CN2811990Y - 高灵敏度光镊拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种高灵敏度光镊拉曼光谱仪，包括泵浦光路、探测光路、可见光照明光路和观测光路，其特征在于还有斯托克斯激光器，该斯托克斯激光器发出的斯托克斯激光经合束器与泵浦激光器发出的泵浦光合束，对待测样品作用，产生相干反斯托克斯拉曼散射。本实用新型与现有的普通拉曼散射光镊光谱仪相比，具有较高的拉曼光谱信噪比和探测灵敏度。

Description

高灵敏度光镊拉曼光谱仪

技术领域

本实用新型涉及拉曼光谱仪，特别是一种将相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)与光镊技术结合的高灵敏度光镊拉曼光谱仪。它可以广泛用于细胞生物学和医学研究，可以研究单个活细胞的动态变化过程以及识别癌细胞和正常细胞。

背景技术

利用拉曼光谱技术与光镊技术结合是近年比较活跃的研究方向。

现有技术：单个光俘获细胞的近红外拉曼光谱仪(Yong-qing Li etal.Opt.Lett.27(4)，249-251，2002)，其光路如图1所示。一束波长为785nm的半导体激光1经过窄带滤波器2滤波后通过反射镜3、陷波滤波器4(HNF)、二色镜5后被物镜6聚焦在样品台7上，在焦点附近形成一个单光束光势阱即光镊。光镊可以俘获样品池里的单细胞样品。同时这束激光也用来激发被囚禁细胞的拉曼散射。在收集光路里，物镜6也作为收集透镜准直来自细胞的背向散射光。细胞的散射光包括三部分：拉曼信号、荧光和弹性散射光。背向散射光经物镜6准直后通过二色镜5、陷波滤波器4(HNF)、陷波滤波器13(HNF)后由透镜14聚焦到探测器15。探测器15对散射光分析后就得到拉曼光谱。两个陷波滤波器4、13用来滤除波长与激发波长相同的弹性散射光。二色镜5反射红外光透射可见光。氙灯9和聚光灯8构成了用于样品成像的可见光照明系统，分束器10将像分别由目镜11和数码摄像机12两个通道输出，以方便观测样品的像。

这种近红外拉曼光谱仪虽然比普通显微拉曼光谱仪相比具有一定的优点，但是存在如下不足：

(1)由于是普通拉曼散射，其拉曼散射信号很弱，特别是对细胞、细菌、病毒等生物样品。

(2)荧光信号虽然有所减小但依然比较大，对拉曼散射信号的影响很大。

(3)拉曼光谱的信噪比不够高。

发明内容

本实用新型发明的目的是为了解决上述现有技术的不足，提供一种高灵敏度光镊拉曼光谱仪，以提高拉曼光谱的信噪比和探测灵敏度。

本实用新型高灵敏度光镊拉曼光谱仪的关键是将相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)与光镊技术相结合。相干反斯托克斯拉曼散射实际上是一种3阶非线性光学过程，他需要频率为ω_p泵浦光和频率为ω_s斯托克斯光共同作用于介质，他们的频率满足如下关系

               ω_as＝2ω_p-ω_s     (1)式中ω_as为相干反斯托克斯拉曼散射光频率。相干反斯托克斯拉曼散射强度由下式决定：

$I_{\mathrm{as}}\∝I_p^2{I}_s---\left(2\right)$

相干反斯托克斯拉曼散射强化比普通拉曼散射强度大很多。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种高灵敏度光镊拉曼光谱仪，是对现有的普通拉曼散射光镊光谱仪的改进，包括泵浦光路、探测光路、可见光照明光路和观测光路，所述的泵浦光路包括泵浦激光器，在该泵浦激光器的输出光路的前进方向依次是窄带滤波器、合束器、第一分束器、二色镜、物镜、样品台，所述的合束器、第一分束器和二色镜平行并与所述的光路呈45°放置，使所述的光路辗转反折，该泵浦激光器输出的平行光束沿上述光路前进，经物镜聚焦后在样品台上形成光镊；所述的探测光路依次由物镜、二色镜、第一分束器、带通滤波器、透镜和探测器构成；所述的可见光照明光路由氙灯和聚光灯构成，所述的样品台上的被测样品位于所述的聚光灯和物镜的共焦点；所述的观测光路由物镜、二色镜、第二分束器、目镜和数码摄像机构成；其特征在于还有斯托克斯激光器，该斯托克斯激光器发出的斯托克斯激光经合束器与泵浦激光器发出的泵浦光合束，对待测样品作用，产生相干反斯托克斯拉曼散射。

所述的泵浦激光器为半导体激光器。

所述的斯托克斯激光器是频率可调的钛宝石激光器。

所述的合束器对频率为ω_p的泵浦光高反射，对频率为ω_s的斯托克斯光高透射的合束器。

所述的第一分束器对频率为ω_p的泵浦光和频率为ω_s的斯托克斯光高反射，对频率为ω_as的反斯托克斯光高透射的分束器。

所述的带通滤波器是透过频率为ω_as的带通滤波器。

所述的探测器(15)是一高灵敏度的二维CCD阵列。

本实用新型高灵敏度光镊拉曼光谱仪光谱仪的基本操作过程是，用泵浦光构成的光镊俘获样品，然后调节斯托克斯光的频率使得ω_p-ω_s等于样品的某一特征拉曼频率，然后记录相干反斯托克斯拉曼散射图像。改变斯托克斯光的频率可以得到不同特征频率处的拉曼图像。这样我们就可以得到特征基团在样品内的分布情况。

本实用新型高灵敏度光镊拉曼光谱仪与普通拉曼散射光镊光谱仪相比具有如下优点：

(1)相干反斯托克斯拉曼散射的频率比荧光高容易与荧光信号分离。

(2)相干反斯托克斯拉曼散射强度比普通拉曼散射强，因此

(3)相干反斯托克斯拉曼散射的信噪比明显提高。

本实用新型高灵敏度光镊拉曼光谱仪克服了普通拉曼散射光镊光谱仪无法克服的缺点，提高了探测的灵敏度，为诊断细胞的正常生命过程和异常过程提供了有力的工具。在对不同细胞的探测和识别，如癌细胞的早期检测等方面有着非常广泛的应用前景。

附图说明

图1是现有普通拉曼散射光镊光谱仪的光路示意图。

图2是本实用新型高灵敏度光镊拉曼光谱仪的光路示意图。

具体实施方式

请参阅图2，图2是本实用新型高灵敏度光镊拉曼光谱仪实施例的光路示意图。由图可见，本实用新型高灵敏度光镊拉曼光谱仪的构成包括泵浦光路、探测光路、可见光照明光路和观测光路，所述的泵浦光路包括泵浦激光器1，在该泵浦激光器1的输出光路的前进方向依次是窄带滤波器2、合束器3、第一分束器4、二色镜5、物镜6、样品台7，所述的合束器3、第一分束器4和二色镜5平行并与所述的光路呈45°放置，使所述的光路辗转反折，该泵浦激光器1输出的平行光束沿上述光路前进，经物镜6聚焦后在样品台7上物镜6的焦点形成光镊；所述的探测光路依次由物镜6、二色镜5、第一分束器4、带通滤波器13、透镜14和探测器15构成；所述的可见光照明光路由氙灯9和聚光灯8构成，所述的样品台7上的被测样品位于所述的聚光灯8和物镜6的共焦平面的焦点；所述的观测光路由物镜6、二色镜5、第二分束器10、目镜11和数码摄像机12构成；其特征在于还有斯托克斯激光器16，该斯托克斯激光器16发出的斯托克斯激光经合束器3与泵浦激光器1发出的泵浦光合束，对待测样品作用，产生相干反斯托克斯拉曼散射。

所述的泵浦激光器1为半导体激光器。

所述的斯托克斯激光器16是频率可调的钛宝石激光器。

所述的合束器3对频率为ω_p的泵浦光高反射，对频率为ω_s的斯托克斯光高透射的合束器。

所述的第一分束器4对频率为ω_p的泵浦光和频率为ω_s的斯托克斯光高反射，对频率为ω_as的反斯托克斯光高透射的分束器。

所述的带通滤波器13是透过频率为ω_as的带通滤波器。

所述的探测器15是一高灵敏度的二维CCD阵列。

由半导体激光器1发出的一束波长为785nm的泵浦光ω_p经过窄带滤波器2滤波后和一频率可调的钛宝石激光器16发出的斯托克斯光ω_s通过合束器3结合在一起，经第一分束器4、二色镜5后被物镜6聚焦在样品台7上，在焦点附近形成一个单光束光势阱，即光镊。该光镊可以俘获样品池里的单细胞样品。泵浦光和斯托克斯光共同与样品作用激发被囚禁细胞的相干反斯托克斯拉曼散射。在收集光路里，物镜6也作为收集透镜准直来自细胞的背向散射光。细胞的散射光包括三部分：拉曼信号、荧光和弹性散射光。背向散射光经物镜6准直后通过二色镜5、第一分束器4、透过频率为ω_as的带通滤波器13，滤波后由透镜14聚焦到探测器15上。在探测器15上我们就得到了样品的高灵敏度的拉曼图像。二色镜5反射红外光，透射可见光。氙灯9和聚光灯8构成了用于样品成像的可见光照明系统，第二分束器10将像分为目镜11和数码摄像机12两个通道输出，以方便观测样品的像。

这一技术与现有技术的差别如下：

1)增加了频率可调的为ω_s的斯托克斯光。

2)合束器3对频率为ω_p的泵浦光高反射，对频率为ω_s的斯托克斯光高透射。

3)第一分束器4对频率为ω_p的泵浦光和频率为ω_s的斯托克斯光高反射，对频率为ω_as的反斯托克斯光高透射。

4)带通滤波器13是透过频率为ω_as的带通滤波器。

5)探测器15是一高灵敏度的二维CCD阵列。

经实验证明，本实用新型装置具有较高的拉曼光谱信噪比和探测灵敏度。

Claims (7)

1、一种高灵敏度光镊拉曼光谱仪，包括泵浦光路、探测光路、可见光照明光路和观测光路，所述的泵浦光路包括泵浦激光器(1)，在该泵浦激光器(1)的输出光路的前进方向依次是窄带滤波器(2)、合束器(3)、第一分束器(4)、二色镜(5)、物镜(6)、样品台(7)，所述的合束器(3)、第一分束器(4)和二色镜(5)平行并与所述的光路呈45°放置，使所述的光路辗转反折，该泵浦激光器(1)输出的平行光束沿上述光路前进，经物镜(6)聚焦后在样品台(7)上形成光镊；所述的探测光路依次由物镜(6)、二色镜(5)、第一分束器(4)、带通滤波器(13)、透镜(14)和探测器(15)构成；所述的可见光照明光路由氙灯(9)和聚光灯(8)构成，所述的样品台(7)上的被测样品位于所述的聚光灯(8)和物镜(6)的共焦平面的焦点；所述的观测光路由物镜(6)、二色镜(5)、第二分束器(10)、目镜(11)和数码摄像机(12)构成；其特征在于还有斯托克斯激光器(16)，该斯托克斯激光器(16)发出的斯托克斯激光经合束器(3)与泵浦激光器(1)发出的泵浦光合束，对待测样品作用，产生相干反斯托克斯拉曼散射。

2、根据权利要求1所述的高灵敏度光镊拉曼光谱仪，其特征在于所述的泵浦激光器(1)为半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度光镊拉曼光谱仪，其特征在于所述的斯托克斯激光器(16)是频率可调的钛宝石激光器。

4、根据权利要求1所述的高灵敏度光镊拉曼光谱仪，其特征在于所述的合束器(3)对频率为ω_p的泵浦光高反射，对频率为ω_s的斯托克斯光高透射的合束器。

5、根据权利要求1所述的高灵敏度光镊拉曼光谱仪，其特征在于所述的第一分束器(4)对频率为ω_p的泵浦光和频率为ω_s的斯托克斯光高反射，对频率为ω_as的反斯托克斯光高透射的分束器。

6、根据权利要求1所述的高灵敏度光镊拉曼光谱仪，其特征在于所述的带通滤波器(13)是透过频率为ω_as的带通滤波器。

7、根据权利要求1所述的高灵敏度光镊拉曼光谱仪，其特征在于所述的探测器(15)是一高灵敏度的二维CCD阵列。

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