基于拉曼散射光谱和定量相位的双模态成像系统、方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于拉曼散射光谱和定量相位的双模态成像系统，实现同时获取拉曼散射光谱和相位的成像方法以及该系统在单细胞生化表征的应用。通过共聚焦拉曼光谱仪光路上有机融合相位成像的干涉光路，可以同时且同位获取单细胞增强的拉曼特征谱和折射率所代表的双模态信息，能够从分子成分的角度解析细胞在不同生化过程中不同物质的类别，浓度以及空间的分布，实现单独分别使用这两种技术所不能实现的功能，是一种快速，无损，无标记的多维信息获取方法，对揭示细胞的生命活动机理具有重要的作用。的作用。的作用。

Dual mode imaging system and method based on Raman scattering spectrum and quantitative phase

【技术实现步骤摘要】
基于拉曼散射光谱和定量相位的双模态成像系统、方法


[0001]本专利技术涉及光学测量领域，具体涉及一种光谱和光学相位同时同位测量的方法和系统。

技术介绍

[0002]生命科学的快速发展，尤其是单细胞的生化过程信息的表征与获取，对多模态功能光学仪器和方法提出了迫切的需求。定量相位成像技术对细胞分化过程的相位(折射率)成像取得了富有成效的成果，为细胞的生化过程提供了实时动态的细胞形貌，大小，高度等信息。另一方面，拉曼散射光谱成像技术能够对细胞微量的生化物质进行特异性识别，从另一个维度提供了细胞生化过程的物质变化及空间分布信息。然而，单独使用或者联合起来先后使用这两种技术获得的信息，对于理解复杂的细胞生化过程，都是远远不够的，因此，多维度生物信息，特别是在同一空间和时间上获取的多模态生物信息，可以展示细胞物质的转化过程及空间分布，揭示更深层次的细胞生化机理。有鉴于此，本专利技术提供一种拉曼散射光谱与定量相位有机融合的双模态成像系统、方法以及在单细胞物质成分的时间、空间分布测量的应用。

技术实现思路

[0003]本专利技术为了解决识别单细胞体内不同物质成分以及物质成分的类别，浓度和分布问题，提供了一种拉曼散射光谱/定量相位成像双模态系统，方法和应用。其中包括将拉曼信号进行增强，同时且同位地获取拉曼光谱和相位成像的双模态信号，实现两种信号的时间和空间精确匹配，进而解析出单模态信号无法解析的信息。
[0004]一种基于拉曼散射光谱和定量相位的双模态成像系统，包括一个配置激光器的共聚焦拉曼光谱仪；一个设置在所述共聚焦拉曼光谱仪输出端激发光路上的半反半透镜，用于将激发光分成两部分，其中反射部分输入拉曼散射光谱成像系统，用于激发和收集拉曼信号，透射部分用于形成相位成像的参考光；设置在所述拉曼散射光谱成像系统焦平面处的载玻片系统，用于承载细胞样品并增强细胞样品的拉曼散射信号；设置在所述载玻片系统后方的相位成像系统，将透过载玻片系统的物光输入合束器，所述合束器将所述参考光和所述物光进行合束干涉形成干涉图，并将干涉光输入图像传感器，收集干涉图用于后期计算形成定量相位分布图；所述拉曼散射光谱/定量相位双模态成像系统，还包括由计算机组成的控制采集系统，用于控制所述拉曼散射光谱成像系统和所述相位成像系统同时进行数据采集与计算。
[0005]由于经过所述载玻片系统反射的拉曼信号和经过所述载玻片系统透射的物光信号都来自于细胞的同一位置，因此，所获得的光谱空间分布和相位空间分布是一一对应的，大大降低了将两种模态的信号进行空间匹配的难度，甚至无需进行匹配。同时，这两种模态的信号是在同一时间上获取的，时间维度上的精准匹配，可以更准确地解析细胞不同阶段的生理机理。
[0006]优选地，所述载玻片系统是一个亚波长周期的金属光栅或者金属超表面，用于将所述的金属光栅表面或所述金属超表面附近的电场进行增强，进而增强细胞样品的拉曼信号，同时一部分携带了待测细胞相位的光透射所述金属光栅，形成物光。
[0007]优选地，所述拉曼散射光谱成像系统和所述相位成像系统使用放大倍率相同的物镜。
[0008]优选地，所述激光器是一个单纵模单横模线偏振激光器。
[0009]一种基于拉曼散射光谱和定量相位的双模态成像方法，包括如下步骤：
[0010]1.搭建共聚焦拉曼显微成像系统；
[0011]2.在所述共聚焦拉曼显微成像系统的激发光路上加入半反半透元件，将反射部分的光作为定量相位成像系统的物光，与所述共聚焦拉曼显微成像系统的激发光路重合形成重合光路；将透射部分的光作为定量相位成像系统的参考光；
[0012]3.在所述重合光路上加入载玻片系统，使得透过细胞并携带细胞相位信息的物光可以透过所述载玻片系统，同时，将被激发的细胞的拉曼信号反射，进入所述共聚焦显微拉曼光谱仪进行光谱测量或者光谱成像；
[0013]4.使用合束元件，将所述物光与所述参考光合并，形成干涉图；
[0014]5.使用计算机控制双模态系统同时采集拉曼散射光谱和干涉图，形成拉曼光谱的空间分布图，同时对所述干涉图使用相位恢复算法，获得相位的空间分布图。至此，获得细胞同一时间和同一空间上的拉曼光谱成像和相位成像。
[0015]优选地，步骤3所述的载玻片系统可以是亚波长周期的金属光栅或者金属超表面，用于增强细胞样品的拉曼信号，同时透射携带了待测细胞相位的物光。
[0016]一种应用所述基于拉曼散射光谱和定量相位的双模态成像系统同时且同位测量细胞的成分和形貌(折射率)分布的方法，包括如下步骤：
[0017]1.搭建所述基于拉曼散射光谱和定量相位的双模态成像系统；
[0018]2.将细胞连同培养液滴加在所述载玻片系统上，或将所述载玻片系统放置在透明细胞培养皿底部，然后调整所述光谱成像物镜和所述相位成像物镜，使细胞能够清晰成像；
[0019]3.使用计算机控制双模态系统同时采集拉曼散射光谱和干涉图，形成拉曼光谱的空间分布图，同时使用相位恢复算法，获得相位的空间分布图。至此，获得细胞同一时间和同一空间上的相位成像和拉曼光谱成像；
[0020]4.利用相位空间分布，获取折射率，细胞形貌，细胞大小等参数，结合拉曼光谱空间分布代表的成分空间分布，利用这两种不同维度的信息，来分析细胞的生理机理。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1为根据本专利技术实施例所述的拉曼散射光谱/定量相位双模态成像系统。
具体实施方式
[0023]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0024]本申请实施例中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
[0025]本申请实施例中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拉曼散射光谱和定量相位的双模态成像系统，其特征在于，包括一个配置激光器的共聚焦拉曼光谱仪；一个设置在所述共聚焦拉曼光谱仪输出端激发光路上的半反半透镜，用于将激发光分成两部分，其中反射部分输入拉曼散射光谱成像系统，用于激发和收集拉曼信号，透射部分用于形成相位成像的参考光；设置在所述拉曼散射光谱成像系统焦平面处的载玻片系统，用于承载细胞样品并增强细胞样品的拉曼散射信号；设置在所述载玻片系统后方的相位成像系统，将透过所述载玻片系统的物光输入合束器，所述合束器将所述参考光和所述物光进行合束干涉形成干涉图，并将干涉光输入图像传感器，收集干涉图用于后期计算形成定量相位分布图；所述基于拉曼散射光谱和定量相位的双模态成像系统，还包括由计算机组成的控制采集系统，用于控制所述拉曼散射光谱成像系统和所述相位成像系统同时进行数据采集与计算。2.根据权利要求1所述的基于拉曼散射光谱和定量相位的双模态成像系统，其特征在于，所述载玻片系统是一个亚波长周期的金属光栅或者金属超表面，用于将所述的金属光栅表面或所述金属超表面附近的电场进行增强，进而增强细胞样品的拉曼信号，同时一部分携带了待测细胞相位的光透射所述金属光栅，形成物光。3.根据权利要求2所述的基于拉曼散射光谱和定量相位的双模态成像系统，其特征在于，所述金属光栅由周期排列的纳米孔阵列构成，纳米孔的周期为300nm，孔的大小范围为200
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300nm。4.根据权利要求2或3所述的基于拉曼散射光谱和定量相位的双模态成像系统，其特征在于，所述激光器是一个单横模单纵模线偏振激光器。5.根据权利要求2或3所述的基于拉曼散射光谱和定量相位的双模态成像系统，所述拉曼散射光谱成像系统和所述相位成像系统使用放大倍率相同的物镜。6.一种基于拉曼...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘胜德，吕晓旭，郑子曦，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：