CN101661000B - 一种基于分光镜的应用于单离子微束装置的新型离子探测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于分光镜的应用于单离子微束装置的新型离子探测系统，包括有CCD相机、荧光显微镜及单离子微束，荧光显微镜下方设置有塑料闪烁体，待测样品置于荧光显微镜的物镜与塑料闪烁体之间，单离子微束的出射口位于塑料闪烁体下方，CCD相机与荧光显微镜的物镜之间依次设置有第一滤光片、分光镜，分光镜透射面朝向CCD相机，第一滤光片位于分光镜与CCD相机之间，分光镜反射面一侧设置有光电倍增管，分光镜与光电倍增管之间设置有第二滤光片，本发明无需对微束注入系统部分和显微镜内部光路进行改造，只改变外部光路，工艺要求简单且工作稳定可靠。本发明应用于单离子微束装置中，实现了微束平台的在线检测功能。

Description

一种基于分光镜的应用于单离子微束装置的新型离子探测系统

技术领域

本发明涉及离子探测及光学领域，尤其是一种基于分光镜的应用于单离子微束装置的新型离子探测系统。

背景技术

随着人类知识水平的不断积累，认识自然的能力进一步提高，人们越来越关注自身的生活环境，尤其是电离辐射对健康的影响。研究者为了探求由于电离辐射引起的生物体损伤，尤其是低剂量辐照与活体细胞或组织相互作用的内在机理，迫切的需要一种能够精确定位投射定量粒子的装置，即单离子微束。

单离子微束是一种能够精确产生单个离子、定位精度达微米尺度的辐照技术平台，可以准确地将确定数目的离子投射到目标样品细胞的特定位点，定位精度在微米至亚微米量级。迄今为止，世界上众多的微束装置中，只是把单粒子微束作为一种精密辐照源使用，发展方向是离子如何打得更准确、更快，而研究的目标仍然是生物学终点效应。倘若对现有的单离子微束平台的离子探测系统进行改进，构建基于单离子束装置的在线检测和分析平台，通过在线无损定量探测单离子束辐照环境下细胞内生理参量变化，如游离钙离子浓度、胞浆pH值、细胞膜电位、线粒体膜电位、细胞膜磷脂和受体流动性、细胞内蛋白变化过程等来研究确定数量的低能离子与活体细胞相互作用的原初过程，则不仅能对理解在外界扰动因子作用下，在细胞乃至分子水平上所发生的物理、化学和生物学效应具有十分重要的意义，而且必将对离子束生物学、放射医学、发育生物学、空间生命科学以及材料辐照损伤微观机理等研究有重大的推动作用(Kadhim et al.Transmission of Chromosomal Instability after Plutonium Alpha-Particle Irradiation.Nature(1992))。

当前在世界各国的微束平台上所使用的离子探测系统基本上可分为两种，一种为部分前置探测系统，英国著名的CRC Gray实验室的GCI microbeam和中国科学院等离子体物理研究所的CAS-LIBB microbeam均采用了这种模式，附图1(a)给出了其示意图(Hu ZW et al.High-localized cell irradiation at the CAS-LIBBsingle-particle microbeam.Nuclear Instruments & Methods in Physics ResearchSection B-Beam Interactions with Materials and Atoms 2006；244(2)：462-466.Folkard et al.The use of radiation microbeams to investigate the bystander effect incells and tissues.Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Sectiona-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment2007；580(1)：446-450.)，另一种为后置探测系统，美国哥伦比亚大学著名的RARAFmicrobeam就采用了该种模式，附图1(b)给出了该种探测模式的示意图(Bigelow etal.Single-particle/single-cell ion microbeams as probes of biological mechanisms.Ieee Transactions on Plasma Science 2008；36(4)：1424-1431)。这两种探测模式的工作原理如下：

(1)部分前置探测方式。采用薄膜闪烁体松耦合光电倍增管(PMT)组合探测单离子信号。束流从准直器发射出来，穿过包括塑料闪烁体在内的多层薄膜结构后，辐照细胞样品。离子穿过闪烁体产生光子，光子透过样品后由PMT收集并转化为电信号，经处理后转化为对应的粒子个数，待辐照样品的粒子个数达到预设值时，探测系统就会发出指令关闭束流。但在这种结构中，离子需经多层薄膜后才可以辐照样品，因此离子的单能性和束径都受到影响，在一定程度上影响了定位精度；又由于采用闪烁体探测器计数，单个离子产生的光信号很弱，因此探测室需要严格遮挡环境光线以降低干扰。由于闪烁体产生的光子需穿过样品，才能被光电倍增管收集转化为电信号，因此不能用于辐照不透明或较厚的样品的实验。

(2)后置探测方式。该方式一般采用气体电离室探测器，电离室置于显微镜物镜口，由于探测器窗口是透明的，而且里面的气体也是无色的，不会阻挡从样品发出的光线进入物镜，所以该种探测模式在辐照样品的同时可以用显微镜来观察或记录样品在辐照过程中的实时变化信息。束流从瞄准器出口穿出，穿过薄的真空封膜后，直接辐照在样品上，离子穿过样品后再进入气体电离室，气体电离室的信号经处理后进入控制系统控制电子开关来通断束流。但该种探测模式的缺点是探测器位于样品的后面，样品不能过厚，否则离子无法穿过样品到达气体电离室。在实际操作中，被辐照细胞不可以带培养液，只能利用湿润的空气通过特设通道喷到细胞样品上，以防细胞样品脱水。

以上两种方法，虽然均能实现对单离子微束辐照样品实验实现计数，但均存在着一定的缺点，如不能辐照厚样品或不透明的样品，不能在辐照样品的同时进行荧光信息的捕捉和离子探测。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于分光镜的应用于单离子微束装置的新型离子探测系统，针对现有技术的问题，在部分前置探测模式的基础上提出一种基于分光镜的离子探测方法，以解决当前微束在辐照样品的同时无法观察样品的实时变化的问题，而且还可以对透明的厚样品进行辐照，扩大了微束的应用范围，提高了实验效率。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于分光镜的应用于单离子微束装置的新型离子探测系统，包括有CCD相机、荧光显微镜及单离子微束，所述荧光显微镜的物镜下方设置有塑料闪烁体，待测样品放置于所述荧光显微镜的物镜与所述塑料闪烁体之间，所述待测样品中有荧光染料，所述单离子微束的出射口位于所述塑料闪烁体下方，其特征在于：所述CCD相机与所述荧光显微镜的物镜之间依次设置有第一滤光片、分光镜，所述分光镜倾斜放置，其透射面朝向所述CCD相机，所述第一滤光片位于所述分光镜与所述CCD相机之间，所述分光镜反射面一侧设置有光电倍增管，分光镜与光电倍增管之间设置有第二滤光片，所述第一滤光片其通过波长与待测样品中的荧光染料发射光谱峰值一致，所述第二滤光片其通过波长与所述塑料闪烁体发射光谱的峰值一致；荧光显微镜的发射光照射至待测样品，被待测样品反射，并激发待测样品中的荧光染料发出荧光，同时单离子微束发射出离子轰击待测样品，离子穿过塑料闪烁体时塑料闪烁体发出荧光，待测样品反射光、荧光染料发出的荧光及塑料闪烁体发出的荧光分别通过荧光显微镜的物镜入射至分光镜，一部分光透射过分光镜并入射至第一滤光片，另一部分光被分光镜反射并入射至第二滤光片，第一、第二滤光片分别将一部分光滤去，荧光染料发出的荧光通过第一滤光片并被CCD相机接收，塑料闪烁体发出的荧光通过第二滤光片并被光电倍增管接收。

所述的一种基于分光镜的应用于单离子微束装置的新型离子探测系统，其特征在于：包括第一C型接口适配器及第二C型接口适配器，所述CCD相机与所述荧光显微镜的物镜分别安装在第一C型接口适配器两端的接口上，所述光电倍增管安装在所述第二C型接口适配器一端接口上，所述第一C型接口适配器中间开有直径与第一C型接口适配器相同的圆孔，所述分光镜固定在所述圆孔内部，分光镜法线与所述第一C型接口适配器轴线之间成一定角度，所述第一滤光片固定在第一C型接口适配器内部并位于CCD相机与分光镜之间，所述圆孔被加工成与第二C型接口适配器两端接口配合的标准接口，所述第二C型接口适配器通过另一端接口及所述圆孔加工成的标准接口安装在第一C型接口适配器上，所述第二滤光片固定在第二C型接口适配器内部。

所述的一种基于分光镜的应用于单离子微束装置的新型离子探测系统，其特征在于：分光镜法线与所述第一C型接口适配器轴线之间夹角为45°。

本发明仅对荧光显微镜与CCD相机的连接光路进行改造，在光路的中间加入一分光镜，将经显微镜物镜入射的光线分成两路，一路至CCD相机，另一路至光电倍增管，为了除掉干扰信号，分别在分光镜与CCD相机和光电倍增管之间放置特定波长的滤光片完成对信号的分离。在分光镜与CCD相机之间放置的滤光片的通过波长与荧光染料(荧光蛋白)的发射光谱的峰值相当；在分光镜与PMT之间放置的滤光片的通过波长与塑料闪烁体的发射光谱的峰值相当。这种方法有效的解决了原来部分前置探测系统无法工作于实时探测的工作模式，而且无需对微束注入系统部分和显微镜的内部光路进行改造，结构简单，工作稳定可靠。

本发明利用分光镜和滤光片分离光信号，除去了不同的波长的光之间的相互干扰，有效的解决了有效信号淹没于背景信号的问题。本发明无需对微束注入系统部分和显微镜内部光路进行改造，只改变外部光路，工艺要求简单且工作稳定可靠。本发明应用于单离子微束装置中，实现了微束平台的在线检测功能。

附图说明

图1为当前微束平台上通常所使用的两种离子探测模式，其中：图1(a)为部分前置探测模式，图1(b)为后置探测模式。

图2为本发明光路结构图。

具体实施方式

显微镜光路的改装：

如图2所示。对显微镜的第一C型接口适配器(c-mount adapter)4进行改装，首先在第一C型接口适配器4中间处加工一圆孔，直径与适配器直径相同并按C-mount标准加工成标准接口，把分光镜3固定在打好的圆孔中，保持分光镜的法线与第一C型接口适配器4轴线的夹角为45°。然后在第一C型接口适配器4中已安装好的分光镜3的上方安装滤光片1，在第二C型接口适配器5中的右部安装滤光片2并把第二C型接口适配器5安装在第一C型接口适配器4上。最后把CCD相机安装在第一C型接口适配器4，把光电倍增管安装在第二C型接口适配器5的右端。

离子探测系统的光学部分的光路及光学原理：

首先荧光显微镜的激发光源发出的光线由显微镜自带的滤光片变为所选择的荧光染料的激发波长的光线，激发光线经由物镜入射至待测样品11激发荧光染料，荧光染料发出荧光，同时单离子微束12发出的离子穿过塑料闪烁体13后，塑料闪烁体发出其特定波长的发射荧光，故光线6中所包含的光线包括激发光的反射光，待测样品11中荧光染料的发射光，塑料闪烁体13的发射光，光线6经分光镜3分为两束，但成分不变，光强减半，两束光线中一束向上为光线7，另一线光线水平向右为光线8。光线7向上入射至滤光片1，滤光片1的通过波长为荧光染料的发射波的峰值一致，经过滤光片1后，仅有荧光染料发出的发光的荧光9进入CCD相机成像。对于光线8入射至滤光片2，滤光片2的通过波长与塑料闪烁体13的发射波的峰值一致，经过滤光片2后，仅有塑料闪烁体13发出的荧光10被光电倍增管收集，通过后端电子学线路转化为辐照样品的离子个数，完成离子探测。

如辐照利用FITC荧光染料染色过的细胞样品，由于FITC的激发波长为495nm，发射谱的峰值在519nm，所以荧光显微镜的自带滤光片转至黄色滤光片，而滤光片1则采用EF520/10nm。由于塑料闪烁体的发射光谱的峰值为423nm，则滤光片2则采用EF420/10nm。

Claims (3)

1.一种基于分光镜的应用于单离子微束装置的离子探测系统，包括有CCD相机、荧光显微镜及单离子微束，所述荧光显微镜的物镜下方设置有塑料闪烁体，待测样品放置于所述荧光显微镜的物镜与所述塑料闪烁体之间，所述待测样品中有荧光染料，所述单离子微束的出射口位于所述塑料闪烁体下方，其特征在于：所述CCD相机与所述荧光显微镜的物镜之间依次设置有第一滤光片、分光镜，所述分光镜倾斜放置，其透射面朝向所述CCD相机，所述第一滤光片位于所述分光镜与所述CCD相机之间，所述分光镜反射面一侧设置有光电倍增管，分光镜与光电倍增管之间设置有第二滤光片，所述第一滤光片其通过波长与待测样品中的荧光染料发射光谱峰值一致，所述第二滤光片其通过波长与所述塑料闪烁体发射光谱的峰值一致；荧光显微镜的发射光照射至待测样品，被待测样品反射，并激发待测样品中的荧光染料发出荧光，同时单离子微束发射出离子轰击待测样品，离子穿过塑料闪烁体时塑料闪烁体发出荧光，待测样品反射光、荧光染料发出的荧光及塑料闪烁体发出的荧光分别通过荧光显微镜的物镜入射至分光镜，光线经分光镜被分为两部分光束，成分不变，光强减半，其中一束光透射过分光镜并入射至第一滤光片，另一束光被分光镜反射并入射至第二滤光片，第一、第二滤光片分别将一部分光滤去，荧光染料发出的荧光通过第一滤光片并被CCD相机接收，塑料闪烁体发出的荧光通过第二滤光片并被光电倍增管接收。

2.根据权利要求1所述的一种基于分光镜的应用于单离子微束装置的离子探测系统，其特征在于：包括第一C型接口适配器及第二C型接口适配器，所述CCD相机与所述荧光显微镜的物镜分别安装在第一C型接口适配器两端的接口上，所述光电倍增管安装在所述第二C型接口适配器一端接口上，所述第一C型接口适配器中间开有直径与第一C型接口适配器相同的圆孔，所述分光镜固定在所述圆孔内部，分光镜法线与所述第一C型接口适配器轴线之间成一定角度，所述第一滤光片固定在第一C型接口适配器内部并位于CCD相机与分光镜之间，所述圆孔被加工成与第二C型接口适配器两端接口配合的标准接口，所述第二C型接口适配器通过另一端接口及所述圆孔加工成的标准接口安装在第一C型接口适配器上，所述第二滤光片固定在第二C型接口适配器内部。

3.根据权利要求2所述的一种基于分光镜的应用于单离子微束装置的离子探测系统，其特征在于：分光镜法线与所述第一C型接口适配器轴线之间夹角为45°。

Images