显微成像光谱仪技术的研究及应用

　　1　引　言

　　近些年来,生物医学一直是国际上的热点研究领域,而生物技术的飞速发展也对新型先进显微观测技术的研究提出了越来越高的要求。自从荧光显微镜出现以后,尤其是在1957年自Marvin Minsky把共焦显微技术引入荧光观测领域以来,共焦荧光显微镜技术就以其独有的特点一直在生物组织研究中发挥着重要作用[1]。自20世纪80年代成像光谱仪技术出现以来,光学成像技术与光谱技术得到了有机地结合,它不仅能对物体进行形貌成像,而且还能提供丰富的光谱信息。由于它具有高光谱分辨率、多谱段、图谱合一等优点,所以在遥感领域获得了巨大的成功[2]。

　　最近几年,国际上开始出现了将荧光显微技术与成像光谱交叉的一种新的研究方向,即显微成像光谱技术。由于它在获得样品结构图像信息的同时可获得超高细分的光谱信息,也就是说可以得到样品信息的数据立方体,包括一维的光谱信息和两维的空间信息,所以为生物医学分析、矿物质研究和发光材料微结构分析提供了更加丰富的信息量,这在生物、医学、化学、材料学等领域具有极大的应用价值。由于显微成像光谱仪的独特优点,最近几年在国际上得到了广泛的研究。在国内,南开大学、天津大学、西安光机所、长春光机所和上海技术物理研究所等也都开展了这方面的研究工作[3—8]。

　　2　显微成像光谱仪的定义和功能模块

　　显微成像光谱仪技术是在普通的显微技术的基础上引入目前发展迅速的成像光谱理论而得到的一种新型的光学探测技术。它的工作原理如图1所示。主要包括光源、显微机构、光谱成像机构、扫描(推扫)机构和后续计算机处理五个模块。由光源发出的光,经滤光片、反射镜、显微物镜后照射在样品上。激发的荧光或样品表面的反射光再次通过显微物镜、反射镜、半透半反镜进入成像光谱仪,最后成像在成像光谱仪的像面CCD上,经计算机读出数据和光谱、图像重构程序进行处理,得到所需要的目标图像和光谱图。计算机操控样品台上下和左右移动,以实现样品的三维扫描成像。

　　主要功能模块及其特点:

　　(1)光源模块。光源模块是用来照明样品使其产生反射或激发样品使其产生荧光。照明方式可分为透射式和反射式两种。根据分析样品的不同需要选择不同的光源。在照明样品探测吸收光谱时,一般选用Hg灯等宽谱段光源。在激发样品探测荧光光谱时,要根据激发样品所需的光源波段的不同选择单色仪或激光器作为激发光源。

　　(2)显微模块。显微模块实现对样品的空间分辨,一般选择普通显微光学系统。近年来,为了提高探测荧光图像的空间分辨率,激光扫描共焦荧光显系统也得到了极大的应用。