CN111380848A - 一种高光谱活体荧光分子成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种高光谱活体荧光分子成像系统包括用于承载样品的载物台和用于控制处理的计算机，载物台置于暗室箱体中，载物台上设有照明系统和生命维持系统，载物台的上方设有光源组件，载物台上方还设有用于接收样品受激发后发射荧光的接收装置，接收装置包括依次排列的滤光装置、成像镜头、面阵光电探测器和图像采集器，滤光装置为液晶可调谐滤波器或滤光片组，接收装置能够快速切换其透光波段以接收透光波段内受激发后发射的荧光，对样品进行荧光成像，同时通过快速采集每个波段激发荧光的光谱信息实现高光谱成像。该系统滤光波长连续可调，能提高光谱成像分辨率。本发明还提出一种高光谱活体荧光分子成像方法。

Description

一种高光谱活体荧光分子成像系统及方法

技术领域

本发明涉及一种高光谱活体荧光分子成像系统，属于光学技术领域。

背景技术

在生物检测领域，光谱成像技术主要应用于生物材料、生物组织、生物细胞、生物分子等的检测。对于一般生物材料和生物组织来说，由于不同材料或组织的反射或吸收光谱不同，可以直接通过检测反射或吸收光谱进行分析处理。而对于生物细胞这类对比度比较低，以及生物分子这类尺寸比较小的检测对象，不能直接通过检测目标物的反射或吸收光谱来分析处理。需要借助其他的方法途径，比如荧光探针、纳米材料等来间接获取检测单一或多目标的生物信息，以便进一步的处理分析。

活体荧光成像系统主要应用于活体状态下的生物学过程中组织、细胞乃至分子水平行为的定性、定量和定位研究，其中对于通过基因修饰或化学修饰而带上特异性光学分子标记的病毒的活体成像，荧光成像尤为适合。生物组织被特定波长的光激发后会发出荧光，并且在发育异常和癌变区域，生物组织的蓝绿自发荧光有衰减趋势，而红自发荧光有增强趋势，因此生物组织的自发荧光成像方法可以作为一种灵敏简单的病变检测途径。虽然生物组织的自发荧光可用来对某些疾病的检测和诊断，但是迄今为止，自发荧光的复杂性和相对微弱的信号水平阻碍了它在生物和医学领域的广泛应用。在微观领域，由于生物分子的尺寸很小，比如蛋白质分子，核酸分子，肿瘤分子等，一般在几个纳米到几十纳米之间，小于光的波长范围，对光的散射吸收效果不明显，因此不能直接通过光谱来检测生物分子。而荧光探针可以吸收特定频率的光子，从而激发出另一种频率的光子。通过检测新产生的光子，就能检测到荧光探针的存在。因此，荧光探针、纳米材料被广泛地应用在生物分子检测领域。

而目前活体荧光成像设备存在诸多不足，例如：光谱通道数量较少、切换光谱通道时间较长、以及机械切换滤光片时由于机械振动引起失焦以及体积庞大等缺点，无法满足日益增长的高精度、高分辨率、多组分的生物检测需求。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出一种高光谱活体荧光分子成像系统，能够在活体荧光成像系统中获得高光谱图像，并且滤光器件通光波长连续可调，能够实现多光谱荧光分离，实现快速收集每个光谱的二维或三维成像，能提高光谱成像分辨率。

为实现上述目的，本发明的一种高光谱活体荧光分子成像系统，包括用于承载样品的载物台和用于控制系统、处理信息的计算机，载物台置于暗室箱体中，载物台上还设有照明系统和生命维持系统，载物台的上方设有用于产生激发光的光源组件，光源组件包括一个或多个单波长的激发器组和光源匀化模块，载物台上方还设有用于接收样品受激发后发射荧光的接收装置，接收装置包括依次排列的滤光装置、成像镜头、面阵光电探测器和图像采集器，滤光装置为液晶可调谐滤波器或滤光片组，接收装置能够快速切换其透光波段以接收透光波段内受激发后发射的荧光，对样品进行荧光成像，同时通过快速采集每个波段激发荧光的光谱信息实现高光谱成像。

进一步地，样品内激发出的荧光依次经过滤光装置和成像镜头，会聚在面阵光电探测器表面，由面阵光电探测器将光信号转换为电信号，图像采集器将电信号数字化后存储在计算机中。

进一步地，液晶可调谐滤波器上设有控制其透过光波长的控制模块，控制模块连接在计算机上，液晶可调谐滤波器能够快速切换其透光波段以滤除透光波段以外的杂散光。

进一步地，滤光片组放置在滤光片轮上，滤光片轮上连接有电机，电机连接在计算机并由计算机控制，滤光片组包含多个不同透光波段的滤光片。

进一步地，滤光装置背离成像镜头的一端连接有用于过滤激发光的激发器组滤光片。

进一步地，光源匀化模块设置在激发器组射出光线的一端并使光均匀照射在载物台表面上。

进一步地，激发器组包括一个或多个激光器，激光器连接在激光器驱动模块上，激光器驱动模块连接在计算机上，激发器组的激发光波长为400nm-1600nm，激发器组的激发光波长为405nm、488nm、561nm、640nm、785nm、808nm、980nm或1064nm。

进一步地，面阵光电探测器包括EMCCD、CCD、coms、scoms、InGaAs。

进一步地，成像镜头包括定焦镜头、变焦镜头、体视镜、显微物镜。

本发明的一种高光谱活体荧光分子成像方法，包括如下步骤：

S1：单波长的激发器组经过光源匀化模块均匀照射载物台上的样品，样品中的生物分子或荧光探针受激后发射荧光；

S2：计算机调节液晶可调滤波器透过的波长，或转动滤光片轮，将荧光进行二维空间分光，分为若干窄带光谱，荧光通过成像镜头在面阵光电探测器上成像，并采集连续的光谱图像或采集单帧的光谱图像；

S3：面阵光电探测器经成像镜头会聚的光信号由光电探测器转换为电信号，经图像采集器数字化后保存于计算机中；

S4：计算机对获取的一系列光谱信息进行数据处理，显示处理结果。

本发明的一种高光谱活体荧光分子成像系统可以对待检测样品活体状态下的生物学过程实时观察，通过可调波长采集连续的光谱图像或采集单帧的光谱图像，在分子水平中进行定性、定量、定位的精准研究。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描写和阐述。

图1是本发明首选实施方式的一种高光谱活体荧光分子成像系统的结构示意图。

附图标记：1、面阵光电探测器；2、成像镜头；3、滤光装置；4、激发器组滤光片；5、样品；6、载物台；7、激发器组；8、光源匀化模块；9、计算机。

具体实施方式

下面将结合附图、通过对本发明的优选实施方式的描述，更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。

实施例1：如图1所示，本发明首选实施方式的一种高光谱活体荧光分子成像系统，包括用于承载样品5的载物台6，载物台6置于暗室箱体中，载物台6上还设有照明系统和生命维持系统。载物台6的上方设有光源组件和接收装置，接收装置位于载物台的正上方，光源组件与样品5之间的连线与水平方向之间的夹角成锐角。光源组件和接收装置上还连接有计算机9。

光源组件包括激发器组7和光源匀化模块8，光源匀化模块8设置在激发器组7射出光线的一端并使光均匀照射在载物台6上。激发器组7包括一个或多个激光器，激光器连接在激光器驱动模块上，激光器驱动模块连接在计算机9上，在多个激光器的情况下由计算机9快速切换激发器组7的发射波长，并且由计算机9控制激光器开关。

接收装置包括依次排列的滤光装置、成像镜头2、面阵光电探测器1和图像采集器，经过成像镜头2会聚的光信号由面阵光电探测器1转换为电信号，图像采集器将电信号数字化后存储在计算机9中。成像镜头2包括定焦镜头、变焦镜头、体视镜、显微物镜。面阵光电探测器1包括EMCCD、CCD、coms、scoms、InGaAs。

滤光装置采用液晶可调谐滤波器3对荧光进行分光，液晶可调谐滤波器3上设有控制其透过光波长的控制模块，控制模块连接在计算机9上。液晶可调谐滤波器3背离成像镜头2的一端设有用于过滤激发光的激发器组滤光片4。液晶可调谐滤波器(LCTF)是基于液晶分子的双折射效应和偏振光干涉原理设计的。LCTF为Lyot型可调谐双折射滤光器件，由平行排列的若干Lyot部件级联而成，每一级均包含有两个相互平行的偏振片，中间的相位延迟片由不同厚度的石英片和可调谐的液晶延迟片所组成。自然光经过偏振片后成为线偏振光，线偏振光在石英片和液晶延迟片时，由于石英和液晶的双折射效应，会产生平形于光轴振动的非寻常光(e光)，和垂直于光轴振动的寻常光(o光)，两者在同一方向传播，但由于二者在延迟片内部的传播速度不同，因此在出射时具有一定的光程差。最后在透过P2偏振片时，由于其振动方向相同，因此会产生干涉作用，从而形成类似于正弦波的透过曲线。而且通过对液晶盒两面加上不同强度的电压，可以使液晶分子轴随着电场方向发生偏转，改变o光和e光的光程差，即改变了二者干涉的相位差，从而可定量调整其透过率曲线，从而对透射曲线的波形进行调制。最后通过多组Lyot片级联，可对透过波形的带宽进一步压缩，最终可实现对透过波段的选择。

一种高光谱活体荧光分子成像方法，包括如下步骤：

S1：单波长的激发器组7经过光源匀化模块8均匀照射载物台6上的样品5，样品5中的生物分子或荧光探针受激后发射荧光；

S2：计算机9调节可调液晶滤光片透过的波长，将荧光进行二维空间分光，分为若干窄带光谱，荧光通过成像镜头2在面阵光电探测器1上成像，采集连续的光谱图像或采集单帧的光谱图像；

S3：面阵光电探测器1经成像镜头2会聚的光信号由光电探测器转换为电信号，经图像采集器数字化后保存于计算机9中；

S4：计算机9对获取的一系列光谱立方体进行数据处理，显示处理结果。

激发光均匀照射在样品5上，对发射的荧光进行分光，以波长序列记录样品5二维空间的荧光，该方法利用了荧光的波长与其激发光波长的差异，克服了光源的影响，最后形成样品5的荧光光谱立方体。通过分析该荧光光谱立方体数据，可以对样品5进行定位、定性和定量的分析。与传统光谱检测技术相比，高光谱成像技术在生物医学检测方面具有更高的应用价值。

实施例2：一种高光谱活体荧光分子成像系统，与实施例1的区别在于，滤光装置采用滤光片组，所述滤光片组包含多个不同透光波段的滤光片，滤光片的波段差异在±50nm以内，滤光片组放置在滤光片轮上，滤光片轮上连接有电机，电机连接在计算机上并由计算机控制，同样能够快速采集每个光谱的二维或三维成像，实现多光谱荧光分离、多信息组分拆分等相关目的。

综上所述，本发明的一种高光谱活体荧光分子成像系统具有以下优点：

1、采用高光谱成像技术应用于活体荧光成像研究，实现光学生物成像技术的高空间分辨率、高时间分辨率、高光波长分辨率、高灵敏度、高组分分析的成像技术，进行活体状态下的生物学过程实时观察，在分子水平中进行定性、定量、定位的精准研究；

2、采用液晶可调谐滤波器3，液晶可调谐滤波器3的透过波段范围连续可调、切换速度快、光谱扫描速度快、操作简单、选通波长带宽窄、光谱分辨率高、无移动部件、没有机械抖动、孔径大、视场角大、体积小、并具有良好的光学特性；

3、采用高光谱成像技术，通过窄带滤光片将交叠的荧光光谱区域通过算法分离，实现荧光光谱分离，对荧光标记物精准的定量分析；

4、采用大靶面、高灵敏度、高QE、高光电效率的面阵光电探测器1作为成像原件，可以一个或者多个相机组合，实现400-1700nm宽、高光谱荧光采集；

5、可调制波段宽且连续可调，该系统适用多种生物荧光、荧光探针、纳米材料。另外，对于样品5体内的多种荧光标记，快速切换激发器组7，配合液晶可调谐滤波器3透光波段的调节，被激发出的荧光通过液晶可调谐滤波器3被成像镜头2会聚在面阵光电探测器1上，可扫描出样品5的高光谱图像。

上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。

Claims (10)

1.一种高光谱活体荧光分子成像系统，其特征在于，包括用于承载样品的载物台和用于控制系统、处理信息的计算机，所述载物台置于暗室箱体中，所述载物台上还设有照明系统和生命维持系统，所述载物台的上方设有用于产生激发光的光源组件，所述光源组件包括一个或多个单波长的激发器组和光源匀化模块，所述载物台上方还设有用于接收样品受激发后发射荧光的接收装置，所述接收装置包括依次排列的滤光装置、成像镜头、面阵光电探测器和图像采集器，所述滤光装置为液晶可调谐滤波器或滤光片组，所述接收装置能够快速切换其透光波段以接收透光波段内受激发后发射的荧光，对样品进行荧光成像，同时通过快速采集每个波段激发荧光的光谱信息实现高光谱成像。

2.如权利要求1所述的一种高光谱活体荧光分子成像系统，其特征在于，样品内激发出的荧光依次经过所述滤光装置和成像镜头，会聚在所述面阵光电探测器表面，由所述面阵光电探测器将光信号转换为电信号，所述图像采集器将电信号数字化后存储在计算机中。

3.如权利要求1所述的一种高光谱活体荧光分子成像系统，其特征在于，所述液晶可调谐滤波器上设有控制其透过光波长的控制模块，所述控制模块连接在计算机上，所述液晶可调谐滤波器能够快速切换其透光波段以滤除透光波段以外的杂散光。

4.如权利要求1所述的一种高光谱活体荧光分子成像系统，其特征在于，所述滤光片组放置在滤光片轮上，所述滤光片轮上连接有电机，所述电机连接在计算机并由计算机控制，所述滤光片组包含多个不同透光波段的滤光片。

5.如权利要求1所述的一种高光谱活体荧光分子成像系统，其特征在于，所述滤光装置背离成像镜头的一端连接有用于过滤激发光的激发器组滤光片。

6.如权利要求1所述的一种高光谱活体荧光分子成像系统，其特征在于，所述光源匀化模块设置在激发器组射出光线的一端并使光均匀照射在载物台表面上。

7.如权利要求1所述的一种高光谱活体荧光分子成像系统，其特征在于，所述激发器组包括一个或多个激光器，所述激光器连接在激光器驱动模块上，所述激光器驱动模块连接在计算机上，所述激发器组的激发光波长为400nm-1600nm，所述激发器组的激发光波长为405nm、488nm、561nm、640nm、785nm、808nm、980nm或1064nm。

8.如权利要求1所述的一种高光谱活体荧光分子成像系统，其特征在于，所述面阵光电探测器包括EMCCD、CCD、coms、scoms、InGaAs。

9.如权利要求1所述的一种高光谱活体荧光分子成像系统，其特征在于，所述成像镜头包括定焦镜头、变焦镜头、体视镜、显微物镜。

10.一种高光谱活体荧光分子成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：单波长的激发器组经过光源匀化模块均匀照射载物台上的样品，样品中的生物分子或荧光探针受激后发射荧光；

S2：计算机调节液晶可调滤波器透过的波长，或转动滤光片轮，将荧光进行二维空间分光，分为若干窄带光谱，荧光通过成像镜头在面阵光电探测器上成像，并采集连续的光谱图像或采集单帧的光谱图像；

S3：面阵光电探测器经成像镜头会聚的光信号由光电探测器转换为电信号，经图像采集器数字化后保存于计算机中；

S4：计算机对获取的一系列光谱信息进行数据处理，显示处理结果。

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