專利名稱：微區(qū)光譜測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明微區(qū)光譜檢測系統(tǒng)，涉及由顯微鏡和顯微鏡光學耦合聚焦 系統(tǒng)與光譜儀系統(tǒng)所構(gòu)成的微區(qū)顯微光譜測量技術(shù)，屬于微區(qū)光譜測 量技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
微區(qū)光譜檢測技術(shù)是近年來隨著納米材料科學，如低維結(jié)構(gòu)半導 體量子點、量子線、量子阱以及納米管、納米帶、納米微晶尤其是量 子點標記的生物醫(yī)學光子學熒光探針和傳感器的發(fā)展而發(fā)展起來的 一種研究和檢測納米光物性和生物醫(yī)學光子學的強有力的儀器手段。 但是由于涉及到較復雜的光學系統(tǒng)，所以有關(guān)這方面的檢測及研究大 多由國外的大學或研究機構(gòu)的大型實驗室根據(jù)其自身研究的需要，利 用自己實驗室的激光系統(tǒng)、光譜測試系統(tǒng)和顯微物鏡及檢測設備搭建 起來的機構(gòu)龐雜的微區(qū)光譜檢測系統(tǒng)。這種自己搭建的系統(tǒng)既需要大 型的儀器設備，同時也需要專門的光物理及相關(guān)光學技術(shù)的支持，而 且其致命的弱點是設備不規(guī)范、價格昂貴，且無法實現(xiàn)商品化的檢測 儀器。目前，隨著納米材料在光電子領域、生物光子學和臨床醫(yī)學等 方面的快速發(fā)展，有必要在這些領域推出操作簡單、靈活適用的微區(qū) 顯微光譜檢測系統(tǒng)，不需要專門的光學技術(shù)就可以開展相關(guān)領域的測
試及研究。
現(xiàn)在，大多數(shù)實驗室和相關(guān)的科研機構(gòu)開展光譜檢測采用的往往 還是傳統(tǒng)的宏觀尺度樣品的光譜測量。它雖然能為我們提供物理、化 學、醫(yī)學和生物學方面有關(guān)材料、器官組織和細胞生物學等方面的光 物理和光生物學等方面的信息，但是由于檢測樣品的宏觀尺度，所以 只能提供待測樣品的大范圍的整體特性。因此,我們很難了解和分辨 在局部微小的空間區(qū)域的行為、物性及其差異。隨著納米材料科學、 醫(yī)用生物光子學和半導體低維結(jié)構(gòu)材料與器件及其相關(guān)領域不斷深 入的發(fā)展，微區(qū)光譜測量系統(tǒng)成為檢測和研究這些新興領域必不可少 的手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了使微區(qū)光譜檢測系統(tǒng)實現(xiàn)商品化、簡單化、 一體化、靈活化，價格便宜，不需要昂貴的的大型實驗室設備即可實 現(xiàn)微區(qū)顯微光譜或光譜與顯微圖像相對應的檢測系統(tǒng)，使該項技術(shù)走 出專門化實驗室，勿需專業(yè)技術(shù)人員即可對臨床醫(yī)學、光生物學、納 米材料科學以及半導體器件等領域的相關(guān)微區(qū)顯微圖像和光譜特性 進行實時在線檢測。
本發(fā)明的技術(shù)方案是由顯微鏡與顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)和光 譜儀系統(tǒng)結(jié)合在一起所形成的微區(qū)光譜測量系統(tǒng)。其中包括顯微鏡光 學接口和坐落在其上的顯微物鏡托架和顯微物鏡，汞燈或氙燈的反射 激發(fā)光路，汞燈或氙燈的顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)，光纖，光譜
儀、單色儀或光電倍增管，三目通光口，成像CCD或數(shù)碼相機，
針孔單元；分為四種連接方式
第一種類型是在三目落射式顯微鏡或倒置式顯微鏡的三目通光 出口上安裝的顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)與光譜儀相連所構(gòu)成的微區(qū) 光譜測量系統(tǒng)。顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)包括顯微鏡光學接口和坐落 在其上的顯微物鏡托架、顯微物鏡、多維精密光學調(diào)整架支撐體和多 維精密光學調(diào)整架及光纖，，光纖的一端嵌入多維精密光學調(diào)整架， 另一端與光譜儀相連即構(gòu)成顯微鏡與光譜儀相連接實施微區(qū)光譜檢 測所必需的顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)，其中光譜儀可配備CCD或光 電倍增管。本發(fā)明的微區(qū)光譜測量系統(tǒng)中使用的三目落射式顯微鏡及 倒置式顯微鏡均包括熒光顯微鏡。
第二種類型是在三目落射式顯微鏡或倒置式顯微鏡的三目通光 出口上建立光學通光接口單元，并在此單元所增加的通光口上建立的 上述顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)與光譜儀相連所構(gòu)成的微區(qū)光譜測量 系統(tǒng)。建立多端光學通光接口單元的目的是可在其中增加的任意通光 口上再連接CCD或數(shù)碼相機以及電視攝像裝置，實現(xiàn)光譜和與其對 應圖像的實時在線測量。
第三種類型是在三目落射式光學顯微鏡的三目通光口上建立光 學通光接口單元的微區(qū)光譜檢測系統(tǒng)。
第四種類型是在三目落射式熒光顯微鏡的三目通光口上建立針 孔單元的微區(qū)光譜測量系統(tǒng)。
這樣，通過調(diào)節(jié)針孔的大小，在觀測光學圖像的同時既能捕獲感 興趣的微區(qū)共焦顯微光學圖像又能檢測與此圖像相對應的微區(qū)共焦 顯微光譜，從而使本項發(fā)明廣泛地應用于臨床醫(yī)學、生物光子學、納 米材料科學、半導體材料與器件的檢測等領域。
本發(fā)明的一個主要應用是在臨床醫(yī)學檢測與研究領域，比如對生 物組織器官癌癥診斷與研究。采用本發(fā)明的第一種類型的微區(qū)光譜測 量系統(tǒng)，在光激發(fā)下將觀測到微區(qū)局部癌變組織自發(fā)的特征熒光，由
微區(qū)探測光譜儀的CCD或光電倍增管接收這樣的熒光信號，可獲得 微區(qū)局部癌變組織所具有的特征熒光光譜，從而做出診斷結(jié)果。為了 更好地分析診斷結(jié)果，可采用本發(fā)明的第二種類型的微區(qū)光譜測量系 統(tǒng)，實現(xiàn)光譜和與其對應的熒光圖像的實時在線測量。通過顯微鏡光 學通光接口單元上的CCD或數(shù)碼相機同時獲取癌變組織的熒光圖 像，使熒光光譜與癌變組織的熒光圖像相對應。采用本發(fā)明的第四種 類型的激光共聚焦顯微圖像與共聚焦顯微光譜系統(tǒng)，可進一步獲得癌 變組織任意一點上的自發(fā)癌變特征熒光圖像和與其相對應的共焦熒 光光譜，從而作出精準的定位。采用本發(fā)明的第三種類型的微區(qū)共焦 光譜檢測系統(tǒng)可獲取包括熒光、發(fā)光、反射和透射圖像在內(nèi)的共焦圖 像與相應圖像的共焦顯微光譜。
由于本發(fā)明的第四種類型的激光共聚焦顯微圖像與共聚焦顯微 光譜系統(tǒng)采用共聚焦設計，其針孔單元針孔的尺徑大小可依據(jù)所研究 和檢驗的樣品區(qū)域的大小隨意改變，從而可捕獲激光激發(fā)的熒光共聚 焦圖像結(jié)構(gòu)以及與此圖像相對應的微區(qū)顯微光譜，而且提高了共焦顯 微圖像和顯微光譜二者的分辨率。本發(fā)明的第三種類型的微區(qū)共焦光 譜檢測系統(tǒng)除了所用光源非激光外，其功能與本發(fā)明的第四種類型的
激光共聚焦顯微圖像與共聚焦顯微光譜系統(tǒng)類似。
盡管共聚焦圖像結(jié)構(gòu)可以用激光掃描共聚焦顯微鏡檢測，但與本 發(fā)明的激光共聚焦圖像和光譜系統(tǒng)比較，其缺點也是顯而易見的。其 一，由于激光掃描共聚焦顯微鏡是通過逐點掃描的方式獲取樣品的熒
光圖像，因此，獲取圖像需要耗費較長的時間。對于一幅1024X1024 分辨率的激光掃描圖像，每秒鐘只能獲取1到3幅圖像(參見Nicolas George, Bioscience Technology 11 2003)，這對于光發(fā)射過程只有 十分之一秒或更短時間的生物過程，激光掃描共聚焦顯微鏡則難以獲 取其圖像。其二，由于生物發(fā)光一般都很弱，所以，難以用激光掃描 共聚焦顯微鏡獲取其圖像。另外一個限制其使用的重要原因是激光掃 描共聚焦顯微鏡價格昂貴(比如中國科技大學和第三軍醫(yī)大學各自購 置的德國zeiss公司和Leica公司的激光掃描共聚焦顯微鏡的價格均在 300萬元人民幣，詳見
http:〃202.38.65.108/ylb/yqsb/smkx/2005052701.htm和 http:〃www.tmmu.com.cn/department/gyx/sys.htm#)，因而j吏大多石開究禾口 檢測機構(gòu)難以承受。為便于光物理、光生物學和臨床醫(yī)學等領域的檢
測與^F究，我們發(fā)明的這套激光共聚焦顯微圖像與共聚焦顯微光譜系 統(tǒng)是采用針孔單元來實現(xiàn)共聚焦顯微圖像和共焦顯微光譜，其中的針 孔單元包括可連續(xù)調(diào)諧尺徑的針孔單元和由不同尺徑的針孔組成尺 徑不同的固定針孔單元。本發(fā)明的系統(tǒng)與激光掃描共聚焦顯微鏡相比 較，具有操作簡便、應用廣泛，且沒有激光掃描共聚焦顯微鏡的上述 缺點，是一套價格便宜、性能優(yōu)越的微區(qū)激光共聚焦顯微圖像與光譜 檢測分析系統(tǒng)。
對于重量較輕、穩(wěn)定性較差的顯微鏡，在構(gòu)建針孔單元、激光激 發(fā)單元、三孔目鏡接口單元和光學耦合聚焦系統(tǒng)時，為維持整個顯微 系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可增加具有固定底板的支撐柱單元。
本發(fā)明的第二個主要應用方面是對納米材料光物性的研究。它包 括半導體量子點、量子線、量子阱、納米管、納米帶和納米粒子等低 維結(jié)構(gòu)體系光學過程與特性研究，從而得到單獨結(jié)構(gòu)或尺寸相近的納 米結(jié)構(gòu)材料的光譜特性，由微區(qū)光譜特性提供有關(guān)納米材料的生長質(zhì) 量、缺陷、界面特性和量子限制效應等光物理信息。雖然本發(fā)明的微 區(qū)光譜系統(tǒng)是在微米尺度上的光譜檢測，由于光學顯微鏡衍射極限的 限制，我們難以直接觀測到尺寸較小的納米結(jié)構(gòu)材料，但是通過我們 設計的共聚焦光學系統(tǒng)，可以根據(jù)納米結(jié)構(gòu)的分布密度和尺寸的均勻 性直接檢測到單個量子點或尺寸相近的納米結(jié)構(gòu)材料的發(fā)光光譜。
本發(fā)明的第三個主要應用方面是在光生物學領域開展熒光染料、
稀土配合物、FITC、 CY系列熒光團、綠色熒光蛋白、紅外熒光上轉(zhuǎn) 換納米材料和新一代量子點熒光標記物標記的抗體、抗原、病毒的熒 光光譜檢測，由熒光標記物的發(fā)光光譜直接獲得生物體的醫(yī)學和生物 學相關(guān)信息。為細胞生物學、臨床醫(yī)學和藥物學等領域的檢測與研究 提供必要的手段。此外，本發(fā)明的微區(qū)光譜測量系統(tǒng)還可廣泛用于化 學發(fā)光、半導體材料和器件結(jié)構(gòu)的檢驗和光譜特性研究。
在本發(fā)明的落射式熒光顯微鏡微區(qū)顯微光譜檢測系統(tǒng)上除了可 以開展熒光和發(fā)光光譜以及與光譜特性相對應的圖像檢測外，還可以進行反射譜與其顯微圖像的檢測。我們這里所說的熒光與發(fā)光的概念 是有所差異的。熒光是指發(fā)光波長比激發(fā)光的波長長的斯托克發(fā)光， 而發(fā)光則既包括斯托克發(fā)光也包括反斯托克發(fā)光。在本發(fā)明的倒置式 微區(qū)光譜檢測系統(tǒng)上除了具有熒光和發(fā)光光譜以及與其光譜特性相 對應的顯微圖像檢測功能外，還可以進行透射譜與其顯微圖像的檢
為了便于開展微區(qū)顯微光譜與顯微圖像檢測，本發(fā)明的微區(qū)顯微 光譜與顯微圖像測量系統(tǒng)中的顯微鏡系統(tǒng)與光譜儀系統(tǒng)，也有顯微鏡 系統(tǒng)和光譜儀系統(tǒng)分立式的微區(qū)顯微光譜測量系統(tǒng)。后者，是通過顯 微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)中光纖的長度實現(xiàn)的，從而使本發(fā)明的微區(qū)顯 微光譜測量系統(tǒng)在實驗布局和排列上具有充分的靈活性。


圖1是本發(fā)明的微區(qū)光譜檢測系統(tǒng)在三目落射式顯微鏡上的結(jié) 構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的微區(qū)光譜檢測系統(tǒng)在倒置式顯微鏡上的結(jié)構(gòu)示 意圖。
圖3是本發(fā)明的微區(qū)光譜檢測系統(tǒng)在三目落射式光學顯微鏡的 三目通光口上建立光學通光接口單元的微區(qū)光譜檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意 圖。
圖4是在三目落射式熒光顯微鏡的三目通光口上建立針孔單元 的微區(qū)光譜測量系統(tǒng)。
圖5是本發(fā)明的針孔單元上的針孔滑板示意圖
其中顯微物鏡(1)、汞燈或氙燈的反射激發(fā)光路(2) 汞燈或
氙燈(3)顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)(4)、光纖(5)、光接收器(6)、 三目通光口 (7)、光學通光接口單元(8)、成像CCD或數(shù)碼相機 (9)、針孔單元(10);
具體實施例方式
實施例l:
如圖1所示，來自汞燈或氙燈3的激發(fā)光，被置于激發(fā)光路2中
的雙色鏡反射后，由物鏡聚焦在置于載物臺的樣品上，激發(fā)樣品，觀 察樣品微區(qū)的發(fā)光，通過調(diào)整載物臺的位置獲取感興趣的微區(qū)的發(fā)
光。這部位的微區(qū)發(fā)光再由物鏡收集、濾光片和三目通光出口 7入射 到顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)4，該聚焦系統(tǒng)的光纖5將微區(qū)發(fā)光輸入 光接收器(6)，光接收器(6)可以是光譜儀、CCD或光電倍增管， 微區(qū)光譜的獲取均由計算機控制處理。 實施例2:
如圖2所示，來自汞燈的激發(fā)光激發(fā)置于倒置式顯微鏡載物臺上 的樣品，基于與實施例1同樣的原理，并由顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng) 4和光纖5將微區(qū)發(fā)光輸入光接收器(6)即光譜儀，再由CCD探測 器或光電倍增管PMT接收光信號。除此之外，由鹵素燈照射樣品產(chǎn) 生的微區(qū)透射光譜的獲取也由計算機控制處理。
實施例3:
如圖3所示，本實施例是在圖1的基礎上通過在三目通光出口上 建立光學通光接口單元8來實現(xiàn)光譜和與其對應圖像的實時在線測
量。光學通光接口單元的光路部分是由分束鏡和全反射鏡實現(xiàn)的。在
光學通光接口上除了可以安裝CCD或數(shù)碼相機9捕獲顯微圖象外， 還可以安裝如圖1所示的顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)與光譜儀相連接 構(gòu)成微區(qū)顯微圖像和顯微光譜測量系統(tǒng)。在獲取圖像的同時，還可以 檢測與顯微圖像相對應的顯微光譜。
實施例4:
如圖1和圖2所示，本實施例是在圖1和圖2的基礎上通過在落 射式光學顯微鏡與倒置式顯微鏡的三目通光出口上建立針孔單元10 和多端光學通光接口單元并通過在多端光學通光接口單元上安裝 CCD或數(shù)碼相機以及由顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)的光纖與光譜儀相 連所構(gòu)成的微區(qū)共聚焦顯微圖像和顯微光譜測量系統(tǒng)。由本實施例構(gòu) 建的共聚焦系統(tǒng)使用的光源可以是汞燈或氙燈之類的非激光光源，通 過可調(diào)諧針孔和如圖7所示的固定針孔來獲取感興趣的共聚焦顯微 圖像和顯微光譜。
權(quán)利要求
1、一種微區(qū)光譜測量系統(tǒng)，其特征在于包括顯微鏡光學接口和坐落在其上的顯微物鏡托架及顯微物鏡(1)、汞燈或氙燈的反射激發(fā)光路(2)汞燈或氙燈(3)顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)(4)、光纖(5)、光接收器(6)、三目通光口(7)、光學通光接口單元(8)、成像CCD或數(shù)碼相機(9)、針孔單元(10)；分為四種連接方式第一種是在三目落射式顯微鏡的三目通光出口上安裝的顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)與光譜儀相連所構(gòu)成的微區(qū)光譜測量系統(tǒng)；第二種是在倒置式顯微鏡的三目通光出口上安裝的顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)與光譜儀相連所構(gòu)成的微區(qū)光譜測量系統(tǒng)；第三種是在三目落射式光學顯微鏡的三目通光口上建立光學通光接口單元與光譜儀相連所構(gòu)成的微區(qū)光譜檢測系統(tǒng)；第四種是在三目落射式光學顯微鏡的三目通光出口上加裝針孔單元，在此單元之上建立顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)與光譜儀相連所構(gòu)成的微區(qū)光譜測量系統(tǒng)。
2、 根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種微區(qū)光譜測量系統(tǒng)，其特征在于顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)(4)其光纖的一端嵌入多維精密光學調(diào)整 架，另一端與光接收器(6)相連。
3、 根據(jù)權(quán)力要求1和2所述的一種微區(qū)光譜測量系統(tǒng)，其特征 在于光接收器(6)可以是光譜儀、單色儀或光電倍增管。
4、 根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種微區(qū)光譜測量系統(tǒng)，其特征在于與顯微鏡相連接的顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)(4)不僅適用于落射式 光學顯微鏡的通光出口 ，而且同樣適用于倒置式顯微鏡的通光出口 。
5、 根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種微區(qū)光譜測量系統(tǒng)，其特征在于 在三目通光出口 (7)上加裝針孔單元(10)，針孔單元中的針孔包括兩種類型第一種是由不同尺徑的固定針孔組組成的針孔滑板，第二種是為了獲取大視場的全裸孔。
6、 根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種微區(qū)光譜測量系統(tǒng)，其特征在于共聚焦系統(tǒng)使用的光源可以是非激光光源汞燈或氙燈。
全文摘要
本發(fā)明微區(qū)光譜測量系統(tǒng)，屬于光學領域中微區(qū)顯微光譜與顯微圖像測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在顯微鏡上建立針孔單元和顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)制造共聚焦光學顯微系統(tǒng)，由這樣的顯微系統(tǒng)與光譜測量系統(tǒng)構(gòu)建的微區(qū)共聚焦顯微光譜與顯微圖像測量系統(tǒng)，包括顯微物鏡，汞燈和氙燈的反射激發(fā)光路，顯微鏡光學耦合聚焦系統(tǒng)，光纖，光接收器，三目通光口，成像CCD或數(shù)碼相機，針孔單元，分為四種類型，在捕獲微區(qū)共聚焦顯微圖像的同時，可實現(xiàn)與共聚焦顯微圖像相對應的熒光光譜或吸收及反射光譜。這套檢測系統(tǒng)適合于光生物學、臨床醫(yī)學和納米材料等領域的應用。
文檔編號G01N21/25GK101113949SQ200710056049
公開日2008年1月30日 申請日期2007年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月7日
發(fā)明者鄭著宏 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所