一种时空分辨多模态拉曼高光谱显微成像系统及方法技术方案

本发明专利技术属于光学显微仪器制造技术及光谱成像技术领域，特别涉及一种时空分辨多模态拉曼高光谱显微成像系统及方法，该系统包括光源模块、共轴双物镜显微模块、SPR反射成像模块、图像旋转模块、增强散射成像模块和图像处理模块；可以实时提供视野中多个目标样品的SPR图像、瑞利散射光谱图像和拉曼高光谱图像，降低入射激光功率密度避免样品光损伤，采集拉曼高光谱时间分辨率从现有技术的秒级下降到毫秒级，空间分辨率显著提高。空间分辨率显著提高。空间分辨率显著提高。

【技术实现步骤摘要】
一种时空分辨多模态拉曼高光谱显微成像系统及方法


[0001]本专利技术属于光学显微仪器制造技术及光谱成像
，特别涉及一种时空分辨多模态 拉曼高光谱显微成像系统及方法。

技术介绍

[0002]由于单个纳米颗粒或多维纳米材料不同空间位置的结构和功能异质性，动态研究单个纳 米结构的化学活性引起了越来越多的兴趣。光学显微镜，特别是表面等离子共振(SurfacePlasmon Resonance，SPR)显微镜和荧光显微镜，已能够研究单个纳米材料的催化化学。然 而，反应物分子结构信息的丢失限制其上述方法对复杂反应过程(例如金属催化反应)中间 体和产物的鉴定。拉曼技术不受其他化学物质的干扰，提供了一种便捷的方法来捕捉反应分 子的指纹信息。特别是拉曼光谱成像实现了对纳米结构局部区域指纹信息的高空间分辨率测 量。利用时间分辨拉曼光谱可以开展对反应物分子随反应过程动态变化的监测，归属拉曼位 移峰的来源，阐明反应过程中分子结构的改变、中间体的形成以及反应机理。但是，经典的 基于扫描的拉曼成像模式耗时较长，限制了同时对多个纳米结构的动态研究。其次，由照射 光斑存在拖尾，样品在被观察之前可能会遭受光漂白或光反应等不可逆的损害。宽场照明拉 曼成像技术为其提供了一种潜在的解决方案，该技术主要通过波长可调滤色片或者波长可调 激光的逐波长扫描实现高光谱图像采集。因此其光谱分辨率相对于光栅单色器要低，同时波 长扫描的方式也会遗失全光谱动态变化的信息。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决现有技术中存在的上述技术问题，提供一种新颖的时空分辨多模态拉曼高光 谱成像系统,可实时提供微区中多个目标物的SPR图像、瑞利散射光谱图像和拉曼光谱高光谱 图像。
[0004]本专利技术的技术方案如下：
[0005]一种时空分辨多模态拉曼高光谱成像系统，包括光源模块、共轴双物镜显微模块、SPR 反射成像模块、图像旋转模块、增强散射成像模块和图像处理模块；
[0006]所述光源模块包括入射激光光源；
[0007]所述共轴双物镜显微模块和待测样品设置在光源模块的输出光路上；
[0008]所述SPR反射成像模块设置在待测样品反射光输出光路上，对待测样品反射光进行SPR 反射成像；
[0009]所述图像旋转模块、增强散射成像模块依次设置在待测样品散射光输出光路上；
[0010]所述图像旋转模块包括可旋转道威棱镜；所述可旋转道威棱镜的中心轴与散射光输出光 路中心轴重合；
[0011]所述图像处理模块提取增强散射成像模块获得的图片，通过对具有空间位置信息的散射 光强度图像进行去卷积运算处理，获得待测样品的瑞利散射光谱和拉曼散射光谱。
[0012]优选地，所述光源模块中，所述入射激光光源的输出光路上依次设置凸透镜1、偏
振片、 凸透镜2、带通滤色片；所述入射激光光源的发射光束角度可调节。
[0013]优选地，所述共轴双物镜显微模块包括依次设置在入射角度可调光源模块输出光路上的 倒置物镜、载物台、可三维移动的正置物镜。
[0014]优选地，所述倒置物镜是油镜，所述正置物镜是水浸物镜。
[0015]优选地，所述SPR反射成像模块包括依次设置在待测样品反射光输出光路上的半透半反 镜、凸透镜3、相机1。
[0016]优选地，所述增强散射成像模块包括依次设置在待测样品散射光输出光路上的长通滤色 片、凸透镜4、反射镜1、狭缝、反射镜2、凹面镜、反射光栅、凹面镜、相机2。
[0017]优选地，所述光源模块的发射光束为单频激光束或者宽频光束。更优选地，所述单频激 光束的波长在500
‑
700nm内可调；所述宽频激光束的波长的可调范围为200至2000nm。
[0018]优选地，所述待测样品的基底载片为表面光滑均匀的镀有金属纳米薄膜的盖玻片、玻璃、 导电玻璃中任意一种。更优选地，所述金属纳米薄膜为金纳米膜或银纳米膜。
[0019]优选地，所述共轴双物镜显微模块各物镜的视野、焦距可独立调节。
[0020]一种时空分辨多模态拉曼高光谱成像方法，包括以下步骤：
[0021]所述光源模块发射入射光束，所述入射光束进入共轴双物镜显微模块，以大于70
°
的特 定角度照射待测样品，产生全内反射，引发待测样品的基底载片上的金属纳米薄膜中的表面 等离子共振，耦合表面的纳米颗粒增强拉曼散射，该散射光信号被共轴双物镜显微模块中的 正置物镜采集，进入所述增强散射成像模块进行散射成像和光谱解析；
[0022]所述正置物镜通过三维位移台调节与倒置物镜观测同一个视野；
[0023]所述增强散射成像模块的狭缝处于全开状态，待测样品散射光束经过反射光栅分光一维 展开，调节光栅中心波长，由相机分别获得样品纳米颗粒的零级衍射图像和水平方向发生色 散展开的一级衍射图像；
[0024]所述图像旋转模块将发生重叠的一级衍射光谱图像进行旋转拆分，分别获得视野中纳米 颗粒亮点的零级衍射图像序列1和一级衍射光谱图像序列2；
[0025]所述图像处理模块将增强散射成像模块获得的零级衍射图像序列1和一级衍射光谱图像 序列2分别抓取切割成感兴趣区域零级图像序列3和一级图像序列4；对于随机出现位置的 目标样品，所述图像处理模块使用算法抓取样品图像序列3和图像序列4中样品水平方向间 距d，通过以下关系式将计算出有效色散距离：
[0026]d
eff
＝α(x)d，
[0027]其中α(x)为样品纳米颗粒的零级和一级衍射光谱图像间距d的光谱展开校正系数，其与图像 序列2中像素水平位置呈线性关系；
[0028]通过以下关系式将所述图片序列4中每处像素的空间位置运算生成对应拉曼波数数组5：
[0029]v＝1/λ
ex
‑
1/(kd
eff
+λ0)
[0030]其中
[0031]v表示序列3中的照片每个像素点的拉曼位移值；
[0032]d
eff
表示序列3中的照片每个像素点的有效色散常数；
[0033]k表示所述成像模块波长分辨率，数值是0.2071，单位是纳米每像素；
[0034]λ0表示设置光栅中心位置；
[0035]λ
ex
表示入射激光波长；
[0036]将所述图片序列4中的每处像素的强度数值即为对应拉曼位移波数下拉曼散射强度，分 别以所述图片序列4中的像素拉曼位移波数和强度为横、纵坐标作图可得拉曼散射光谱。
[0037]优选地，所述图像处理模块对指定的特定拉曼位移波数可以抓取多个样品目标的拉曼散 射强度，并通过计算生成指定拉曼波数下拉曼强度空间分布图像。
[0038]优选地，所述λ0为750nm；λ
ex
为660nm。
[0039]相对于现有技术，本专利技术的优点如下，
[0040]本专利技术的时空分辨多模态拉曼高光谱成像系统，通过图片处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种时空分辨多模态拉曼高光谱成像系统，其特征在于，包括光源模块、共轴双物镜显微模块、SPR反射成像模块、图像旋转模块、增强散射成像模块和图像处理模块；所述光源模块包括入射激光光源；所述共轴双物镜显微模块和待测样品设置在光源模块的输出光路上；所述SPR反射成像模块设置在待测样品反射光输出光路上，对待测样品反射光进行SPR反射成像；所述图像旋转模块、增强散射成像模块依次设置在待测样品散射光输出光路上；所述图像旋转模块包括可旋转道威棱镜；所述可旋转道威棱镜的中心轴与散射光输出光路中心轴重合；所述图像处理模块提取增强散射成像模块获得的图片，通过对具有空间位置信息的散射光强度图像进行去卷积运算处理，获得待测样品的瑞利散射光谱和拉曼散射光谱。2.如权利要求1所述的时空分辨多模态拉曼高光谱成像系统，其特征在于，所述光源模块中，所述入射激光光源的输出光路上依次设置凸透镜1、偏振片、凸透镜2、带通滤色片；所述入射激光光源的发射光束角度可调节。3.如权利要求1所述的时空分辨多模态拉曼高光谱成像系统，其特征在于，所述共轴双物镜显微模块包括依次设置在入射角度可调光源模块输出光路上的倒置物镜、载物台、可三维移动的正置物镜。4.如权利要求1所述的时空分辨多模态拉曼高光谱成像系统，其特征在于，所述SPR反射成像模块包括依次设置在待测样品反射光输出光路上的半透半反镜、凸透镜3、相机1。5.如权利要求1所述的时空分辨多模态拉曼高光谱成像系统，其特征在于，所述增强散射成像模块包括依次设置在待测样品散射光输出光路上的长通滤色片、凸透镜4、反射镜1、狭缝、反射镜2、凹面镜、反射光栅、凹面镜、相机2。6.如权利要求1所述的时空分辨多模态拉曼高光谱成像系统，其特征在于，所述光源模块的发射光束为单频激光束或者宽频光束；所述单频激光束的波长在500
‑
700nm内可调；所述宽频激光束的波长的可调范围为200至2000nm。7.如权利要求1所述的时空分辨多模态拉曼高光谱成像系统，其特征在于，所述待测样品的基底载片为表面光滑均匀的镀有金属纳米薄膜的盖玻片、玻璃、导电玻璃中任意一种。8.如权利要求1所述的时空分辨多模态拉曼高光谱成像系统，其特征在于，所述共轴双物镜显微模块各物镜的视野、焦距可独立调节。9.一种时空分辨多模态拉曼高光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：运用...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱俊杰，陈学勤，陈子轩，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：