新型显微成像光谱仪系统中线阵针孔离焦研究

　　0　引　言

　　在生物医学研究领域,生物组织的自体荧光检测已经被广泛地应用于疑难病症的预防和诊断研究[1]。19世纪80年代,激光扫描共焦荧光显微镜的出现以后,它就一直在生物组织荧光研究中发挥着重要作用[2]。然而,荧光显微镜只能够提供生物样品中组织的荧光图像信息,为了获得足够多的信息辅助疾病诊断,科学家开始寻求更加有效的研究手段。与此同时,成像光谱仪技术在遥感领域获得了巨大的成功[3]。最近几年,国际上开始出现将荧光显微技术与成像光谱技术交叉的一种新的研究方向,即显微成像光谱技术。由于它可以在获得生物组织结构图像信息的同时,获得其超高细分的光谱信息,即可以得到样品信息的数据立方体,包括一个维度的光谱信息和两个维度的空间信息,这就为疾病研究诊断,诸如胃、肝、肾等的组织自体荧光检测,提供了更多的辅助信息。由于显微成像光谱仪在疾病诊断中的优点,最近几年它已经成为生物医学检测研究领域的热点,在国际上得到了广泛开展,在国内南开大学、天津大学、西安光机所、上海技术物理所等都开展了相关方向的研究工作[4—8]。

　　本文介绍了一种我们自主提出并正在研究的基于线阵针孔阵列,并采用共焦显微光学技术与空间调制成像光谱技术的激光扫描共焦显微成像光谱技术LP_LSCMIS,介绍了其工作原理,讨论了它相对于其他显微成像光谱装置的主要优点,从理论上分析了其关键部件,线阵针孔阵列的离焦对生物组织荧光检测的影响。目前国内外均未见有同种结构系统研究的相关报道,具有一定的创新性。

　　1　LP_LSCMIS的工作原理

　　图1是我们正在研究的基于线阵针孔阵列的共焦显微成像光谱仪LP_LSCMIS的结构原理图。如图所示,它可以包括两个子系统,显微光学子系统和成像光谱子系统。首先,由光源发出的光入射线阵光源针孔阵列,并由每个针孔出射,照到半透半反镜的下表面,经反射后下行透过显微物镜照射到样品表面,并激发样品产生荧光。同样地,样品荧光又以相反的方向沿相同光路到达半透半反镜的下表面并由下表面透射,上行照射到线阵检测针孔阵列上。由于线阵光源针孔阵列与线阵检测针孔阵列处于共焦位置,根据共焦理论,每个被线阵光源针孔照明并激发荧光的样品点元都能成像在与其一一对应的线阵检测针孔阵列的各个针孔上,因此由每个样品点元发出的荧光均能顺利透射过检测针孔,进入成像光谱子系统。在我们的装置设计中,线阵检测针孔阵列的位置位于傅里叶透镜前焦面上,它既是共焦显微光学子系统的像面,又是成像光谱子系统的物面。由针孔出射的每束光线被Sagnac分束器横向剪切为两束互相平行的光线,它们经过傅里叶透镜,最后被柱面镜收集到傅里叶透镜的后焦面,并由后焦面上的面阵CCD探测器来接收。由于两束光属于相干光,能在CCD上得到它们的干涉图样。对所获得的干涉图进行傅里叶变换,可以获取到每个样品点的超光谱信息。