CN112378858B

CN112378858B - 一种手性探测系统

Info

Publication number: CN112378858B
Application number: CN202011251178.5A
Authority: CN
Inventors: 吕子瑶; 王长顺
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2020-11-11
Filing date: 2020-11-11
Publication date: 2021-08-20
Anticipated expiration: 2040-11-11
Also published as: AU2020104176A4; CN112378858A

Abstract

本发明涉及一种手性探测系统，包括层析成像模块和手性检测模块；层析成像模块和手性检测模块共用依次连接的以下结构：第一二向色镜、显微镜物镜、载物台、聚光镜、第二二向色镜；本手性探测系统分为透射模式和反射模式；当样品为透明样品时，将手性探测系统设置为透射模式，当样品为浑浊样品时，将手性探测系统设置为反射模式。本发明的手性探测系统可在同一系统中同时进行手性样品的三维成像和手性检测，在减少探测时间、降低探测成本的同时，获取样品的手性结构和手性强弱信息。

Description

一种手性探测系统

技术领域

本发明涉及一种手性探测系统，属于手性探测技术领域。

背景技术

手性作为目前的一个研究热点，受到研究人员的广泛关注。手性分子、手性药物和手性材料在化学、生物学、医学、药学、材料学等诸多领域中起着极其重要的作用。很多物质的材料性质或医学适用性取决于手性，而且许多生物过程都与手性有关，例如：分子识别、代谢反应、酶催化反应等。因此，发展相应的成像和检测技术来探测物质的手性具有非常重要的意义。

首先，光学成像因其无损检测的特点在手性结构探测领域具有重要的应用价值，为了提高光学成像的探测深度、空间分辨率、对比度和定量能力，定量相位成像技术正发展成为一种功能强大的无标记成像方法。定量相位成像技术结合了显微技术、全息技术和光散射技术的特点，可以实现纳米尺度的探测、二维和三维无标记成像以及信号的定量化处理。其次，国内外课题组开发了一些手性检测方法。例如：美国弗吉尼亚大学的一个课题组提出一种傅里叶变换微波光谱，利用时间分离的微波脉冲进行三波混频实验，从而检测样品的手性特征；德国斯图加特大学的一个课题组通过手性掺杂的向列相液晶液滴进行手性检测。

然而，目前手性检测系统与光学成像系统无法兼容，利用同一系统同时进行手性物质的三维成像和手性强度检测仍然存在巨大的困难，因而需要不同的仪器进行多次测量，探测时间、探测成本、样品要求和设备要求受到极大的限制。因此，如何设计一种整体式系统，可同时进行物质的手性结构和手性强弱检测，从而提高探测效率、降低探测成本，实已成为本领域从业人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种手性探测系统，可在同一系统中同时进行手性物质的三维成像和手性检测，从而高效地获取样品的手性结构和手性强弱信息，以解决现有技术中所存在的设备不兼容、探测效率低等问题。

本发明采取以下技术方案：

一种手性探测系统，包括层析成像模块和手性检测模块；所述层析成像模块和手性检测模块共用依次连接的以下结构：第一二向色镜17、显微镜物镜18、载物台19、聚光镜20、第二二向色镜21；在所述层析成像模块中，沿入射光束依次设置第一激光器1、第一衰减片2、第一起偏器3、第一分束镜4，所述第一分束镜4将入射光束分为参考光支路32和物光支路33；在所述参考光支路32中，沿参考光依次设置第一半波片5、第一扩束准直系统、第一反射镜9；在所述物光支路33中，沿物光依次设置第二半波片10、第二扩束准直系统、第二反射镜14、第一偏振分束镜15、第一四分之一波片16、第一二向色镜17、显微镜物镜18、载物台19；本手性探测系统分为透射模式和反射模式；只在透射模式下参与工作的部件包括：沿透射物光依次设置聚光镜20、第二二向色镜21、第二分束镜22、第一滤光片23、第一光电探测器24；只在反射模式下参与工作的部件包括：沿反射物光在所述第一偏振分束镜15的一侧依次设置第三反射镜25、第三半波片26、第三分束镜27、第二滤光片28、第二光电探测器29；所述第一光电探测器(24)和第二光电探测器29各自与计算机30连接；在所述手性检测模块31中，沿入射光束依次设置第二激光器34、第二衰减片35、第二起偏器36、第三扩束准直系统、第四分束镜40，所述第四分束镜40将入射光束分为控制支路54和测量支路55；在所述控制支路54中设有第一空间光调制器41，所述第一空间光调制器41在所述载物台19的一侧；在所述测量支路55中，沿入射光束依次设置第四反射镜42、第二空间光调制器43，所述第二空间光调制器43将入射光束分为第一和第二测量光束，沿所述第一测量光束依次设置第五反射镜44、第四半波片45、延时系统46、第二偏振分束镜47；沿所述第二测量光束依次设置第六反射镜48、第五半波片49、第七反射镜50；第五分束镜51在所述第二偏振分束镜47的一侧，所述第一二向色镜17在所述第五分束镜51的一侧；第三滤光片52在所述第二二向色镜21的一侧、第三光电探测器53在所述第三滤光片52的一侧；所有的空间光调制器与控制电源电性连接；在所有的扩束准直系统中，汇聚透镜6,11,37与扩束透镜8,13,39同轴共焦放置，光阑7,12,38位于汇聚透镜和扩束透镜的共同焦平面处；所有的光电探测器与计算机相连。

说明：目前现有技术中的光学成像系统和手性检测装置无法整合到同一系统中，需要多个仪器进行手性结构和强弱的测量。本技术方案设计了一种整体式的系统，开启第一和第二激光器后可同时进行手性结构和强弱的检测。

优选的，在所述层析成像模块和手性检测模块中，选择不同参数的滤光片及相应的光电探测器。

优选的，所述延时系统46为依次形成光路反射的反射镜组。

一种手性探测方法，采用上述的手性探测系统；具体包括以下步骤：将样品放入载物台上的样品池中；垂直于载物台的方向为z轴，z轴垂直于x轴和y轴，x轴垂直于y轴；在层析成像模块中，第一激光器产生的入射光束被第一分束镜分为物光支路和参考光支路，物光沿z轴正方向照射在样品上；在手性检测模块中，利用第四分束镜将第二激光器产生的入射光束分为控制支路和测量支路；在控制支路中，利用控制电源在第一空间光调制器中加载螺旋相位全息图，控制光束通过第一空间光调制器后照射在样品上，通过涡旋光的力学效应使样品沿x轴旋转；在测量支路中，利用控制电源在第二空间光调制器中加载叉形光栅全息图，并通过第四、第五半波片将入射光束分为两束光强相同、偏振方向正交、拓扑荷数相反的测量光束，所述两束测量光束沿z轴正方向照射在样品上；当样品为透明样品时，将手性探测系统设置为透射模式，透射物光在第二分束镜处与参考光干涉，干涉信号由第一光电探测器接收，当样品沿x轴旋转时采集一组信号，并通过计算机进行手性结构检测，所述两束测量光束透过样品后由第三光电探测器接收，由于具有相反拓扑荷数的两束涡旋测量光束透过手性样品后光强存在差异，因此通过计算机进行光强数据拟合可以实现手性强弱检测；当样品为浑浊样品时，将手性探测系统设置为反射模式，物光和测量光束在样品处反射后，反射物光与参考光在第三分束镜处干涉，干涉信号由第二光电探测器接收，反射测量光束由第三光电探测器接收，通过与透射模式相同的方法进行样品的手性结构和手性强弱检测。

本发明的有益效果在于：

1)本手性探测系统可在同一系统中同时进行手性样品的三维成像和手性检测，在减少探测时间、降低探测成本的同时，获取样品的手性结构和手性强弱信息。

2)本手性探测系统设置有透射模式和反射模式，对透明样品和浑浊样品均可进行无损检测，扩大了可检测物质的范围。

3)本手性探测系统基于全光探测，减少了有源器件的数量，进一步提高了探测效率。

附图说明

图1为本发明的手性探测系统的结构示意图；

图2为本发明的手性探测系统的透射模式光路图；

图3为本发明的手性探测系统的反射模式光路图；

图4为本发明的手性检测模块的结构示意图；

图5为本发明的手性探测系统的工作原理图。

图中:1、第一激光器；2、第一衰减片；3、第一起偏器；4、第一分束镜；5、第一半波片；6、第一汇聚透镜；7、第一光阑；8、第一扩束透镜；9、第一反射镜；10、第二半波片；11、第二汇聚透镜；12、第二光阑；13、第二扩束透镜；14、第二反射镜；15、第一偏振分束镜；16、第一四分之一波片；17、第一二向色镜；18、显微镜物镜；19、载物台；20、聚光镜；21、第二二向色镜；22、第二分束镜；23、第一滤光片；24、第一光电探测器；25、第三反射镜；26、第三半波片；27、第三分束镜；28、第二滤光片；29、第二光电探测器；30、计算机；31、手性检测模块；32、参考光支路；33、物光支路；34、第二激光器；35、第二衰减片；36、第二起偏器；37、第三汇聚透镜；38、第三光阑；39、第三扩束透镜；40、第四分束镜；41、第一空间光调制器；42、第四反射镜；43、第二空间光调制器；44、第五反射镜；45、第四半波片；46、延时系统；47、第二偏振分束镜；48、第六反射镜；49、第五半波片；50、第七反射镜；51、第五分束镜；52、第三滤光片；53、第三光电探测器；54、控制支路；55、测量支路；56、透射测量光束；57、反射测量光束。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

图1为手性探测系统的结构示意图。该系统的构成包括：第一激光器1、第一衰减片2、第一起偏器3、分束镜4、22、27、半波片5、10、26、汇聚透镜6、11、光阑7、12、扩束透镜8、13、反射镜9、14、25、第一偏振分束镜15、第一四分之一波片16、二向色镜17、21、显微镜物镜18、载物台19、聚光镜20、滤光片23、28、光电探测器24、29、计算机30和手性检测模块31。

图2为手性探测系统的透射模式光路图。该光路包括：参考光支路32、物光支路33。

图4为手性检测模块的结构示意图。该模块的构成包括：第二激光器34、第二衰减片35、第二起偏器36、第三汇聚透镜37、第三光阑38、第三扩束透镜39、分束镜40、51、空间光调制器41、43、反射镜42、44、48、50、半波片45、49、延时系统46、第二偏振分束镜47、第三滤光片52、第三光电探测器53、控制支路54、测量支路55、透射测量光束56、反射测量光束57。

在层析成像模块中，由第一激光器1发出的入射光束依次经过第一衰减片2和第一起偏器3，成为光强适中的线偏振光，第一分束镜4将入射光束分为参考光支路32和物光支路33。在参考光支路中，利用第一半波片5调控参考光的偏振方向，第一汇聚透镜6、第一光阑7、第一扩束透镜8组成第一扩束准直系统并对参考光进行扩束和准直，利用第一反射镜9改变参考光的传播方向；在物光支路中，物光依次经过第二半波片10、由第二汇聚透镜11、第二光阑12、第二扩束透镜13组成的第二扩束准直系统和第二反射镜14，成为沿z轴正方向(如图1所示)入射的线偏振光，所述物光继续依次经过第一偏振分束镜15、第一四分之一波片16、第一二向色镜17和显微镜物镜18，并照射在载物台19中样品池内的样品上，物光与参考光的偏振方向同为竖直方向，光斑大小由第一和第二扩束准直系统调节。在手性检测模块31中，第二激光器34产生的入射光束依次通过第二衰减片35、第二起偏器36、第三汇聚透镜37、第三光阑38、第三扩束透镜39，成为光强和光斑大小适中的线偏振光束，第四分束镜40将入射光束分为控制支路54和测量支路55。在控制支路中，通过控制电源将螺旋相位全息图加载到第一空间光调制器41中，控制光束经过所述第一空间光调制器41后沿x轴负方向照射在样品池内的样品上，通过涡旋光束的力学效应使样品沿x轴旋转；在测量支路中，入射光束依次经过第四反射镜42和第二空间光调制器43，通过控制电源在所述第二空间光调制器中加载叉形光栅全息图，从而产生两束光强相同、拓扑荷数相反的测量光束，第一测量光束依次经过第五反射镜44、第四半波片45和延时系统46，第二测量光束依次经过第六反射镜48、第五半波片49和第七反射镜50，其中第四、第五半波片将所述第一、第二测量光束的线偏振方向分别调制为竖直和水平方向，通过控制所述延时系统46使两束测量光束同时到达第二偏振分束镜47，继续依次经过第五分束镜51、第一二向色镜17、显微镜物镜18和载物台19。

当样品是透明样品时，将该系统设置为透射模式，此时第一四分之一波片16不改变物光的偏振态，物光透过样品后依次经过聚光镜20和第二二向色镜21，并在第二分束镜22处与参考光全息干涉，干涉信号经过第一滤光片23后由第一光电探测器24接收，当样品以一定的速度旋转时，第一光电探测器24可获取一组干涉信号，并通过计算机30进行手性结构检测；在透射模式下，透射测量光束56依次经过聚光镜20，第二二向色镜21、第三滤光片52和第三光电探测器53，由于样品具有手性，因此两束透射测量光束的光强存在差异，通过计算机进行光强数据拟合实现手性强弱检测。当样品为浑浊样品时，将该系统设置为反射模式，此时所述第一四分之一波片16对物光的偏振态进行调制，反射物光依次经过显微镜物镜18、第一二向色镜17、第一四分之一波片16、第一偏振分束镜15、第三反射镜25和第三半波片26，利用第三半波片将物光的偏振方向调制为竖直方向，物光与参考光在第三分束镜27处全息干涉，干涉信号经过第二滤光片28后由第二光电探测器29接收，当样品以一定的速度旋转时，第二光电探测器可获取一组干涉信号，并通过计算机进行手性结构检测；在反射模式下，反射测量光束57依次经过显微镜物镜18、第一二向色镜17、第五分束镜51、第三滤光片52和第三光电探测器53，两束反射测量光束的光强差取决于样品的手性，通过计算机进行光强数据拟合实现手性强弱检测。

需要说明的是：由于现有技术中光学成像装置和手性检测装置无法整合到同一系统中，因此需要多个仪器进行手性结构和强弱的测量；本实施例中设计了一种整体式的系统，开启第一和第二激光器后可同时进行手性结构和强弱的检测。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims

1.一种手性探测系统，其特征在于：

包括层析成像模块和手性检测模块；

所述层析成像模块和手性检测模块共用依次连接的以下结构：第一二向色镜（17）、显微镜物镜（18）、载物台（19）、聚光镜（20）和第二二向色镜（21）；

在所述层析成像模块中，沿入射光束依次设置第一激光器（1）、第一衰减片（2）、第一起偏器（3）和第一分束镜（4），所述第一分束镜（4）将入射光束分为参考光支路（32）和物光支路（33）；在所述参考光支路（32）中，沿参考光依次设置第一半波片（5）、第一扩束准直系统、第一反射镜（9）；在所述物光支路（33）中，沿物光依次设置第二半波片（10）、第二扩束准直系统、第二反射镜（14）、第一偏振分束镜（15）、第一四分之一波片（16）、第一二向色镜（17）、显微镜物镜（18）和载物台（19）；

本手性探测系统分为透射模式和反射模式；

只在透射模式下参与工作的部件包括：沿透射物光依次设置聚光镜（20）、第二二向色镜（21）、第二分束镜（22）、第一滤光片（23）和第一光电探测器（24）；

只在反射模式下参与工作的部件包括：沿反射物光在所述第一偏振分束镜（15）的一侧依次设置第三反射镜（25）、第三半波片（26）、第三分束镜（27）、第二滤光片（28）和第二光电探测器（29）；

所述第一光电探测器（24）和第二光电探测器（29）各自与计算机（30）连接；

在所述手性检测模块（31）中，沿入射光束依次设置第二激光器（34）、第二衰减片（35）、第二起偏器（36）、第三扩束准直系统和第四分束镜（40），所述第四分束镜（40）将入射光束分为控制支路（54）和测量支路（55）；在所述控制支路（54）中设有第一空间光调制器（41），所述第一空间光调制器（41）在所述载物台（19）的一侧；在所述测量支路（55）中，沿入射光束依次设置第四反射镜（42）和第二空间光调制器（43），所述第二空间光调制器（43）将入射光束分为第一和第二测量光束，沿所述第一测量光束依次设置第五反射镜（44）、第四半波片（45）、延时系统（46）和第二偏振分束镜（47）；沿所述第二测量光束依次设置第六反射镜（48）、第五半波片（49）、第七反射镜（50）、；第五分束镜（51）在所述第二偏振分束镜（47）的一侧，所述第一二向色镜（17）在所述第五分束镜（51）的一侧；第三滤光片（52）在所述第二二向色镜（21）的一侧、第三光电探测器（53）在所述第三滤光片（52）的一侧；

所有的空间光调制器与控制电源电性连接；在所有的扩束准直系统中，汇聚透镜（6,11,37）与扩束透镜（8,13,39）同轴共焦放置，光阑（7,12,38）位于汇聚透镜和扩束透镜的共同焦平面处；所有的光电探测器与计算机相连;

在所述层析成像模块和手性检测模块中，选择不同参数的滤光片及相应的光电探测器。

2.如权利要求1所述的手性探测系统，其特征在于：所述延时系统（46）为依次形成光路反射的反射镜组。

3.一种手性探测方法，其特征在于：

采用权利要求1-2中任意一项所述的手性探测系统；具体包括以下步骤：

将样品放入载物台上的样品池中；

垂直于载物台的方向为z轴，z轴垂直于x轴和y轴，x轴垂直于y轴；

在层析成像模块中，第一激光器产生的入射光束被第一分束镜分为物光支路和参考光支路，物光沿z轴正方向照射在样品上；

在手性检测模块中，利用第四分束镜将第二激光器产生的入射光束分为控制支路和测量支路；在控制支路中，利用控制电源在第一空间光调制器中加载螺旋相位全息图，控制光束通过第一空间光调制器后照射在样品上，通过涡旋光的力学效应使样品沿x轴旋转；在测量支路中，利用控制电源在第二空间光调制器中加载叉形光栅全息图，并通过第四、第五半波片将入射光束分为两束光强相同、偏振方向正交、拓扑荷数相反的测量光束，所述两束测量光束沿z轴正方向照射在样品上；

当样品为透明样品时，将手性探测系统设置为透射模式，透射物光在第二分束镜处与参考光干涉，干涉信号由第一光电探测器接收，当样品沿x轴旋转时采集一组信号，并通过计算机进行手性结构检测，所述两束测量光束透过样品后由第三光电探测器接收，由于具有相反拓扑荷数的两束涡旋测量光束透过手性样品后光强存在差异，因此通过计算机进行光强数据拟合可以实现手性强弱检测；

当样品为浑浊样品时，将手性探测系统设置为反射模式，物光和测量光束在样品处反射后，反射物光与参考光在第三分束镜处干涉，干涉信号由第二光电探测器接收，反射测量光束由第三光电探测器接收，通过与透射模式相同的方法进行样品的手性结构和手性强弱检测。