CN115901712A

CN115901712A - 一种光纤拉曼光度计及其搭建方法和应用

Info

Publication number: CN115901712A
Application number: CN202110901738.5A
Authority: CN
Inventors: 田阳; 刘智超
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2021-08-06
Filing date: 2021-08-06
Publication date: 2023-04-04
Also published as: CA3228104A1; KR20240054967A; WO2023011582A1

Abstract

本发明公开了一种光纤拉曼光度计，包括光源部分；扫描系统，其核心基于激光共聚焦单元，包括第一滤波片、第二滤波片、第一反射镜、第二反射镜、扫描器、物镜，当激发光从光纤激光器产生后，依次经过第一滤波片、第一反射镜、第二滤波片、第二反射镜进入扫描器，然后经过物镜进行聚焦；探测系统，其为基于多模光纤的信号传输和收集，光纤末端进行拉锥，入射光经过物镜聚焦后进入光纤，激发光从光纤拉锥端发射，激发探针产生拉曼信号，然后通过同一根光纤进行收集；信号收集系统，信号收集系统与扫描系统部分重叠，当光纤收集的拉曼信号返回扫描器后，经过第二反射镜和第二滤波片返回到拉曼光谱仪，拉曼光谱仪读出拉曼信号。

Description

一种光纤拉曼光度计及其搭建方法和应用

技术领域

本发明属于光谱成像及生物传感技术领域，涉及一种光纤拉曼光度计及其搭建方法和应用。

背景技术

大脑作为中枢神经系统中最高级的部分，其内环境的改变会带来一系列的疾病。尤其是深部脑区，其内环境的改变有着更重要的病理学意义。开展深部脑区相关研究，有利于阐明神经系统结构和功能，从而揭示大脑工作的神经机制，为相关疾病的诊断与治疗提供更可靠的依据。传统的功能化磁共振成像和电生理技术广泛用于脑成像分析，但是普遍受限于空间分辨率低，并且很难区分不同物质的化学信号。基于分子指纹信息的高光谱分辨率，表面增强拉曼光谱(SERS)为探测不同物质化学信号变化提供了最佳策略，具有抗光漂白和自发荧光的优势。但是在传统的拉曼仪器中，激发光的穿透能力有限，只能用于溶液、细胞或组织水平信号的探测，很难用于活体，尤其是深部脑区拉曼信号的收集，因此，迫切需要开发一种可用于活体深部脑区拉曼信号收集的仪器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤拉曼光度计搭建方法及应用，所述光纤拉曼光度计生物相容性好、可实现深部脑区拉曼信号采集等特点。

本发明提供了一种光纤拉曼光度计，如附图6所示。

所述光纤拉曼光度计包括以下组成部分：

(1)光源部分。光源部分为光纤激光器。其激发中心波长为785nm±0.5nm等；输出功率可调0-500mW；线宽小于0.1nm；输出接口为SMA905或FC/PC；工作电压为220V。

(2)扫描系统。扫描系统核心基于激光共聚焦单元，其部件包括第一滤波片、第二滤波片、第一反射镜、第二反射镜、扫描器、物镜等部件。当激发光从激光器产生后，经过滤波片和反射镜进入扫描器，然后经过物镜进行聚焦。其第一滤波片为带通滤波片，可让785nm的光透过；第二滤波片为陷波滤波片，主要用于过滤入射光。第一反射镜和第二反射镜均为全反射镜。扫描器为激光共聚焦扫描单元。物镜放大倍数为10×，NA 0.25。如附图7所示。

(3)探测系统。探测系统主要是基于多模光纤的信号传输和收集。光纤末端进行拉锥，入射光经过物镜聚焦后的进入光纤，激发光从光纤拉锥端发射激发探针，产生拉曼信号，然后通过同一根光纤进行收集。光纤为多模光纤，纤芯为200微米，包层为25微米。数值孔径(NA)为0.22，传输范围400-1100nm。光纤末端椎长为480微米。如附图8所示：

(4)信号收集系统。信号收集系统与扫描系统部分重叠，当光纤收集的拉曼信号返回扫描器后，进一步经过第二反射镜、第二滤波片返回到拉曼光谱仪，拉曼光谱仪读出拉曼信号。其扫描器为激光共聚焦扫描单元。物镜放大倍数为10×，NA 0.25。第二反射镜均为全反射镜；第二滤波片为陷波滤波片，过滤785nm入射光。如附图9所示。

本发明提供了一种光纤拉曼光度计搭建方法，包括如下步骤：

步骤1：组装共聚焦扫描单元，具体包括以下子步骤：

步骤1-1：依次安装第一滤波片、第一反射镜、第二滤波片、第二反射镜；

步骤1-2：安装物镜；

步骤2：搭建扫描系统,具体包括以下子步骤：

步骤2-1：将光纤激光器通过光纤与共聚焦扫描单元连接；

步骤2-2：调试光路，测试激发光可通过共聚焦扫描单元，并由物镜传输出来；

步骤3：搭建探测系统，具体包括以下子步骤：

步骤3-1：将光纤进行拉锥，获得锥形光纤，提升光纤信号收集效率；

步骤3-2：将锥形光纤组装到扫描系统末端，调试激发光耦合到光纤内；

步骤4：搭建信号收集系统，具体包括以下子步骤：

步骤4-1：将拉曼光谱仪通过光纤与共聚焦扫描单元连接；

步骤4-2：测试拉曼信号收集。

本发明还提供了如上所述方法构建的光纤拉曼光度计在体内和/或体外拉曼信号收集中的应用。

本发明还提供了如上所述方法构建的光纤拉曼光度计在激发光激发下，体外拉曼分子信号收集中的应用，所述拉曼分子如罗丹明B，钛菁铜，花菁染料5。

其中所述激发光波长如633nm，785nm，优选地，为785nm。

其中，所述拉曼分子浓度为0.1-5mM，优选地；为1mM。

其中，扫描范围为100-3200cm^-1，优选地，为1000-1800cm^-1。

本发明还提供了如上所述方法构建的光纤拉曼光度计在激发光激发下，不同脑区内拉曼分子信号收集中的应用，所述不同脑区为皮层，海马区，纹状体，丘脑。

其中，所述激发光波长如633nm，785nm，优选地，为785nm。

其中，所述拉曼分子如罗丹明B，钛菁铜，花菁染料5；优选地，为罗丹明B。

其中，扫描范围为100-3200cm^-1，优选地，为1000-1800cm^-1。

本发明的有益效果在于：构建一种光纤拉曼光度计，可以实现活体动物深层组织内拉曼信号的获取，该项应用功能是目前商业化拉曼仪器所不具备的。

附图说明

图1是实施例1在不同激发波长下探测的空白光纤拉曼光谱图。

图2是实施例2在785nm波长激光激发下收集的(a)罗丹明B，(b)钛菁铜，(c)花菁5的拉曼光谱。

图3是实施例3光纤靶向不同脑区示意图。

图4是实施例3制备拉曼探针。(a)金纳米星透射电镜表征；(b)金纳米星的粒径分布图；(c)金纳米星(AuNS)和拉曼探针(RhB@AuNS)的紫外吸收表征；(d)氨基罗丹明B(RhB)和拉曼探针(RhB@AuNS)在785nm激发下的拉曼光谱图。

图5是实施例3在不同脑区收集的探针拉曼光谱。(a)皮层；(b)海马区；(c)纹状体；(d)丘脑。

图6是本发明一种光纤拉曼光度计示意图。

图7是本发明一种光纤拉曼光度计扫描系统示意图。

图8是本发明一种光纤拉曼光度计探测系统示意图。

图9是本发明一种光纤拉曼光度计信号收集系统示意图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明公开了一种光纤拉曼光度计搭建方法及应用。首先搭建一台便携式拉曼光谱信号采集设备，在此基础上，进一步搭建光纤拉曼光度计，实现体外和体内拉曼信号的高效收集。所述光纤拉曼光度计有四部分组成，包括光源、扫描系统、探测系统、信号收集系统。本发明还公开了所述光纤拉曼系统在溶液及脑切片内拉曼信号收集中的应用。

实施例1光纤拉曼光度计空白光纤信号的收集

如图1所示为光纤拉曼光度计在不同激发光激发下的光纤本身的拉曼光谱。

实施例2光纤拉曼光度计用于溶液中不同拉曼分子信号收集

为了评估光纤拉曼光度计对溶液中拉曼分子的拉曼信号收集，首先将不同分子，包括罗丹明B，钛菁铜，花菁染料5溶解于乙醇中，配成1mM溶液，然后进行信号收集。本发明中的测量溶液中拉曼信号分子方法比已有仪器测量方法更为简单、便捷，不需要额外的聚焦过程。

如图2所示为不同拉曼分子的拉曼光谱图，具有不同分子的拉曼特征峰。

实施例3光纤拉曼光度计用于不同脑区拉曼信号收集

为了评估光纤拉曼光度计可用于不同脑区拉曼信号的收集，首先对光纤靶向脑区的能力进行评估。如图3所示，光纤可有效靶向大脑皮层、海马区、纹状体和丘脑等脑区。另一方面，为了增强分子的拉曼信号，进一步合成了金纳米星(AuNS)。如图4所示，透射电子显微镜结果表明制备的金纳米星均匀分散，粒径约为41.97±8.17nm。随后，将氨基罗丹明B分子(RhB)通过金与氨基相互作用修饰到金纳米星上，紫外吸收表明，单独的AuNS吸收在760nm左右，当RhB修饰到AuNS上后，AuNS的吸收发生7nm红移，并且出现明显的RhB的吸收峰(～550nm)。此外，拉曼光谱表明，当RhB分子修饰到AuNS后，RhB的拉曼信号发生明显增强。这些结果表明RhB@AuNS探针成功制备。

随后将RhB@AuNS探针与脑片孵育30分钟，然后用光纤光度计进行不同脑区的拉曼信号收集。如图5所示，光纤拉曼光度计可用于不同脑区内探针拉曼信号的收集，这是首次报道的可以实现深部脑区拉曼信号收集的设备。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims

1.一种光纤拉曼光度计，其特征在于，包括：

光源部分，所述光源部分为光纤激光器；

扫描系统，所述扫描系统核心基于激光共聚焦单元，包括第一滤波片、第二滤波片、第一反射镜、第二反射镜、扫描器、物镜，当激发光从光纤激光器产生后，依次经过第一滤波片、第一反射镜、第二滤波片、第二反射镜进入扫描器，然后经过物镜进行聚焦；

探测系统，所述探测系统为基于多模光纤的信号传输和收集，光纤末端进行拉锥，入射光经过物镜聚焦后进入光纤，激发光从光纤拉锥端发射，激发探针产生拉曼信号，然后通过同一根光纤进行收集；

信号收集系统，信号收集系统与扫描系统部分重叠，当光纤收集的拉曼信号返回扫描器后，经过第二反射镜和第二滤波片返回到拉曼光谱仪，拉曼光谱仪读出拉曼信号。

2.如权利要求1所述的光纤拉曼光度计，其特征在于，所述光源部分中，所述激光器激发中心波长为785nm±0.5nm；输出功率可调0-500mW；线宽小于0.1nm；输出接口为SMA905或FC/PC；工作电压为220V。

3.如权利要求1所述的光纤拉曼光度计，其特征在于，所述扫描系统中，所述第一滤波片为带通滤波片，可让785nm的光透过；第二滤波片为陷波滤波片，用于过滤785nm入射光；所述第一反射镜和第二反射镜均为全反射镜，所述扫描器为激光共聚焦扫描单元，所述物镜放大倍数为10×，NA 0.25。

4.如权利要求1所述的光纤拉曼光度计，其特征在于，所述探测系统中，所述光纤为多模光纤，纤芯为200微米，包层为25微米，数值孔径(NA)为0.22，传输范围400-1100nm，所述光纤末端椎长为480微米。

5.一种如权利要求1-4之任一项所述的光纤拉曼光度计的搭建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：组装共聚焦扫描单元，具体包括以下子步骤：

步骤1-2：安装物镜；

步骤2：搭建扫描系统,具体包括以下子步骤：

步骤2-1：将光纤激光器通过光纤与共聚焦扫描单元连接；

步骤3：搭建探测系统，具体包括以下子步骤：

步骤4：搭建信号收集系统，具体包括以下子步骤：

步骤4-1：将拉曼光谱仪通过光纤与共聚焦扫描单元连接；

步骤4-2：测试拉曼信号收集。

6.一种如权利要求5所述的方法搭建的光纤拉曼光度计在体内和/或体外拉曼信号收集中的应用。

7.一种如权利要求5所述的方法搭建的光纤拉曼光度计在激发光激发下，体外拉曼分子信号收集中的应用；其中，

所述拉曼分子包括罗丹明B，钛菁铜，花菁染料5；

所述激发光包括633nm，785nm；

所述拉曼分子浓度为0.1-5mM；

扫描范围为100-3200cm^-1。

8.一种如权利要求5所述的方法搭建的光纤拉曼光度计在激发光激发下，不同脑区内拉曼分子信号收集中的应用；其中，

所述不同脑区为皮层，海马区，纹状体，丘脑；

所述激发光包括633nm，785nm；

所述拉曼分子包括罗丹明B，钛菁铜，花菁染料5；

扫描范围为100-3200cm^-1。