显微荧光光谱成像仪的研究与设计

　　1　引　　言

　　随着世界科技发展不断深入,尤其是生物、医学、纳米科技等领域已进入分子生物学、基因医学、原子层次的发展新阶段,因此显微分析、高灵敏度检测已成为基本要求;而且,科技发展对分析检测的要求已经超越“是什么”“有多少”的传统定性分析和定量分析要求,提出了“什么位置有什么、有多少”的新要求[1],在1999年匹兹堡化学与光谱学会议上,科技界提出了“综合形态分析”概念,希望直接“看到”人体各部分的“化学成份”图像(如人脑的化学图像,癌细胞的化学图像等)。再如对钙离子Ca2+的分析,不仅要求获知细胞内有没有Ca2+,有多少Ca2+,而且要求检测出在细胞膜内外、什么位置、有多少Ca2+,Ca2+浓度如何分布、如何变化?这种分析要求又被称之为化学成像(chemical　imaging),即要求提供被分析试样中化学或生化成份的定量分布图像及其变化信息,这是现代科技发展的新要求,具有极其重要的学术和应用意义。例如,人脑神经细胞内外Ca2+的浓度及分布、流动变化信息,是探求癫痫、老年痴呆等严重疾病的生物学和医学机制的重要依据。

　　光谱成像技术是适应科技发展的新形势、新要求而出现的最新分析检测技术,是为了不仅能提供定性、定量分析信息、而且可以获得定位信息而将光谱分析技术与图像分析技术融合形成的全新分析检测技术,是近年来受到世界各国高科技界广泛重视的科研新方向。

　　2　光谱成像分析技术的理论基础

　　2.1　传统光谱仪器不能满足定位分析要求

　　无论是发射式光谱仪器(包括荧光光谱仪)还是吸收式光谱仪器,都是对被分析试样内很多原子或分子的光发射或光吸收行为进行的总体检测,因而只能获得总和或平均分析数据。例如,采用显微荧光分光光度计观测细胞所发射的荧光,只能给出细胞发射的荧光总量,不能检测或显示细胞膜、细胞质、细胞核不同点位各自所发射的荧光,因而只能得到细胞内某种组份　　的总量分析信息,而不能判定在细胞膜、细胞质或细胞核各特定位置各有多少,即不能给出该组份在整个细胞内各处的浓度分布图。

　　事实上,任何试样发射(或吸收、散射)的光量是一个极其复杂的函数,与多种因素相关,即:I=f(λ,t,x,y,z…)传统光谱仪器只能检测光量与光波长λ的关系或采用时间扫描手段获取光量随时间t的变化,而不能获得试样上某一点(位置坐标为x,y,z)的定位光量信息。另一方面,近几十年来蓬勃发展的成像技术和图像分析技术,尽管已经能形成试样表面原子的排列图像、蛋白质分子的三维空间结构图像等,却只能提供形态学信息无法给出定性或定量成份分析信息。合乎逻辑的思维就是能否把光谱分析与图像分析这两类截然不同的分析技术融合起来,构成既能给出“是什么(what)”、“有多少(how much, weighing)”、“如何随时间变化(when)”信息,还能回答“在哪(where)”分析要求的新技术和新仪器。