CN112858191B - 一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统 - Google Patents
一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112858191B CN112858191B CN202011619742.4A CN202011619742A CN112858191B CN 112858191 B CN112858191 B CN 112858191B CN 202011619742 A CN202011619742 A CN 202011619742A CN 112858191 B CN112858191 B CN 112858191B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- light
- light source
- spectrum
- objective lens
- dimensional
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 title claims abstract description 52
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 16
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 86
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 42
- 108091026890 Coding region Proteins 0.000 claims abstract description 22
- 108700026244 Open Reading Frames Proteins 0.000 claims abstract description 6
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 16
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 12
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 10
- 238000002372 labelling Methods 0.000 claims description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 87
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 15
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 11
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 2
- 238000012014 optical coherence tomography Methods 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000013065 commercial product Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000000684 flow cytometry Methods 0.000 description 1
- 238000009652 hydrodynamic focusing Methods 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
本发明提出一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统，属于流式成像领域。该系统包括：扫频光源发生模块、色散器件、第一物镜、聚焦模块、第二物镜、光电倍增管、采集卡和计算机；扫频光源发生模块产生扫频光源并发送给色散器件；色散器件对扫频光源进行空间分光，得到对应的光谱发送给第一物镜；第一物镜将光谱聚焦到聚焦模块中的单细胞轴流上，得到光谱编码区；当聚焦模块中的细胞经过光谱编码区时产生信号光被第二物镜所接收然后发送到光电倍增管；光电倍增管将其转化为电压信号，采集卡采集该电压信号后转换为数字信号发送给计算机，最终实现细胞成像。本发明实现简单、可靠性高、易于集成且成像速率高。
Description
技术领域
本发明属于流式成像领域，特别涉及一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统。
背景技术
流式成像是对高速流动的细胞中的每一个细胞进行成像，获取显微图像的一种成像技术。成像流式细胞仪就是进行流式成像的一种仪器，它解决了传统流式细胞术无法获取细胞图像的缺陷，能获取更丰富的细胞形态学信息，可广泛用于科研和临床检测。根据探测器的不同，成像流式技术可分为基于阵列式探测器和基于单点式探测器两类，每一类成像流式技术又有多种不同的实现方式。其中基于阵列式探测器的成像方式，采用CCD或者CMOS作为探测器件，最具代表性的是Amnis公司的ImageStream系列仪器，核心器件为时间延迟积分CCD。但在高通量成像的应用下，细胞高速运动(>1m/s)，因此阵列式探测器存在着帧率不足、信噪比较低和数据流量大的问题，难以满足成像需求。针对以上不足，基于单点式探测器的成像方式是目前适用于高通量成像流式的一类方式。单点式探测器方式中重要的一种成像方式是基于光谱标记法和时间拉伸技术的成像方法，光谱标记部分使用色散器件将宽谱光的不同波长映射到被成成像样本不同位置，样本反射光或散射光通过色散光纤进行“时间拉伸”，从而将携带了样本图像信息的光信号在时域上分开，然后使用单个光电倍增管(PMT)进行检测，最后恢复重建图像。这种成像方式由于采用时间拉伸的技术而受限于有限的色散系数，因此需要使用很高速率的采集卡完成数据采集。且由于时间拉伸技术需要采用长达km级的色散光纤，因此系统复杂度和稳定性都较低。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统。本发明利用光谱标记法实现图像空间位置标记，利用光扫频完成图像时序转换。利用扫频光源的高速波长扫描功能，从而实现高速成像，具有实现简单、可靠性高、易于集成且成像速率高的显著优点。
本发明提出一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统，包括：扫频光源发生模块、色散器件、第一物镜、聚焦模块、第二物镜、光电倍增管、采集卡和计算机；
所述扫频光源发生模块用于产生波长随时间快速周期变化的照明光作为扫频光源，并将该扫频光源发送给色散器件；
所述色散器件用于对接收到的扫频光源进行空间分光，得到不同波长的光空间上互相分立的一维或二维光谱，然后将该光谱发送给第一物镜；
所述第一物镜用于对接收到的一维或二维光谱进行光学聚焦到聚焦模块中的单细胞轴流上，得到对应的一维或二维的光谱编码区；
所述聚焦模块用于将样本中分散的被成像细胞排列成单细胞轴流，然后依次通过由第一物镜聚焦所形成的光谱编码区；当细胞经过光谱编码区时，细胞激发散射或折射光作为信号光，该信号光被第二物镜所接收；
所述第二物镜用于对聚焦模块中细胞发出的信号光进行接收，并将接收到的信号光发送到光电倍增管；
所述光电倍增管将接收到的信号光转化为电压信号，并发送给采集卡进行采集；
所述采集卡用于对从光电倍增管接收的电压信号进行采集，经过模数转换变为对应的数字信号并发送给计算机；
所述计算机用于对接收到的数字信号进行处理，得到聚焦模块中被成像细胞的图像。
本发明还提出一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统，包括：宽谱光源、色散器件、第一物镜、聚焦模块、第二物镜、波长扫描模块、光电倍增管、采集卡和计算机；
所述宽谱光源用于产生在选定波段范围内的光谱连续的光作为扫频光源，并将该扫频光源发送给色散器件；
所述色散器件用于对接收到的扫频光源进行空间分光，得到不同波长的光空间上互相分立的一维或二维光谱，然后将该光谱发送给第一物镜；
所述第一物镜用于对接收到的一维或二维光谱进行光学聚焦到聚焦模块中的单细胞轴流上，得到对应的一维或二维的光谱编码区；
所述聚焦模块用于将样本中分散的被成像细胞排列成单细胞轴流，然后依次通过由第一物镜聚焦所形成的光谱编码区；当细胞经过光谱编码区时，细胞激发散射或折射光作为信号光，该信号光被第二物镜所接收；
所述第二物镜用于对聚焦模块中细胞发出的信号光进行接收，并将接收到的信号光发送到波长扫描模块；
所述波长扫描模块用于对从第二物镜接收到的信号光进行波长扫描，将不同波长的信号光按照波长顺序在时域上分开后发送到光电倍增管；
所述光电倍增管将从波长扫描模块接收到的时域上分开后的信号光转化为对应的电压信号，并发送给采集卡进行采集；
所述采集卡用于对从光电倍增管接收的电压信号进行采集，经过模数转换变为对应的数字信号并发送给计算机；
所述计算机用于对接收到的数字信号进行处理，得到聚焦模块中被成像细胞的图像。
本发明的特点及有益效果在于：
本发明将光谱标记法与光扫频法相结合，实现简单，仅仅使用扫频光源和空间色散器件就可以将图像编码到时域上；同时对系统采集卡要求低，由于使用扫频光源进行光谱-时域转化，相比较时间拉伸技术进行光谱-时域转化的方式，大大降低了采集卡进行A/D转换的速率，进而可降低系统成本；速度快，由于现有的高速扫频光源的速度>100kHz(商用产品最高可达3.2MHz)，这样高速的扫频光源意味着使用光谱标记的方法可以对细胞实现这么高速的扫描；扫频光源与光谱标记技术可以结合传统流式的液路系统，以及微流体芯片的液流系统，具有灵活性和可移植性。
附图说明
图1为本发明的一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统的结构示意图。
图2为本发明实施例中使用宽谱光源结合扫描光栅产生扫频光源的系统结构图。
图3为本发明实施例中扫频光源产生的光的性质示意图。
图4为本发明实施例中使用光栅产生1D空间光谱标记的原理图。
图5为本发明实施例中使用虚拟成像相位阵列和光栅配合进行2D空间光谱标记的原理图。
图6为本发明实施例中利用1D光谱标记和2D光谱标记对细胞位置进行标记的示意图。
图7为本发明实施例中传统流式聚焦和基于微流体的流式聚焦的示意图。
图8为本发明的另一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统的结构示意图。
图9为如图8所示系统中的波长扫描模块结构示意图。
具体实施方式
本发明提出一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。
本发明提出一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统，整体结构如图1所示，包括：扫频光源发生模块，色散器件，第一物镜，聚焦模块，第二物镜、光电倍增管PMT、采集卡和计算机；
所述扫频光源发生模块用于产生波长随时间快速周期变化的照明光作为扫频光源，并将该扫频光源发送给色散器件；其中扫频光源需要产生在一定波长范围内(可见光到红外波段范围内均可)，以>100kHz重复频率快速波长扫描的光。
所述色散器件用于对接收到的扫频光源进行空间分光，得到不同波长的光空间上互相分立的一维(1D)或者二维(2D)光谱，然后将该光谱发送给第一物镜，实现进一步样本照明。
所述第一物镜用于对接收到的空间上分立的1D或者2D光谱进行光学聚焦到聚焦模块中心流动的样本上(一般是细胞)，得到对应的1D或2D光谱编码区。
所述聚焦模块用于将样本中分散的被成像细胞排列成单细胞轴流，然后依次通过由第一物镜聚焦所形成的光谱编码区。当细胞经过光谱编码区时，细胞激发散射或折射光作为信号光，该信号光被第二物镜所接收。
所述第二物镜用于对聚焦模块中细胞发出的信号光进行接收，并将接收到的信号光发射到光电倍增管PMT。
所述光电倍增管PMT将接收到的信号光转化为电压信号，并发送给采集卡进行采集。
所述采集卡用于对从PMT接收的电压信号进行采集，经过模数转换(A/D转换)变为对应的数字信号并发送给计算机存储。
所述计算机用于对接收到的数字信号进行处理，恢复图像，得到聚焦模块中被成像细胞的图像。本发明中各部件实现方法如下：
所述扫频光源发生模块有两种实现方式；
一种为利用现有的商用高速扫频光源作为扫频光源发生模块，一般使用用于光学相干层析(OCT)成像的高速扫频光源以满足流式成像的速度要求，速度＞100kHz(部分商用扫频光源速度可达3.2MHz)。第二种实现方式为利用宽谱光源结合扫描光栅来实现光源扫频效果。利用这种方式产生扫频光源的系统结构如图2所示。其中扫频光源发生模块包括宽谱光源31,光栅33，扫描机构34和狭缝35。所述宽谱光源31(无特殊型号要求)发出波长范围为λ1～λn的连续宽谱光32，该宽谱光照射到光栅33。其中宽谱光源31发出的光波长为可见光波段或近红外光波段。光栅33连接在扫描机构上随着扫描机构34转动，光栅33的角度由扫描机构34控制，可以实现转角快速扫描，角度范围保证衍射光波长λ1～λn范围内的光的衍射主极大均能通过狭缝。由于光栅的色散效应，在空间的不同角度上产生不同波长λ1、λ2…λn的光谱谱线分布(连续谱)。其中扫描机构34可用MEMS扫描镜实现。当光栅33的角度快速扫描时，不同波长的光会依次通过狭缝35，从而在狭缝的出口处形成与商用扫频光源相同的扫频效果。
以上两种实现方式所产生的光均具有如图3所述的性质。其中，图3(a)给出了两个扫频周期内的光谱变化示意图，商用扫频光源发射的激光波或者图2狭缝透射的光的波长随着时间快速变化，从光源最短波长λL变化到最长波长λH，周期为T。图3(b)为光源两个周期内发出的激光波列，一个周期T内的光的瞬时波长同样从λL变化到λH。
所述色散器件有两种实现方式：
第一种实现方式利用了1D空间色散的原理。具体表现在器件上使用了一个闪耀光栅作为基础色散器件。图4为使用光栅产生1D空间光谱标记的原理图。图4中，14为光栅，13为由扫频光源发生模块产生的入射光束，对应于图1中扫频光源发生模块与色散器件之间的光束以及图2中狭缝35出射的光束。入射光束13照射到光栅14上，光栅14一般为闪耀光栅以提高衍射效率，该光束采用Littrow角入射。反射后的光在空间上按照波长以不同角度散开，经过一个透镜15(对应图1中第一物镜)聚焦到物平面上，产生一维光谱编码区光谱编码区11。光源波长快速变化时，区域11的线状照明区域也会随着波长的变化而被扫描。一维光谱编码区光谱编码区11投射到图1中聚焦模块中心的细胞上。
第二种实现方式是2D空间色散。色散器件由一个虚拟成像相位阵列(VIPA)、一个柱透镜和一个光栅共同构成。原理图如图5所示，图5中柱透镜17、VIPA20和光栅21共同构成图1中的色散器件。其中VIPA(VirtuallyImagedPhaseArray)虚拟成像相位阵列20和光栅21，二者分别在两个方向上实现色散。VIPA由两个反射面18和19组成，一般为两面涂有反射材料的玻璃。其中反射面18为接近全反射面(>99％反射率)，反射面19为高反射率的部分反射面(～95％反射率)，反射面18一面留有未涂反射材料的入射光窗口。16为入射光，对应于图1中扫频光源发生模块与色散器件之间的光束以及图2中狭缝35出射的光束。整个系统入射光16为圆形光斑，经过柱透镜17之后压缩为线状光斑，并照射到VIPA的入射窗口中。由于VIPA的自由光谱范围很小，导致经过VIPA初次分光之后的光谱在空间上有严重的重叠。与VIPA分光方向垂直的光栅21进一步在另一个垂直方向上完成分光，将重叠的光谱分开。透镜23(对应图1中的第一物镜)将二维分光的光谱映射到焦平面上，这样焦平面二维区域上不同的位置都被标记以不同波长，形成一片二维光谱编码区光谱编码区12，该区域不同位置上被照射不同的波长λ11…λ1n…λm1…λmn依次递增。同理，当光源波长快速扫描时，二维光谱编码区12会随着波长的变化而被2D扫描。二维光谱编码区光谱编码区12投射到图1中聚焦模块中心的细胞上。
图6(a)给出了图4中的一维光谱编码区11如何照射细胞的示意图。图4中的光经过色散器件和第一物镜之后，形成一个条状一维光谱编码区11。一维光谱编码区11是不同位置分别被不同波长的光所照射的一个条状区域，在图6(a)中粗箭头示意出了被波长为λ1,λ2,λ3,λ4…λn标记的位置(实际上波长是连续的，这里列出来几个波长仅仅为了示意)。6为流动中的细胞，对应于图1聚焦模块中的细胞，细箭头给出了细胞的流动方向。当扫频光源发生模块发出的光波波长变化一个周期，相应一维光谱编码区11被扫描一次。扫频光源模块第二个扫描周期中，由于细胞在流动，被一维光谱编码区11照明的就是细胞平移之后的另一个横向方向的位置。因此，在整个扫描过程中，细胞被照射所激发出来的反射光、散射光等包含了细胞的散射强度，反射率等一维强度信息。当细胞匀速流动经过一维光谱编码区11，细胞顺序激发的反射光、散射光等就记录了细胞二维信息。二维光谱编码区12照射到细胞上的示意图如图6(b)所示，该区域为分散在二维区域上的、被不同波长λ11…λ1n…λm1…λmn的光照射的一个光谱编码区。二维光谱编码区12照射在细胞上，对应于图1中聚焦模块中流动的细胞。当细胞经过二维光谱编码区12时，经过一个周期的波长扫描就可以获得细胞二维的图像信息。其中一维光谱编码区11和二维光谱编码区12的形状、分布等严格受到色散器件、光源参数以及第一物镜。物镜选择准则在参考文献Tsia K,Goda K,Capewell D,etal.Performance of serial time-encoded amplified microscope[J].Optics Express,2010,18(10):10016.中有详细论述。
所述聚焦模块有两种实现方式，如图7所示：
第一种聚焦方式为使用传统流式细胞仪的液路，图7(a)给出了液路图的横截面。这种方式采用流体动力学的方式进行聚焦，其中鞘液71包裹样本液72流动，当经过聚焦部分的锥形约束之后形成单细胞样本轴流73。单细胞样本轴流对应于图1中一列细胞(两条竖线表示轴流边界)。轴流中含有细胞，聚焦后逐个经过检测区74(在这个检测区内，细胞被一维光谱编码区11或二维光谱编码区12照明)，经光谱标记后产生的激发光由第二物镜收集并送至PMT检测，进一步实现细胞的图像恢复。
第二种聚焦方式为使用微流控芯片进行聚焦，如图7(b)所示。微流控芯片采用微流道进行聚焦，鞘液81从两路微流道中注入芯片，样本液82同时从中心注入。在两路鞘液的流体压缩下，实现将样本流转化为恒定的单细胞样本轴流83。单细胞样本轴流对应于图1中一列细胞(两条竖线表示轴流边界)。细胞同样经过检测区84之后(在这个检测区内，细胞被一维光谱编码区11或二维光谱编码区12照明)，即可由光谱标记检测系统获取细胞的图像。这种结合微流控技术的成像方法具有全封闭无污染检测的优势。
所述第一物镜和第二物镜无特殊参数和型号要求，选择常规型号即可。第一物镜实现照明，第二物镜实现对散射光和反射光的收集，并送至PMT进一步检测。所述PMT，采集卡及计算机均无特殊型号要求，均采用常规型号即可。
本发明系统工作原理如下：
首先，扫频光源发生模块产生扫频光源(两种产生方式)，扫频光源发出的光照射到色散器件上，色散器件可采用1D色散器件或2D色散器件两种形式。经过色散器件的光形成不同波长的光按照空间上角度分离的光谱，再经过第一物镜投射到位于聚焦模块中的样本上(细胞)，形成光谱编码区。由于本发明的照明光是波长快速变化的，因此在光谱编码区上会形成由于波长变化而引起的空间位置扫描。当聚焦模块中的流动细胞流经光谱编码区的时候，细胞的图像信息就被记录到对应产生的散射光和反射光中(即生成对应的激发光)。激发光经过第二物镜收集之后，发送给PMT检测转化为对应的电压信号，电压信号通过采集卡采集形成数字信号并发送给计算机处理，利用已知的细胞流速、扫频光源参数、光谱标记模式等信息，计算机生成对应的细胞的图像，可参考文章Kevin K,Tsia,Keisuke,et.al.Performance of serial time-encoded amplified microscope.[J].Opticsexpress,2010.。
本发明还提出一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统，结构如图8所示，包括：宽谱光源、色散器件、第一物镜、聚焦模块、第二物镜、波长扫描模块、光电倍增管、采集卡和计算机。
所述宽谱光源用于产生在一定波段范围内的光谱连续的光作为扫频光源，并将该扫频光源发送给色散器件。光波一般为可见光或近红外波段光，可使用超辐射发光二极管(SLD)或者白光光源。
所述色散器件用于对接收到的扫频光源进行空间分光，得到空间上不同波长的光互相分立的一维(1D)或者二维(2D)光谱，该光谱会被导入到第一物镜，实现进一步样本照明。
所述第一物镜用于对接收到的空间上分立的1D或者2D光谱进行光学聚焦，聚焦到聚焦模块中心流动的样本上(一般是细胞)，得到对样本不同位置进行标记的1D或2D光谱编码区。
所述聚焦模块用于对样本中的细胞进行聚焦，使得分散的细胞排列成单细胞轴流，依次通过有第一物镜所形成的光谱编码区。当细胞经过光谱编码区时，细胞表面散射或折射照明光，产生信号光，并被第二物镜所接收。
所述第二物镜用于对聚焦模块中细胞发出的信号光进行接收，并将接收到的信号光发送到波长扫描模块。
所述波长扫描模块用于对从第二物镜接收到的信号光进行波长扫描，将不同波长的信号光按照波长顺序在时域上分开后发送到光电倍增管检测。
所述光电倍增管(PMT)将从波长扫描模块接收到的时域上分开后的信号光转化为对应的电压信号，并发送给采集卡进行采集。
所述采集卡对从PMT接收的电压信号进行采集，经过模数转换(A/D转换)变为对应的数字信号，并发送给计算机存储。
所述计算机部分对从采集卡接收到的数字信号进行处理，恢复图像，得到聚焦模块中被成像细胞的图像。
该系统各部件实现方式如下：
所述宽谱光源对部件型号没有特殊要求，要求发射光谱在可见光波段到近红外波段之间，可选择超辐射发光二极管(SLD)或者白光光源作为宽谱光源。
所述色散器件两种实现方式
第一种实现方式利用了1D空间色散的原理。具体表现在器件上则使用了一个闪耀光栅作为基础色散器件。图4给出了原理图。14为光栅，13为入射光束，其由扫频光源发生模块产生，对应于图1中扫频光源发生模块与色散器件之间的光束以及图2中狭缝35出射的光束。入射光束13照射到光栅14上，光栅14为闪耀光栅以提高衍射效率，其采用Littrow角入射。反射后的光在空间上按照波长以不同角度散开，经过一个透镜15(对应图1中第一物镜)聚焦到物平面上，产生一维光谱编码区11。一维光谱编码区11投射到图8中聚焦模块中心的细胞上，一维光谱编码区11按照图6(a)所示的方式照射到细胞上。图4中的光经过色散器件和第一物镜之后，形成一个条状一维光谱编码区11。一维光谱编码区11是不同位置分别被不同波长的光所照射的一个条状区域，在图6(a)中粗箭头示意出了被波长为λ1,λ2,λ3,λ4…λn标记的位置(实际上波长是连续的，这里列出来几个波长仅仅为了示意)。6为流动中的细胞，对应于图1聚焦模块中的细胞，细箭头给出了细胞的流动方向。在某一时刻，当细胞被条状光谱编码区照射时，反射光和散射光的光谱中就记录了细胞在光谱标记区不同位置上的信息。当细胞匀速流动经过一维光谱编码区11，细胞顺序激发的反射光、散射光的光谱中就包含了细胞二维信息。
第二种实现方式是2D空间色散。色散器件上表现为一个虚拟成像相位阵列(VIPA)、一个柱透镜和一个光栅。原理图如图5所示，图5中柱透镜17、VIPA20和光栅21共同构成图8中的色散器件。其中VIPA 20和光栅21，二者分别在两个方向上实现色散。VIPA由两个反射面组成，一般为两面涂有反射材料的玻璃。其中反射面18为接近全反射面(>99％反射率)，反射面19为高反射率的部分反射面(～95％反射率)，18全反射面一面留有未涂反射材料的入射光窗口。16为入射光，对应于图1中扫频光源发生模块与色散器件之间的光束以及图2中狭缝35出射的光束。整个系统入射光16为圆形光斑，经过柱透镜17之后压缩为线状光斑，并照射到VIPA的入射窗口中。由于VIPA的自由光谱范围很小，导致经过VIPA初次分光之后的光谱在空间上有严重的重叠。与VIPA分光方向垂直的光栅21进一步在另一个垂直方向上完成分光，将重叠的光谱分开。透镜23(对应图2中物镜51)将二维分光的光谱映射到焦平面上，这样焦平面二维区域上不同的位置都被标记以不同波长，形成一片二维光谱编码区12，该区域不同位置上被照射不同的波长λ11…λ1n…λm1…λmn依次递增。二维光谱编码区12投射到图8中聚焦模块中心的细胞上。二维光谱编码区12照射到细胞上的示意图如图6(b)所示。该区域为分散在二维区域上的、被不同波长λ11…λ1n…λm1…λmn的光照射的一个光谱标记区。二维光谱编码区12照射在细胞上，对应于图8中聚焦模块中流动的细胞。当细胞经过二维光谱编码区12时，反射光和散射光的光谱中就包含了细胞二维位置上的信息。其中一维光谱编码区11和二维光谱编码区的形状、分布等严格受到色散器件、光源参数以及第一物镜。物镜选择准则在参考文献Tsia K,Goda K,Capewell D,et al.Performance ofserial time-encoded amplified microscope[J].Optics Express,2010,18(10):10016.中有详细论述。
所述波长扫描模块原理如图9所示，实现将不同波长的信号光36在时域上分开。包含了细胞图像信息的信号光36在时间上是混叠的。该波长扫描模块包括：光栅33，扫描机构34和狭缝35。信号光36照射到光栅33。所述光栅连接在扫描机构上随着扫描机构转动，光栅的角度由扫描机构34控制，角度范围保证图8中宽谱光波长范围内光的衍射主极大均能通过狭缝。由于光栅的色散效应，在空间的不同角度上产生不同波长λ1、λ2…λn的光谱谱线分布(连续谱)。光栅33由扫描机构34控制角度，可以实现转角快速扫描，其中扫描机构34可用MEMS扫描镜实现。当光栅33的角度快速扫描时，不同波长的光会依次通过狭缝35，从而在狭缝的出口处将不同波长的光在时域上分开。
所述聚焦模块有两种实现方式，该两种实现方式与如图1所示系统中的聚焦模块一致。
所述第一物镜和第二物镜无特殊参数和型号要求，选择常规型号即可。第一物镜实现照明，第二物镜实现对散射光和反射光的收集，并送至PMT进一步检测。所述PMT，采集卡及计算机均无特殊型号要求，均采用常规型号即可。
该系统工作原理如下：
首先，宽谱光源发出的光照射到色散器件上，色散器件可采用1D色散器件或2D色散器件两种形式。经过色散器件的光形成不同波长按照空间上角度分离的光谱，再经过第一物镜投射到样本上(细胞)，形成光谱编码区。光谱编码区照射到聚焦模块中流动的细胞上。当聚焦模块中的流动细胞流经光谱编码区的时候，细胞的图像信息就被记录到激发光(包括散射光和反射光)的光谱中，此时的图像信息为各个波长在时域上混叠在一起的光信息。激发光经过第二物镜收集之后，发送给波长扫描模块，实现将不同波长的光在时域上分开。时域上分开的激发光经过PMT检测转化为电压信号，电压信号使用采集卡采集形成数字信号，并交给计算机处理。利用已知的细胞流速、扫频光源参数、光谱标记模式等信息，可以用计算机处理进一步恢复图像。
Claims (1)
1.一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统，其特征在于，包括：扫频光源发生模块、色散器件、第一物镜、聚焦模块、第二物镜、光电倍增管、采集卡和计算机；
所述扫频光源发生模块用于产生波长随时间快速周期变化的照明光作为扫频光源，并将该扫频光源发送给色散器件；所述扫频光源发生模块包括：宽谱光源、光栅、扫描机构和狭缝；所述宽谱光源发出连续宽谱光，该宽谱光照射到光栅，所述光栅连接在扫描机构上随着扫描机构转动，所述扫描机构为MEMS扫描镜，光栅的角度由扫描机构控制用于实现转角快速扫描，使得宽谱光源发出连续宽谱光依次通过狭缝并在狭缝的出口处形成扫频光源；所述色散器件用于对接收到的扫频光源进行空间分光，得到不同波长的光空间上互相分立的一维或二维光谱，然后将该光谱发送给第一物镜；
所述第一物镜用于对接收到的一维或二维光谱进行光学聚焦到聚焦模块中的单细胞轴流上，得到对应的一维或二维的光谱编码区；
所述聚焦模块用于将样本中分散的被成像细胞排列成单细胞轴流，然后依次通过由第一物镜聚焦所形成的光谱编码区；当细胞经过光谱编码区时，细胞激发散射或折射光作为信号光，该信号光被第二物镜所接收；
所述第二物镜用于对聚焦模块中细胞发出的信号光进行接收，并将接收到的信号光发送到光电倍增管；
所述光电倍增管将接收到的信号光转化为电压信号，并发送给采集卡进行采集；
所述采集卡用于对从光电倍增管接收的电压信号进行采集，经过模数转换变为对应的数字信号并发送给计算机；
所述计算机用于对接收到的数字信号进行处理，得到聚焦模块中被成像细胞的图像；
所述聚焦模块采用流式细胞仪或微流控芯片中的任一种方式。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011619742.4A CN112858191B (zh) | 2020-12-30 | 2020-12-30 | 一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011619742.4A CN112858191B (zh) | 2020-12-30 | 2020-12-30 | 一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112858191A CN112858191A (zh) | 2021-05-28 |
| CN112858191B true CN112858191B (zh) | 2022-08-09 |
Family
ID=75999024
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011619742.4A Active CN112858191B (zh) | 2020-12-30 | 2020-12-30 | 一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112858191B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113624666B (zh) * | 2021-09-07 | 2022-09-23 | 清华大学 | 一种基于点阵激光扫描的流式成像系统 |
| CN116026849B (zh) * | 2023-02-14 | 2023-12-01 | 深圳赛陆医疗科技有限公司 | 洁净度检测系统 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2391183Y (zh) * | 1999-10-08 | 2000-08-09 | 深圳大学师范学院 | 振镜扫描光谱仪 |
| CN204903006U (zh) * | 2015-07-14 | 2015-12-23 | 中国地质调查局南京地质调查中心 | 一种光纤光谱仪光学机械扫描机构 |
| CN107850530A (zh) * | 2015-05-04 | 2018-03-27 | 港大科桥有限公司 | 用于定量相位梯度线性调频波长编码的光学成像的装置和方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3218108B2 (ja) * | 1993-02-10 | 2001-10-15 | シスメックス株式会社 | イメージングフローサイトメータ |
-
2020
- 2020-12-30 CN CN202011619742.4A patent/CN112858191B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2391183Y (zh) * | 1999-10-08 | 2000-08-09 | 深圳大学师范学院 | 振镜扫描光谱仪 |
| CN107850530A (zh) * | 2015-05-04 | 2018-03-27 | 港大科桥有限公司 | 用于定量相位梯度线性调频波长编码的光学成像的装置和方法 |
| CN204903006U (zh) * | 2015-07-14 | 2015-12-23 | 中国地质调查局南京地质调查中心 | 一种光纤光谱仪光学机械扫描机构 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Andy K.S.Lau 等.Optofluidic time-stretch imaging-an emerging tool for high-throughput imaging flow cytometry.《Lab on a chip》.2016,第16卷1744页右栏6行-1748页左栏20行，图2. * |
| Optofluidic time-stretch imaging-an emerging tool for high-throughput imaging flow cytometry;Andy K.S.Lau 等;《Lab on a chip》;20161231;第16卷;1744页右栏6行-1748页左栏20行，图2 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112858191A (zh) | 2021-05-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7050983B2 (ja) | マルチモードの蛍光撮像フローサイトメトリシステム | |
| CN112858191B (zh) | 一种基于光谱标记法和光扫频法的流式成像系统 | |
| JP6002232B2 (ja) | 時間分解単一光子計数イメージングスペクトルシステム | |
| CN113624666B (zh) | 一种基于点阵激光扫描的流式成像系统 | |
| CA2499773C (en) | Optical tomography of small moving objects using time delay and integration imaging | |
| CN108267445A (zh) | 三维双光子光片显微及光谱多模式成像装置及方法 | |
| CN104535481B (zh) | 成像流式细胞仪 | |
| CN109632735B (zh) | 光学超分辨显微成像系统及成像方法 | |
| CN107655569A (zh) | 高光谱相机、高光谱成像装置及控制方法 | |
| CN211652548U (zh) | 基于光电倍增管的高灵敏度拉曼光谱仪 | |
| CN104614318A (zh) | 一种快速的超分辨显微成像方法和装置 | |
| CN1543567A (zh) | 新测量技术 | |
| CN106772420A (zh) | 水下微小颗粒物探测的高光谱连续光激光雷达系统 | |
| CN207882442U (zh) | 水下微小颗粒物探测的高光谱连续光激光雷达系统 | |
| CN109884657B (zh) | 一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统 | |
| CN109253997B (zh) | 一种基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像系统 | |
| CN105044066B (zh) | 一种基于宽带受激辐射的纳米oct成像方法及系统 | |
| US10663393B2 (en) | Spectrum inspecting apparatus | |
| CN109557070A (zh) | 一种基于空间编码光的拉曼成像系统 | |
| CN109358004B (zh) | 双波长差分非标记显微成像的方法和装置 | |
| CN108627494B (zh) | 一种用于快速二维拉曼光谱扫描成像的系统 | |
| CN204832040U (zh) | 一种基于宽带受激辐射的纳米oct成像系统 | |
| RU2658140C1 (ru) | Конфокальный спектроанализатор флуоресцентных изображений | |
| CN208125648U (zh) | 基于组合x射线毛细管的微束x射线荧光分析系统 | |
| CN211962001U (zh) | 一种高光谱深层三维散射光影像仪 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |