光片、第二會聚透鏡、第二針孔和探測器； 激光光源發出的近紅外光經準直擴束模塊形成設定光斑大小的平行光透射至激光濾光片，再依次經二向色反射鏡、掃描振鏡入射到f-theta透鏡上，并會聚到第一像面位置，而后經第一鏡筒透鏡準直形成平行光入射到成像物鏡上，并聚焦在放置于樣品臺上的樣品上，所述第一像面位置與第一鏡筒透鏡的焦點位置以及樣品經成像物鏡和第一鏡筒透鏡的第一次成像位置重合，樣品被激發后發出的長波熒光經過成像物鏡變成平行光，再經第一鏡筒透鏡會聚于第一成像面位置，然后經過f-theta透鏡變成平行光入射到掃描振鏡上，并經掃描振鏡反射至二向色反射鏡，其后依次透過熒光濾光片和第二會聚物鏡聚焦于第二針孔上，所述第二針孔大小為第二會聚透鏡的艾里斑大小，探測器緊靠第二針孔設置； 所述控制單元包括用于控制掃描振鏡的運動控制模塊，用于采集探測器輸出信號的數據采集模塊以及與運動控制模塊和 數據采集模塊連接的數據處理模塊。進一步的，它還包括柯勒照明單元，所述柯勒照明單元包括白光光源、一個以上透鏡、第二鏡筒透鏡和光電傳感模塊，白光光源發出的光經該一個以上透鏡照射在樣品上形成均勻照明，而經樣品反射的光依次經過成像物鏡和第二鏡筒透鏡，并最終成像于光電成像模塊上。所述柯勒照明單元采用反射式柯勒照明系統，包括白光光源、成像透鏡、半反半透反射鏡、反射鏡、第二鏡筒透鏡和光電傳感模塊，白光光源經成像透鏡成像，再依次通過半反半透反射鏡和反射鏡的反射，將白光光源的像反射到成像物鏡的后焦點位置，并在樣品上形成均勻照明，樣品反射的光依次經成像物鏡、反射鏡、半反半透反射鏡和第二鏡筒透鏡，最后成像于光電成像模塊上； 所述第一、第二鏡筒透鏡到成像物鏡的距離相等，所述光電傳感模塊位于第二鏡筒透鏡的焦點位置。所述柯勒照明單元采用透射式柯勒照明系統，所述透射式柯勒照明系統包括白光光源、第一透鏡、第二透鏡、反射鏡和第二鏡筒透鏡，白光光源經第一透鏡成像在第二透鏡的焦點位置，白光光源像發出的光經第二透鏡變成平行光，從樣品的下方均勻照明樣品，樣品反射的光經成像物鏡成像后，經反射鏡反射入第二鏡筒透鏡，并最后成像于光電成像模塊上。所述光電成像模塊采用CXD。所述準直擴束系統包括第一會聚透鏡，第一針孔和準直透鏡，激光光源發出的近紅外光經過第一會聚透鏡會聚到第一針孔上，第一針孔大小為第一會聚物鏡艾里斑的大小，第一針孔發射的光經過準直透鏡變成平行光入射至激光濾光片。所述準直擴束系統包括光耦合模塊、單模光纖和準直透鏡，激光光源發出的光經光耦合模塊耦合到單模光纖中，單模光纖輸出的光經過準直透鏡變成平行光入射至激光濾光片。所述單模光纖的稱合效率大于73%。所述準直擴束系統還包括一個以上擴束透鏡，由準直透鏡輸出的平行光經過所述擴束透鏡入射至激光濾光片。所述數據處理模塊等設于計算機系統內。所述樣品內標記有熒光發射光譜在932 1250nm之間的近紅外量子點，尤其優選采用熒光發射光譜峰值在1200nm的近紅外量子點。所述探測器優選采用半導體制冷InGaAs探測器。所述控制單元還包括用于對探測器進行制冷的溫控盒。所述掃描振鏡包括反射率> 95%的第一、第二反射鏡，該第一、第二反射鏡在運動控制模塊的控制下轉動，實現對樣品的二維掃描。所述近紅外激光光源的工作波長范圍在725 820nm。 所述激光濾光片優選中心波長為785nm，FffHM為3nm的窄帶濾光片。所述二向色反射鏡優選對于波長在400nnT872nm的光反射率> 90%，對波長在932nnTl300nm的光透過率大于90%的長通濾光片。所述成像物鏡和會聚透鏡對選定近紅外光的透過率均> 65%，所述第一鏡筒透鏡對選定近紅外光的透過率> 82%，所述f-theta透鏡的工作波長725nnTl250nm，透過率>90%，所述選定近紅外光的波長在725 820nm。所述突光濾光片優選對波長大于820nm的突光透過率高于90%,且對截止波長為OD > 6的長通濾光片。本專利技術還提供了一種近紅外激光掃描共聚焦成像方法，該方法為以熒光發射光譜在932 1250nm之間的近紅外量子點標記樣品，再以如上所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統對樣品進行檢測。本專利技術基于生物組織在近紅外波長范圍吸收少和散射小的特性，結合依據共聚焦成像技術的優勢，并輔以近紅外量子點標記生物組織類樣品的創新性應用，從而提出了該近紅外激光掃描共聚焦成像系統及方法，它利用近紅外量子點的激發光和反射熒光都在近紅外區域的特點，優選采用波長范圍在725 820nm的近紅外激光激發標記于樣品內的熒光發射光譜在932 1250nm的近紅外量子點，從而能實現深層生物組織的成像，成像深度可達到數厘米，遠遠高出了現有技術中的毫米級的成像深度。附圖說明圖I是本專利技術一優選實施例的主體結構示意 圖2是本專利技術實施例I的結構示意 圖3是本專利技術實施例2的結構本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種近紅外激光掃描共聚焦成像系統，包括采用共聚焦結構的掃描光路單元和控制單元，其特征在于，所述掃描光路單元包括近紅外激光光源、準直擴束模塊、激光濾光片、二向色反射鏡、掃描振鏡、f-theta透鏡、第一鏡筒透鏡、第一成像物鏡、熒光濾光片、第二會聚透鏡、第二針孔和探測器；激光光源發出的近紅外光經準直擴束模塊形成設定光斑大小的平行光透射至激光濾光片，再依次經二向色反射鏡、掃描振鏡入射到f-theta透鏡上，并會聚到第一像面位置， 而后經第一鏡筒透鏡準直形成平行光入射到成像物鏡上，并聚焦在放置于樣品臺上的樣品上，所述第一像面位置與第一鏡筒透鏡的焦點位置以及樣品經成像物鏡和第一鏡筒透鏡的第一次成像位置重合，樣品被激發后發出的長波熒光經過成像物鏡變成平行光，再經第一鏡筒透鏡會聚于第一成像面位置，然后經過f-theta透鏡變成平行光入射到掃描振鏡上， 并經掃描振鏡反射至二向色反射鏡，其后依次透過熒光濾光片和第二會聚物鏡聚焦于第二針孔上，所述第二針孔大小為第二會聚透鏡的艾里斑大小，探測器緊靠第二針孔放置；所述控制單元包括用于控制掃描振鏡的運動控制模塊，用于采集探測器輸出信號的數據采集模塊以及與運動控制模塊和數據采集模塊連接的數據處理模塊。2.根據權利要求I所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統，其特征在于，它還包括柯勒照明單元，所述柯勒照明單元包括白光光源、一個以上透鏡、第二鏡筒透鏡和光電傳感模塊，白光光源發出的光經該一個以上透鏡照射在樣品上形成均勻照明，而經樣品反射的光依次經過成像物鏡和第二鏡筒透鏡，并最終成像于光電成像模塊上。3.根據權利要求2所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統，其特征在于，所述柯勒照明單元采用反射式柯勒照明系統，包括白光光源、成像透鏡、半反半透反射鏡、反射鏡、第二鏡筒透鏡和光電傳感模塊，白光光源經成像透鏡成像，再依次通過半反半透反射鏡和反射鏡的反射，將白光光源的像反射到成像物鏡的后焦點位置，并在樣品上形成均勻照明，樣品反射的光依次經成像物鏡、反射鏡、半反半透反射鏡和第二鏡筒透鏡，最后成像于光電成像模塊上；所述第一、第二鏡筒透鏡到成像物鏡的距離相等，所述光電傳感模塊位于第二鏡筒透鏡的焦點位置。4.根據權利要求2所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統，其特征在于，所述柯勒照明單元采用透射式柯勒照明系統，所述透射式柯勒照明系統包括白光光源、第一透鏡、第二透鏡、反射鏡和第二鏡筒透鏡，白光光源經第一透鏡成像在第二透鏡的焦點位置，白光光源像發出的光經第二透鏡變成平行光，從樣品的下方均勻照明樣品，樣品反射的光經成像物鏡成像后，經反射鏡反射入第二鏡筒透鏡，并最后成像于光電成像模塊上。5.根據權利要求2-4中任一項所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統，其特征在于， 所述光電成像模塊米用(XD。6.根據權利要求1-4中任一項所述的近紅外激光掃描共聚焦成像系統，其特征在于， 所述準直擴束系統包括第一會聚透鏡，第一針孔和準直透鏡，激光光源發出的近紅外光經過第...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李敏，王懋，吳東岷，翟曉敏，
申請(專利權)人：中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所，
類型：發明
國別省市：