CN103499562A - 一种正置与倒置联用的共聚焦激光光镊拉曼光谱测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正置与倒置联用的共聚焦激光光镊拉曼光谱仪系统装置。装置由半导体拉曼激光器、空间滤波器、短通二向色分束光路系统、光谱仪、正置显微镜和倒置显微镜构成，激光器与空间滤波器之间以光路方式相连；空间滤波器与短通二向色分束光路系统以光路方式相连；短通二向色分束光路系统与正置显微镜之间以光路方式相连；短通二向色分束光路系统与拉曼检测仪之间以光纤方式连接；短通二向色分束光路系统与正置显微镜之间以光路方式相连；短通二向色分束光路系统与倒置显微镜之间通过反射镜以光路方式相连。检测过程中保证细胞的活性，对细胞进行生化分析。正置与倒置激光光镊拉曼光谱系统之间可以通过一个装有45°反射镜的转盘灵活方便进行切换，既可以组合使用也可以单独使用。

Description

一种正置与倒置联用的共聚焦激光光镊拉曼光谱测试装置

技术领域

本发明涉及一种将正置与倒置联用的共聚焦激光光镊拉曼光谱测试装置，该装置能够实现对微米级透明物质进行光镊捕获和拉曼光谱测试，特别适合对细胞或者细胞器研究。对获得的拉曼光谱数据进行分析，可以区分和鉴别生物细胞微小结构或生化成分变化。

背景技术

激光光镊拉曼系统是一项将激光光镊与拉曼光谱相结合的光学技术，它是当今生物领域中单细胞分子水平研究的热门工具，具有无损、快速、实时检测等特点。现在国际上其它研究小组搭建起来的大部分是倒置的激光光镊拉曼系统，但是它存在的一些不足：激光从物镜到细胞需要经过油镜镜油和盖玻片，才能实现对细胞的抓捕，但这样测试的光谱信号很容易受到镜油和盖玻片背景信号的干扰，同时不能够充分有效利用油镜镜头的数值孔径，而且抓捕的细胞只能局限于盖玻片上方的15微米左右的细胞，对其它位置的细胞无法进行光镊捕获，给实际操作带来很大不便；而正置光镊系统虽然能够水镜镜头伸到溶液中的任意深度进行细胞捕获，但水镜镜头的数值孔径偏小，利用正置系统进行细胞抓捕时需要较大的激光功率，所以难以实现对质量较大的细胞或其它微粒的光镊捕获。鉴于正置和倒置激光光镊拉曼系统的各自优缺点，本发明组建的这套正置与倒置联用的共聚焦激光光镊拉曼光谱装置，可以充分利用它们各自的优点，根据具体情况灵活选择正置或者倒置显微镜系统，对微米级透明物质进行光镊捕获和拉曼光谱测试。

发明内容

本发明的任务是通过自行搭建正置与倒置联用的激光光镊拉曼光谱测试装置，实现对活性细胞的捕获并且可以同时进行拉曼光谱测试。

为实现本发明设计目的采用的技术方案是：装置由半导体拉曼激光器、空间滤波器、短通二向色分束光路系统、光谱仪、正置显微镜和倒置显微镜构成，其中激光器与空间滤波器之间通过反射镜A、反射镜B以光路方式相连；空间滤波器与短通二向色分束光路系统通过反射镜C、反射镜D以光路方式相连；短通二向色分束光路系统与正置显微镜之间以光路方式相连；短通二向色分束光路系统与拉曼检测仪之间以光纤方式连接；短通二向色分束光路系统与正置显微镜之间通过反射镜E以光路方式相连；短通二向色分束光路系统与倒置显微镜之间通过反射镜F、反射镜G、反射镜H以光路方式相连。

所述的半导体拉曼激光器波长为785nm单模半导体拉曼激光器。

所述的空间滤波器由同光轴设置的凸透镜A、针孔、凸透镜B和带通滤色片组成，激光器发出的激光依次通过凸透镜A、针孔、凸透镜B和带通滤色片。

所述的短通二向色分束光路系统由短通二向色分束镜、凸透镜C、陷波滤色片和光纤连接器组成，空间滤波器反射出的激光，以45°的入射角入射到短波通二向色分束镜并穿过分束镜后直行进入正置显微镜中；由正置显微镜反射回来的拉曼信号经该分束镜以90°的反射角反射后入射到凸透镜C、陷波滤色片、光纤并最后被光谱仪接收。

首先让波长为785nm单模半导体激光器输出的激光经平面反射镜A、反射镜B反射后进入空间滤波器中同光轴设置的凸透镜A、针孔、凸透镜B和带通滤色片。空间滤波器的作用是进一步优化单模激光的输出模式，有利于后面实现对细胞稳定的光镊捕获。

从带通滤色片出射的激光被反射镜C、反射镜D反射后以45°的入射角入射到短通二向色分束光路系统中设置的短波通二向色分束镜并透射过该分束镜，激光被导入到一个正置显微镜中。正置显微镜上方设置有一个呈45°安装的反射镜E，利用反射镜E可以将激光导入到正置显微镜镜筒中进而实现对正置显微镜下方细胞培养皿A中细胞的捕获，同时这束激光还作为激发光激发细胞拉曼信号，所激发的细胞拉曼信号以180°反向反射回来，经正置显微镜、反射镜E反射后又被二向色分束镜反射，进入焦距为150mm的凸透镜C聚焦，再通过陷波滤色片滤除被散射回来的少量激光，最后将纯拉曼信号汇聚、耦合到芯径为50微米的光纤。该光纤既是用来接收拉曼光谱信号，同时光纤端面又相当于50微米的针孔，可以实现共聚焦的光路结构，滤除杂散光信号。

经过光纤将拉曼信号传输到光谱仪探测拉曼光谱信号并最终通过电脑显示器显示出来。

如果需要利用倒置显微镜进行细胞光镊捕获和拉曼检测，可以通过移动正置显微镜中反射镜E，让激光直接穿过正置显微镜，被反射镜F、反射镜G和反射镜H反射将激光导入到倒置显微镜中，同时利用倒置显微镜中配置的100倍油镜镜头可以更加容易实现对细胞的光镊捕获。同时这束激光还作为激发光激发细胞拉曼信号，所激发的细胞拉曼信号以180°反向反射回来，经倒置显微镜、反射镜G、反射镜F反射后被短波通二向色分束镜反射进入一焦距为150mm的汇聚透镜聚焦，拉曼信号再通过一陷波滤色片滤除被散射回来的激光，最后将纯拉曼信号汇聚、耦合到芯径为50微米的光纤，经过该光纤将拉曼信号传输到光谱仪探测拉曼光谱信号并最终通过电脑显示器显示出来。

利用这套正置与倒置联用的共聚焦激光光镊拉曼光谱仪装置，我们可以充分利用正置与倒置光路两者的优点，根据实际情况，方便、灵活选择正置或倒置系统进行活性细胞的快速捕获，并且通过拉曼光谱对细胞的生化成分进行实时检测与分析。

附图说明

图1是本发明的装置结构原理示意图。

具体实施方式

为对本发明有更深刻的理解，下面结合附图，以实施例的方式对本发明进行进一步的说明。

图1中，1是反射镜A；2是单模半导体拉曼激光器；3是反射镜D；4是短通二向色分束镜；5是反射镜E；6是反射镜F；7是细胞培养皿B；8是倒置显微镜；9是反射镜H；10是反射镜G；11是正置显微镜；12是细胞培养皿A；13是光纤连接器；14是拉曼光谱仪；15是光纤；16是陷波滤色片；17是凸透镜C；18是反射镜C；19是带通滤色片；20是凸透镜B；21是针孔；22是凸透镜A；23是反射镜B。

实施例1

首先单模半导体拉曼激光器输出785nm激光，经反射镜A 1和反射镜B 23反射后依次通过凸透镜A 22、针孔21、凸透镜B 20、带通滤色片19、反射镜C 18和反射镜D 3后，激光以45°的入射角入射到785nm短波通二向色分束镜4并透射过该分束镜，激光被导入到一个装有45°反射角的反射镜E 5反射进入正置显微镜11，直至正置显微镜11中的63倍莱卡水镜镜头，出射的激光对水镜下方细胞培养皿A 12中的活性细胞进行捕获，此时激光功率为10mw左右。通过显微镜中自带的CCD来观察细胞是否被稳定的捕获在激光焦点所形成是势阱中。当细胞被捕获在光镊势井中时，利用这束激光同时作为激发光激发细胞拉曼信号。从180°反向反射回来的细胞拉曼信号经水镜镜头接收、反射镜E 5反射后被二向色分束镜4反射进入凸透镜C 17汇聚，拉曼信号再通过一陷波滤色片16滤除少量被散射回来的激光，最后通过光纤连接器13将纯拉曼信号汇聚、耦合到芯径为50微米的光纤15，经过光纤15将拉曼信号传输到光谱仪14探测拉曼光谱信号并最终通过电脑显示器显示出来。

上述激光器为785nm单模半导体拉曼激光器（厂家：上海熙隆光电科技有限公司，型号：SL-785-XXX），发出的激光最大功率为100mW；正置显微镜为莱卡品牌；Kaiser光谱仪（型号：HoloSpec-f_2.2-NIR）；反射镜型号：PF10-03-P01-10空间滤波器（KT310），凸透镜（型号：LA1608-B-ML），带通滤色片（型号：FL780-10），二向色分束镜（LPD01-785RU-25）、陷波滤色片(NF01-785U-25)、购自于Thorlab公司；光纤(QP100-2-VIS-NIR)及其适配器。凸透镜（C220TME-B），f=11mm；凸透镜（LA1805-B），f=30mm。

实施例2

转动正置显微镜11中上方反射镜E 5移出光路，让激光直接发射到反射镜F 6，再经反射镜G 10、反射镜H 9的反射，将激光导入到倒置显微镜8中，同时利用倒置显微镜8中配置的高数值孔径的100倍油镜镜头可以更加容易实现对细胞的光镊捕获和拉曼光谱测试。

上述激光器为785nm单模半导体拉曼激光器（厂家：上海熙隆光电科技有限公司，型号：SL-785-XXX），发出的激光最大功率为100mW；正置显微镜为莱卡品牌；Kaiser光谱仪（型号：HoloSpec-f_2.2-NIR）；反射镜型号：PF10-03-P01-10空间滤波器（KT310），凸透镜（型号：LA1608-B-ML），带通滤色片（型号：FL780-10），二向色分束镜（LPD01-785RU-25）、陷波滤色片(NF01-785U-25)、购自于Thorlab公司；光纤(QP100-2-VIS-NIR)及其适配器。凸透镜（C220TME-B），f=11mm；凸透镜（LA1805-B），f=30mm。

Claims (4)

1. 一种正置与倒置联用的共聚焦激光光镊拉曼光谱测试装置，其特征在于装置由半导体拉曼激光器、空间滤波器、短通二向色分束光路系统、光谱仪、正置显微镜和倒置显微镜构成，其中激光器与空间滤波器之间通过反射镜A、反射镜B以光路方式相连；空间滤波器与短通二向色分束光路系统通过反射镜C、反射镜D以光路方式相连；短通二向色分束光路系统与正置显微镜之间以光路方式相连；短通二向色分束光路系统与拉曼检测仪之间以光纤方式连接；短通二向色分束光路系统与正置显微镜之间通过反射镜E以光路方式相连；短通二向色分束光路系统与倒置显微镜之间通过反射镜F、反射镜G、反射镜H以光路方式相连。

2. 根据权利要求1所述的一种正置与倒置联用的共聚焦激光光镊拉曼光谱测试装置，其特征在于所述的半导体拉曼激光器波长为785nm单模半导体拉曼激光器。

3. 根据权利要求1所述的一种正置与倒置联用的共聚焦激光光镊拉曼光谱测试装置，其特征在于所述的空间滤波器由同光轴设置的凸透镜A、针孔、凸透镜B和带通滤色片组成，激光器发出的激光依次通过凸透镜A、针孔、凸透镜B和带通滤色片。

4. 根据权利要求1所述的一种正置与倒置联用的共聚焦激光光镊拉曼光谱测试装置，其特征在于所述的短通二向色分束光路系统由短通二向色分束镜、凸透镜C、陷波滤色片和光纤连接器组成。