CN110441235A - 一种多模耦合原位显微光谱成像*** - Google Patents

一种多模耦合原位显微光谱成像*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多模耦合原位显微光谱成像***，该***是由倒置显微镜、激发光光源模块、光路切换模块、显微成像及光谱测试模块组成，涉及样品同一微米级区域多项光谱及成像测量的功能，包括微区拉曼光谱、微区荧光光谱、荧光显微成像、微区透射光谱、透射显微成像、微区反射光谱、反射显微成像。该***具有无需移动样品到多种检测设备，便能实现对样品同一微区进行多模式、多维度的原位检测分析的特点，可原位表征获得样品微区信息，即可实时获得样品同一微区的拉曼光谱、荧光光谱及成像、透射光谱及成像、反射光谱及成像等多重信息。并消除由于样品转移而造成的测量误差，极大提高了测试结果的可靠性。

Description

一种多模耦合原位显微光谱成像***
技术领域
本发明属于光学分析检测领域，具体涉及一种多模耦合原位显微光谱成像***。
背景技术
显微光谱及成像技术，主要包括测量样品微区的拉曼光谱、荧光光谱及成像、透射光谱及成像和反射光谱及成像等分析测试技术。物质的拉曼光谱可反映物质分子结构信息；荧光光谱及成像可反映物质的能级信息；透射光谱及成像与反射光谱及成像可直观并精确反映物质的颜色及颜色变化。显微光谱及成像技术不仅具有空间分辨能力,而且还具有光谱分辨能力，可获知样品微区的成分及结构。该技术在工业、分析检测、科学研究等领域的应用十分广泛。
然而在实际应用中，显微光谱及成像技术中的各项光谱分析及测试技术相互独立，需要移动样品至不同仪器进行分析测试，造成不可避免的测量误差。现有的仪器设备***无法满足对样品同一微区进行多项原位显微光谱及成像测量的需求。若能够在不转移样品的前提下，在一套测试***上同时实现拉曼光谱、荧光光谱及成像、透射光谱及成像和反射光谱及成像的分析测试功能，将能够更全面地原位表征样品微区的成分及结构，从而进一步拓展显微光谱及成像技术的应用，促进光学分析检测领域的进一步发展。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种多模耦合原位显微光谱成像***，该***是由倒置显微镜、激发光光源模块、光路切换模块、显微成像及光谱测试模块组成，具有无需移动样品到多种检测设备，便能实现对样品同一微区进行多模式、多维度的原位检测分析的特点，可原位表征获得样品微区信息，即可实时获得样品同一微区的拉曼光谱、荧光光谱及成像、透射光谱及成像、反射光谱及成像等多重信息。并消除由于样品转移而造成的测量误差，极大提高了测试结果的可靠性。
本发明所述的一种多模耦合原位显微光谱成像***，该***是由倒置显微镜、激发光光源模块、光路切换模块、显微成像及光谱测试模块组成，所述激发光光源模块是由拉曼光源单元、荧光激发光源单元、反射照明光源单元三部分组成；其中，拉曼光源单元是由532nm高亮度半导体激光器(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)、第一可变光阑(4)、带通滤波片(5)、双色分光镜(6)、长通滤波片(7)、第一光纤耦合器(8)、第一反射镜(9)和第二反射镜(10)组成；荧光激发光源单元是由第二可变光阑(15)、第三反射镜(16)、第二可调式反射镜(17)和氙灯光源(19)组成；反射照明光源单元是由第四反射镜(18)和白光光源(20)组成；所述光路切换模块是由光路切换器第一光路切换器(11)和第二光路切换器(24)组成，其中第一光路切换器(11)包括第三透镜(12)、第一可调式反射镜(13)和第四透镜(14)；第二光路切换器(24)包括第五透镜(25)、第三可调式反射镜(26)和第六透镜(27)；所述显微成像及光谱测试模块是由第一显微成像用检测器(23)、第二光纤耦合器(28)、光谱仪(29)、第二显微成像用检测器(30)和计算机(31)组成，其中第一显微成像用检测器(23)为CMOS面阵相机，第二显微成像用检测器(30)为CCD面阵相机；激发光光源模块中的拉曼光源单元分别与光路切换模块中的第一光路切换器(11)和第二光路切换器(24)连接，荧光激发光源单元和反射照明光源单元分别与第一光路切换器(11)连接；光路切换模块中的第一光路切换器(11)和第二光路切换器(24)分别与倒置显微镜(22)连接，第二光路切换器(24)与显微成像及光谱测试模块中的第二光纤耦合器(28)连接；显微成像及光谱测试模块中的光谱仪(29)上设有第二显微成像用检测器(30)，计算机(31)分别与第一显微成像用检测器(23)和第二显微成像用检测器(30)串接。
所述倒置显微镜(22)的一个C-mount接口与第一显微成像用检测器(23)连接，另一C-mount接口与第二光路切换器(24)连接，后侧接口与第三可变光阑(21)连接。
激发光光源模块中双色分光镜(6)反射532nm的拉曼激发光，并同时透射500-2500nm的拉曼散射信号；长通滤波片(7)透射510-2500nm的拉曼散射信号；第一反射镜(9)、第二反射镜(10)、第三反射镜(16)和第四反射镜(18)均为全反镜；第二可调式反射镜(17)为90°可调式表面反射镜。
光路切换模块中第一可调式反射镜(13)和第三可调式反射镜(26)均为45°可调式滑动反射镜。
本发明所述的一种多模耦合原位显微光谱及成像***，该***具体操作按下列步骤进行：
a、调节第一光路切换器(11)，使拉曼光源进入到倒置显微镜(22)的载物台样品上，聚焦至样品微区，激发样品微区并产生拉曼散射信号，拉曼散射信号由倒置显微镜(22)返回第一光路切换器(11)，经过第二反射镜(10)、第一反射镜(9)、双色分光镜(6)、长通滤波片(7)、第一光纤耦合器(8)、第二光路切换器(24)、第二光纤耦合器(28)入射至光谱仪(29)及第二显微成像用检测器(30)，计算机(31)显示样品微区的拉曼光谱；
b、调节第一光路切换器(11)，使荧光激发光源、反射照明光源、透射光激发光源分别进入到倒置显微镜(22)载物台的样品上，聚焦至样品微区，激发样品微区，根据激发光光源的不同，样品微区产生对应的光谱信号，其由第一显微成像用检测器(23)接收时，计算机(31)分别独立显示样品微区的荧光、反射及透射图像；当样品受激产生的光谱信号切换至经过第二光路切换器(24)时，荧光、反射、透射光谱信号通过第二光纤耦合器(28)入射至光谱仪(29)及第二显微成像用检测器(30)，根据对应的光谱信号，计算机(31)分别独立显示样品微区的荧光光谱、反射光谱和透射光谱。
本发明所述的一种多模耦合原位显微光谱成像***，该***与现有技术比较，具有以下有益效果：
(1)对待测样品的微米级区域实现原位拉曼光谱、荧光光谱及成像、透射光谱及成像和反射光谱及成像等多模分析检测表征，有效地避免了由于移动样品造成的测量偏差，在样品的原位表征方面具有不可替代的优势；
(2)此外，本发明可实现拉曼光谱、荧光光谱及成像、透射光谱及成像和反射光谱及成像等多重信息的独立获取，可突破以往仪器设备设计中仅单一信号收集的局限性，实现样品多层次信息的原位获取。
附图说明
图1为本发明多模耦合原位显微光谱成像***示意图；
图2为本发明多模耦合原位显微光谱成像***结构示意图；
图3为本发明拉曼激光单元结构示意图；
图4为本发明荧光激发光源单元结构示意图；
图5为本发明反射照明光源单元结构示意图；
图6为本发明光路切换模块结构示意图，其中a为第一光路切换器，b为第二光路切换器；
图7为本发明显微成像及光谱测试模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
实施例
本发明所述的一种多模耦合原位显微光谱成像***，该***是由倒置显微镜、激发光光源模块、光路切换模块、显微成像及光谱测试模块组成，所述激发光光源模块是由拉曼光源单元、荧光激发光源单元、反射照明光源单元三部分组成；其中，拉曼光源单元是由532nm高亮度半导体激光器1、第一透镜2、第二透镜3、第一可变光阑4、带通滤波片5、双色分光镜6、长通滤波片7、第一光纤耦合器8、第一反射镜9和第二反射镜10组成；荧光激发光源单元是由第二可变光阑15、第三反射镜16、第二可调式反射镜17和氙灯光源19组成；反射照明光源单元是由第四反射镜18和白光光源20组成；所述光路切换模块是由光路切换器第一光路切换器11和第二光路切换器24组成，其中第一光路切换器11包括第三透镜12、第一可调式反射镜13和第四透镜14；第二光路切换器24包括第五透镜25、第三可调式反射镜26和第六透镜27；所述显微成像及光谱测试模块是由第一显微成像用检测器23、第二光纤耦合器28、光谱仪29、第二显微成像用检测器30和计算机31组成，其中第一显微成像用检测器23为CMOS面阵相机，第二显微成像用检测器30为CCD面阵相机；激发光光源模块中的拉曼光源单元分别与光路切换模块中的第一光路切换器11和第二光路切换器24连接，荧光激发光源单元和反射照明光源单元分别与第一光路切换器11连接；光路切换模块中的第一光路切换器11和第二光路切换器24分别与倒置显微镜22连接，第二光路切换器24与显微成像及光谱测试模块中的第二光纤耦合器28连接；显微成像及光谱测试模块中的光谱仪29上设有第二显微成像用检测器30，计算机31分别与第一显微成像用检测器23和第二显微成像用检测器30串接；
所述倒置显微镜22的一个C-mount接口与第一显微成像用检测器23连接、另一C-mount接口与第二光路切换器24连接、后侧接口与第三可变光阑21连接；
激发光光源模块中双色分光镜6反射532nm的拉曼激发光，并同时透射500-2500nm的拉曼散射信号；长通滤波片7透射510-2500nm的拉曼散射信号；第一反射镜9、第二反射镜10、第三反射镜16、第四反射镜18均为全反镜；第二可调式反射镜17为90°可调式表面反射镜；
光路切换模块中第一可调式反射镜13和第三可调式反射镜26均为45°可调式滑动反射镜；
在使用时，通过调节激发光源模块、光路切换模块和显微成像及光谱测试模块，实现在不同激发光源下样品微米级区域多重信息的独立获取；
选择荧光碳量子点纳米纤维膜样品为例：
荧光碳量子点纳米纤维膜样品任一微米级区域拉曼光谱的测量：
将该样品至于倒置显微镜22载物台，打开532nm高亮度半导体激光器，532nm绿色激光经过由第一透镜2、第二透镜3构成的光束扩束器、第一可变光阑4、带通滤波片5，在双色分光镜6上反射532nm的入射光，经过第一反射镜9、第二反射镜10，调节第一光路切换器11中的第一可调式反射镜13和第三可变光阑21，最终进入倒置显微镜22，聚焦至样品微区，调节第一可变光阑4和第三可变光阑21可调节激光强度及光斑大小，调节倒置显微镜22光路切换模块，使得样品的拉曼散射信号沿着原光路返回直接透过双色分光镜，经长通滤波片7过滤纯化后，利用第一光纤耦合器8导入第二光路切换器24，调节第三可调式反射镜26，使得拉曼散射信号通过第六透镜27经过第二光纤耦合器28进入光谱仪29中，实现对样品微区拉曼光谱信号的采集，可在计算机上呈现样品微区的拉曼光谱；
该样品同一微区荧光光谱及成像的分析测量：
打开氙灯光源19，调节第一光路转换器11中的第一可调式反射镜13及第二可调式反射镜17，使532nm拉曼激发光无法进入倒置显微镜22并使氙灯激发光进入倒置显微镜22，聚焦至样品同一微区，调节倒置显微镜22光路切换模块，使得样品的荧光光谱信号进入第一显微成像用检测器23，实现对样品微区荧光图像的采集；调节倒置显微镜22光路切换模块，使得样品的荧光光谱信号通过第五透镜25，并调节第二光路切换器24中的第三可调式反射镜26，再通过第六透镜27，经过第二光纤耦合器28进入光谱仪29及第二显微成像用检测器30，实现对样品同一微区荧光光谱信号的采集，此时在计算机上显示样品同一微区的荧光光谱及成像；
该样品同一微区反射光谱及成像的分析测量：
打开白光光源20，调节第一光路转换器11中的第一可调式反射镜13及第二可调式反射镜17，使得532nm拉曼激发光、反射照明光均无法进入倒置显微镜22仅使白光进入倒置显微镜22，聚焦至样品同一微区，调节倒置显微镜22光路切换模块，使得样品的反射光谱信号进入第一显微成像用检测器23，实现对样品微区反射图像的采集；调节倒置显微镜22光路切换模块，使得样品的反射光谱信号通过第五透镜25，并调节第二光路切换器24中的第三可调式反射镜26，再通过第六透镜27，经过第二光纤耦合器28进入光谱仪29及第二显微成像用检测器30，实现对样品同一微区反射光谱信号的采集，此时在计算机上显示样品同一微区的反射光谱及成像；
该样品同一微区透射光谱及成像的分析测量：
调节第一光路转换器11中的第一可调式反射镜13及第二可调式反射镜17，使得532nm拉曼激发光、荧光激发光、反射照明光等外界光源均无法进入倒置显微镜22，使用倒置显微镜22自带光源，并聚焦至样品同一微区，调节倒置显微镜22光路切换模块，使得样品的透射光谱信号进入第一显微成像用检测器23，实现对样品微区透射图像的采集；调节倒置显微镜22光路切换模块，使得样品的透射光谱信号通过第五透镜25，并调节第二光路切换器24中的第三可调式反射镜26，再通过第六透镜27，经过第二光纤耦合器28进入光谱仪29及第二显微成像用检测器30，实现对样品同一微区透射光谱信号的采集，此时在计算机上显示样品同一微区的透射光谱及成像。
本发明提供一种多模耦合原位显微光谱及成像***，该***能够实现对样品同一微米级区域原位检测显微拉曼光谱、显微荧光光谱及成像、显微透射光谱及成像、显微反射光谱及成像的功能，从而实现对样品微区进行多维度、多模式的快速检测。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多模耦合原位显微光谱成像***，其特征在于，该***是由倒置显微镜、激发光光源模块、光路切换模块、显微成像及光谱测试模块组成，所述激发光光源模块是由拉曼光源单元、荧光激发光源单元、反射照明光源单元三部分组成；其中，拉曼光源单元是由532nm高亮度半导体激光器（1）、第一透镜（2）、第二透镜（3）、第一可变光阑（4）、带通滤波片（5）、双色分光镜（6）、长通滤波片（7）、第一光纤耦合器（8）、第一反射镜（9）和第二反射镜（10）组成；荧光激发光源单元是由第二可变光阑（15）、第三反射镜（16）、第二可调式反射镜（17）和氙灯光源（19）组成；反射照明光源单元是由第四反射镜（18）和白光光源（20）组成；所述光路切换模块是由光路切换器第一光路切换器（11）和第二光路切换器（24）组成，其中第一光路切换器（11）包括第三透镜（12）、第一可调式反射镜（13）和第四透镜（14）；第二光路切换器（24）包括第五透镜（25）、第三可调式反射镜（26）和第六透镜（27）；所述显微成像及光谱测试模块是由第一显微成像用检测器（23）、第二光纤耦合器（28）、光谱仪（29）、第二显微成像用检测器（30）和计算机（31）组成，其中第一显微成像用检测器（23）为CMOS面阵相机，第二显微成像用检测器（30）为CCD面阵相机；激发光光源模块中的拉曼光源单元分别与光路切换模块中的第一光路切换器（11）和第二光路切换器（24）连接，荧光激发光源单元和反射照明光源单元分别与第一光路切换器（11）连接；光路切换模块中的第一光路切换器（11）和第二光路切换器（24）分别与倒置显微镜（22）连接，第二光路切换器（24）与显微成像及光谱测试模块中的第二光纤耦合器（28）连接；显微成像及光谱测试模块中的光谱仪（29）上设有第二显微成像用检测器（30），计算机（31）分别与第一显微成像用检测器（23）和第二显微成像用检测器（30）串接。
2.根据权利要求1所述的一种多模耦合原位显微光谱成像***，其特征在于，所述倒置显微镜（22）的一个C-mount接口与第一显微成像用检测器（23）连接，另一C-mount接口与第二光路切换器（24）连接，后侧接口与第三可变光阑（21）连接。
3.根据权利要求1所述一种多模耦合原位显微光谱成像***，其特征在于，激发光光源模块中双色分光镜（6）反射532 nm的拉曼激发光，并同时透射500-2500nm的拉曼散射信号；长通滤波片（7）透射510-2500nm的拉曼散射信号；第一反射镜（9）、第二反射镜（10）、第三反射镜（16）和第四反射镜（18）均为全反镜；第二可调式反射镜（17）为90°可调式表面反射镜。
4.根据权利要求1所述的一种多模耦合原位显微光谱成像***，其特征在于，光路切换模块中第一可调式反射镜（13）和第三可调式反射镜（26）均为45°可调式滑动反射镜。
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