CN108693161A - 拉曼光谱成像点扩散函数检测模体及其制备方法和应用 - Google Patents

拉曼光谱成像点扩散函数检测模体及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种拉曼光谱成像点扩散函数检测模体及其制备方法和应用，模体由基底和颗粒两部分组成；颗粒分散于基底中；所述基底和/或颗粒能在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号。当基底和颗粒均能在激光的激发下产生光谱信号时，两者的光谱信号在信号强度、峰位置、峰宽参数上不同。该模体可用于检测拉曼光谱成像系统的一维点扩散函数、二维点扩散函数和三维点扩散函数；点扩散函数检测结果可用于计算得到拉曼光谱成像系统在水平和竖直方向上的空间分辨率；点扩散函数检测结果可用于计算得到拉曼光谱成像系统的线扩散函数、调制传递函数等；可用于拉曼光谱成像系统的性能测试和计量校准。

Description

拉曼光谱成像点扩散函数检测模体及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及拉曼光谱成像技术领域，特别是涉及一种拉曼光谱成像点扩散函数检测模体。
背景技术
拉曼光谱是一种散射光谱，反映了分子的振动和转动信息，是一种物质分析方法。拉曼光谱成像技术是将拉曼光谱与成像技术结合，通过对被测样品进行扫描测量，获取每一个点的拉曼光谱。再从拉曼光谱中提取关键信息，并以此绘制成样品的二维或三维拉曼光谱图像。拉曼光谱图像的每个像素都包含样品在该点的完整拉曼光谱，而图像的颜色或灰度对应了样品在该点的拉曼光谱的频移、峰高、峰面积等信息。
以拉曼光谱共焦显微成像系统为例进行说明。测量时，将样品置于显微镜的样品台上，激光通过显微镜会聚在样品表面，激发样品产生拉曼光谱信号。样品发出的拉曼光谱信号通过显微镜收集，再通过光谱仪测量、分析可得到样品在该点的拉曼光谱信号。拉曼光谱信号反映了样品的分子振动信息，具有指纹特性。样品台带动样品进行水平方向(横向)上的运动，同时，仪器测量样品不同位置的拉曼光谱信息，即可获得样品的二维拉曼光谱图像。样品台还可带动样品进行竖直方向(纵向)上的运动，结合样品的三维运动和仪器的拉曼光谱测量，可获得样品的三维拉曼光谱图像。
点扩散函数：对于光学成像系统，输入物为一点光源时其输出像的光场分布，称为点扩散函数。
空间分辨率：光学成像系统能分辨物体空间几何长度的最小极限。
横向分辨率：光学成像系统在水平方向上的空间分辨率。
纵向分辨率：光学成像系统在竖直方向上的空间分辨率。
点扩散函数是拉曼光谱成像系统的重要技术指标，反映了系统的成像质量。根据点扩散函数，还可计算出拉曼成像的横向分辨率和纵向分辨率，是评价仪器空间分辨能力的客观指标。点扩散函数受成像系统的光学结构、激光波长、针孔尺寸、物镜放大倍数等多个参数所决定，难以通过理论计算获得。本专利所提出的检测模体可用于检测拉曼光谱成像系统的点扩散函数，是拉曼成像性能的客观评价手段，可为生产企业研发制造和质量检验以及用户日常使用的检测工具，也可为计量部门和质检部门提供依据。
为了实现拉曼成像性能的客观评价，需要一种检测模体，可测量拉曼光谱成像系统的点扩散函数。
发明内容
本发明的目的是提供一种拉曼光谱成像点扩散函数检测模体及其制备方法和应用。
一种拉曼光谱成像点扩散函数检测模体，由基底和颗粒两部分组成；颗粒分散于基底中；所述基底和/或颗粒能在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号。
本发明所述的拉曼光谱成像点扩散函数检测模体，其中，所述基底的材料为透光介质，形态为固体、流体或半流体，形状稳定；所述颗粒的形态为固体，形状为任意形状；同一个模体中有多个不同材料或不同尺寸的颗粒。
本发明所述的拉曼光谱成像点扩散函数检测模体，其中，所述颗粒为球形。
本发明所述的拉曼光谱成像点扩散函数检测模体，其中，当基底和颗粒均能在激光的激发下产生光谱信号时，两者的光谱信号在信号强度、峰位置、峰宽参数上不同。
本发明所述的拉曼光谱成像点扩散函数检测模体，其中，所述基底的材料为聚二甲基硅氧烷，所述颗粒的材料为聚苯乙烯微球。
本发明任一所述的拉曼光谱成像点扩散函数检测模体的制备方法，包括以下步骤：
称取一定质量的聚苯乙烯微球粉末，将其加入为聚二甲基硅氧烷中，利用超声振荡混匀直至微球均匀分散在为聚二甲基硅氧烷中；
将聚二甲基硅氧烷固化剂加入含有微球的聚二甲基硅氧烷，其中，聚二甲基硅氧烷固化剂和聚二甲基硅氧烷的体积比为1:10，振荡混匀；
将混匀后的混合材料置入模具中，再放入真空容器中抽真空；将盛有混合材料的模具置于温度为80℃的烤箱中保持20分钟，材料即可固化，从模具中取出，形成稳定状态，即得到拉曼光成像点扩散函数检测模体。
本发明任一所述的模体检测得到点扩散函数的实验方法，包括以下步骤：
利用系统的成像装置观察模体表面，并进行调焦；选择要测量的颗粒，使其位于激光焦点处；
以此位置为原点，在一定范围内对颗粒进行拉曼成像，获得一组测量结果；
读取每一个位置的拉曼光谱测量结果。
本发明任一所述的模体利用颗粒的光谱信号得到点扩散函数的实验方法，包括以下步骤：利用系统的成像装置观察模体表面，并进行调焦；选择要测量的颗粒，使其位于激光焦点处；
选择颗粒的特征光谱信号，以位置坐标作为自变量，以其强度或峰面积参数为因变量，得到拉曼成像系统的点扩散函数；
围绕被测颗粒在x、y或z方向进行一维扫描测量，得到一维点扩散函数；
围绕颗粒在xy、yz或xz方向进行二维成像测量，得到二维点扩散函数；
围绕颗粒在xyz方向进行三维成像测量，得到三维点扩散函数，三维点扩散函数测量结果用三维数据矩阵表示。
本发明任一所述的模体利用基底的光谱信号得到点扩散函数的实验方法，包括以下步骤：利用系统的成像装置观察模体表面，并进行调焦；选择要测量的颗粒，使其位于激光焦点处；
选择基底的特征光谱信号，以位置坐标作为自变量，以其强度或峰面积参数为因变量，即可得到反向的点扩散函数，经过计算将反向点扩散函数转化为系统的点扩散函数。
拉曼光谱成像点扩散函数检测模体可用于测量拉曼光谱成像系统的点扩散函数，该模体达到的效果如下：
(1)构成模体的基底和颗粒其一可在激光照射下产生大于激光波长的光谱信号，或者两者皆可产生光谱信号但有所区别；
(2)颗粒可模拟点物，对拉曼光谱成像系统的点扩散函数进行测量；
(3)可用于检测拉曼光谱成像系统的一维点扩散函数、二维点扩散函数和三维点扩散函数；
(4)点扩散函数检测结果可用于计算得到拉曼光谱成像系统在水平和竖直方向上的空间分辨率；
(5)点扩散函数检测结果可用于计算得到拉曼光谱成像系统的线扩散函数、调制传递函数等。
(6)可用于拉曼光谱成像系统的性能测试和计量校准。
下面结合附图说明和具体实施例对本发明所述的拉曼光谱成像点扩散函数检测模体及其制备方法和应用作进一步说明。
附图说明
图1为本发明的拉曼光谱成像点扩散函数检测模体的结构示意图；
图2为拉曼成像点扩散函数检测原理示意图；
图3为一维点扩散函数测量结果示意图；
图4为二维点扩散函数测量结果示意图；
图5为反向的点扩散函数结果示意图。
具体实施方式
实施例1
一种拉曼光谱成像点扩散函数检测模体，由基底和颗粒两部分组成；颗粒分散于基底中；基底和颗粒能在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号。基底的材料为透光介质，形态为固体，形状稳定；颗粒的形态为固体，形状为球形；同一个模体中有多个不同材料或不同尺寸的颗粒。
在其他变形实施例中，基底形态也可以为流体或半流体；颗粒的也可以为其他任意形状。
当基底和颗粒均能在激光的激发下产生光谱信号时，两者的光谱信号在信号强度、峰位置、峰宽参数上不同。
其中，基底材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，颗粒材料为聚苯乙烯微球(PS)。
模体的制备方法为：称取一定质量的聚苯乙烯微球粉末，将其加入PDMS中，利用超声振荡混匀直至微球均匀分散在PDMS中；将PDMS固化剂按照体积比1:10(固化剂：PDMS)的比例，加入含有微球的PDMS中，振荡混匀；将混匀后的混合材料置入模具中，再放入真空容器中抽真空，以消除材料中的气泡；将盛有混合材料的模具置于温度为80℃的烤箱中保持20分钟，材料即可固化从模具中取出，形成如图1所示的稳定状态，即得到拉曼光成像点扩散函数检测模体。
利用模体检测得到点扩散函数的实验方法，包括以下步骤：
如图2所示，利用系统的成像装置观察模体表面，并进行调焦；选择要测量的颗粒，使其位于激光焦点处；
以此位置为原点，在一定范围内对颗粒进行拉曼成像，获得一组测量结果；
读取每一个位置的拉曼光谱测量结果。
利用颗粒的光谱信号得到点扩散函数的实验方法，包括以下步骤：利用系统的成像装置观察模体表面，并进行调焦；选择要测量的颗粒，使其位于激光焦点处；
选择颗粒的特征光谱信号，以位置坐标作为自变量，以其强度或峰面积参数为因变量，得到拉曼成像系统的点扩散函数；
围绕被测颗粒在x、y或z方向进行一维扫描测量，得到一维点扩散函数；
围绕颗粒在xy、yz或xz方向进行二维成像测量，得到二维点扩散函数；
围绕颗粒在xyz方向进行三维成像测量，得到三维点扩散函数，三维点扩散函数测量结果用三维数据矩阵表示。
利用基底的光谱信号得到点扩散函数的实验方法，包括以下步骤：利用系统的成像装置观察模体表面，并进行调焦；选择要测量的颗粒，使其位于激光焦点处；
选择基底的特征光谱信号，以位置坐标作为自变量，以其强度或峰面积参数为因变量，即可得到反向的点扩散函数，经过计算将反向点扩散函数转化为系统的点扩散函数。
实施例2
如图2，将实施例1制得的模体置于激光显微拉曼光谱成像系统的显微镜样品台上，选择100x物镜，调节样品台使模体中的一个颗粒位于显微物镜的焦点上。选用氦氖激光器作为激发光源，以颗粒所在位置为原点，围绕颗粒所在位置沿水平或竖直方向进行拉曼光谱成像测量。
选择在x方向进行一维成像测量时，x方向扫描范围为(-10～10)μm，扫描间距为0.1μm，测量每个点的曝光时间为5s。PDMS基底与PS颗粒在激光(例如：514nm、532nm、633nm、785nm、830nm等波长的激光)照射下均可产生拉曼光谱信号，选择PS在1001cm-1附近的拉曼峰，以该拉曼峰的强度作为因变量并进行归一化，以成像的位置作为自变量，即可得到一维点扩散函数，如图3所示。
选择在xy方向进行二维成像测量时，x方向和y方向扫描范围均为(-10～10)μm，扫描间距均为0.1μm，测量每个点的曝光时间为5s。选择PS在1001cm-1附近的拉曼峰，以该拉曼峰的强度作为因变量并进行归一化，以成像的位置作为自变量，即可得到二维点扩散函数，如图4所示。
此外，选择PDMS的一个特征拉曼光谱峰，以峰的强度作为因变量，以成像的位置作为自变量，即可得到反向的点扩散函数。在x方向进行一维成像测量，x方向扫描范围为(-10～10)μm，扫描间距为0.1μm，测量每个点的曝光时间为5s。选择PDMS在2904cm-1附近的拉曼峰，以该拉曼峰的强度作为因变量并进行归一化，以成像的位置作为自变量，即可得到反向的一维点扩散函数，如图5所示。
点扩散函数的半高宽即为系统在该方向上的空间分辨率。
根据点扩散函数可容易地计算得到线扩散函数、调制传递函数等。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种拉曼光谱成像点扩散函数检测模体，其特征在于：由基底和颗粒两部分组成；颗粒分散于基底中；所述基底和/或颗粒能在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号。
2.根据权利要求1所述的拉曼光谱成像点扩散函数检测模体，其特征在于：所述基底的材料为透光介质，形态为固体、流体或半流体，形状稳定；所述颗粒的形态为固体，形状为任意形状；同一个模体中有多个不同材料或不同尺寸的颗粒。
3.根据权利要求2所述的拉曼光谱成像点扩散函数检测模体，其特征在于：所述颗粒为球形。
4.根据权利要求3所述的拉曼光谱成像点扩散函数检测模体，其特征在于：当基底和颗粒均能在激光的激发下产生光谱信号时，两者的光谱信号在信号强度、峰位置、峰宽参数上不同。
5.根据权利要求4所述的拉曼光谱成像点扩散函数检测模体，其特征在于：所述基底的材料为聚二甲基硅氧烷，所述颗粒的材料为聚苯乙烯微球。
6.根据权利要求1-5任一所述的拉曼光谱成像点扩散函数检测模体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
称取一定质量的聚苯乙烯微球粉末，将其加入为聚二甲基硅氧烷中，利用超声振荡混匀直至微球均匀分散在为聚二甲基硅氧烷中；
将聚二甲基硅氧烷固化剂加入含有微球的聚二甲基硅氧烷，其中，聚二甲基硅氧烷固化剂和聚二甲基硅氧烷的体积比为1:10，振荡混匀；
将混匀后的混合材料置入模具中，再放入真空容器中抽真空；将盛有混合材料的模具置于温度为80℃的烤箱中保持20分钟，材料即可固化，从模具中取出，形成稳定状态，即得到拉曼光成像点扩散函数检测模体。
7.根据权利要求1-5任一所述的模体检测得到点扩散函数的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用系统的成像装置观察模体表面，并进行调焦；选择要测量的颗粒，使其位于激光焦点处；
以此位置为原点，在一定范围内对颗粒进行拉曼成像，获得一组测量结果；
读取每一个位置的拉曼光谱测量结果。
8.根据权利要求1-5任一所述的模体利用颗粒的光谱信号得到点扩散函数的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：利用系统的成像装置观察模体表面，并进行调焦；选择要测量的颗粒，使其位于激光焦点处；
选择颗粒的特征光谱信号，以位置坐标作为自变量，以其强度或峰面积参数为因变量，得到拉曼成像系统的点扩散函数；
围绕被测颗粒在x、y或z方向进行一维扫描测量，得到一维点扩散函数；
围绕颗粒在xy、yz或xz方向进行二维成像测量，得到二维点扩散函数；
围绕颗粒在xyz方向进行三维成像测量，得到三维点扩散函数，三维点扩散函数测量结果用三维数据矩阵表示。
9.根据权利要求1-5任一所述的模体利用基底的光谱信号得到点扩散函数的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：利用系统的成像装置观察模体表面，并进行调焦；选择要测量的颗粒，使其位于激光焦点处；
选择基底的特征光谱信号，以位置坐标作为自变量，以其强度或峰面积参数为因变量，即可得到反向的点扩散函数，经过计算将反向点扩散函数转化为系统的点扩散函数。
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