[發(fā)明專利]基于寬帶受激輻射的時間分辨光學(xué)生物檢測設(shè)備及其檢測成像方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010532382.8
• 申請日: 2020-06-12
• 公開（公告）號: CN111678898B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁志華;劉智毅;孟佳;邱建榕;韓濤;王迪
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64;G01N21/63;G01N21/45;G02B21/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 王琛

本發(fā)明公開了一種基于寬帶受激輻射的時間分辨光學(xué)生物檢測設(shè)備及其檢測成像方法，其將泵浦探測技術(shù)與光學(xué)相干顯微技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對被測樣本的受激輻射壽命成像；設(shè)備包括超連續(xù)譜光源、光調(diào)制單元、光學(xué)相干顯微單元，其中光調(diào)制單元調(diào)制輸入激光生成帶有時間延遲的泵浦光和探測光，光學(xué)相干顯微單元用于對生物樣本進(jìn)行相干探測，系統(tǒng)使用相矢量法對信號強(qiáng)度和時間延遲的關(guān)系曲線進(jìn)行分析，獲得壽命相關(guān)的信息。本發(fā)明能夠反映原子能級更精細(xì)的結(jié)構(gòu)，具有長工作距離、高時空分辨率、快速成像等優(yōu)勢，兼具組織結(jié)構(gòu)信息和分子特異性信息。此外，本發(fā)明還可實(shí)現(xiàn)對非熒光色團(tuán)的探測，規(guī)避了特定情形下熒光標(biāo)記可能帶來的探測偏差。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于寬帶受激輻射的時間分辨光學(xué)生物檢測設(shè)備及其檢測成像方法。

背景技術(shù)

光學(xué)相干層析術(shù)(OCT)或較高數(shù)值孔徑下的光學(xué)相干顯微術(shù)(OCM)可對活體組織實(shí)現(xiàn)微米量級分辨率和毫米量級成像深度的在體成像，已在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。但由于其對比度來源于細(xì)胞和組織折射率的變化，而在不同生理病理狀態(tài)下由細(xì)胞代謝引起的組織復(fù)折射率實(shí)部的變化不大，因而散射對比機(jī)制下的OCT/OCM技術(shù)在分子特異性識別能力上存在不足，亟待發(fā)展具有分子特異性的OCT成像新方法。

基于受激輻射效應(yīng)的非熒光色團(tuán)成像技術(shù)是指當(dāng)非熒光色團(tuán)的原子吸收激發(fā)光的光子躍遷到激發(fā)態(tài)之后，利用一束探測光使得原子以受激輻射方式回到基態(tài)。理論上，受激輻射方法不僅可以實(shí)現(xiàn)對非熒光色團(tuán)的成像，也可以對常規(guī)的熒光樣品進(jìn)行成像，因此這一方法的出現(xiàn)為光學(xué)顯微技術(shù)的發(fā)展提供了很好的思路，對于光學(xué)顯微技術(shù)應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大起到了推動作用，而且鑒于受激輻射過程明顯快于自發(fā)輻射過程，這也為提高成像速度提供了潛在可能性。

具有時間分辨特性的熒光壽命成像(FLIM)被認(rèn)為比熒光強(qiáng)度成像具有更高的靈敏度和特異性；熒光壽命與分子的動力學(xué)特性密切相關(guān)，例如分子構(gòu)造和分子微環(huán)境的變化等，已被應(yīng)用于探測細(xì)胞和組織的特征，包括離子濃度、周圍環(huán)境的pH、細(xì)胞內(nèi)輔酶與蛋白質(zhì)的耦聯(lián)等等，這些特征均與細(xì)胞的新陳代謝水平密不可分。

雖然時間分辨壽命成像具有探測細(xì)胞新陳代謝水平的潛在優(yōu)勢和高靈敏特性，但是目前的方法仍然存在著諸多局限性，限制了其對活體細(xì)胞、離體組織細(xì)胞乃至在體組織細(xì)胞成像的能力。提高分子信號的收集效率(高信噪比)和分辨率水平(更清楚)，提高時間分辨壽命成像的速度(更快)，提高成像與探測的深度(更深)，是推進(jìn)壽命成像對細(xì)胞代謝水平檢測所面臨的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，同時也是進(jìn)一步拓展其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用范疇所亟需解決的難題。與此同時，當(dāng)前基于壽命信息實(shí)現(xiàn)細(xì)胞代謝水平的檢測仍然主要基于熒光色團(tuán)，來自于外源性的熒光標(biāo)記或是自發(fā)熒光物質(zhì)，這也在一定程度上限制了這些方法的應(yīng)用：首先，細(xì)胞內(nèi)大量包含新陳代謝信息的物質(zhì)為非熒光色團(tuán)，無法用熒光信號對其進(jìn)行成像；其次，某些應(yīng)用環(huán)境下不適宜用熒光染料對生物樣品進(jìn)行標(biāo)記，比如對活體組織細(xì)胞進(jìn)行成像時，熒光標(biāo)記可能會影響樣品的活性；最后，在對某些小型代謝產(chǎn)物分子進(jìn)行觀測時，由于這些分子本身的尺寸已經(jīng)小于熒光染料分子的尺寸，引入熒光標(biāo)記可能還會影響測量的分辨精度。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于上述，本發(fā)明提出了一種基于寬帶受激輻射的時間分辨光學(xué)生物檢測設(shè)備及其檢測成像方法，其將泵浦探測技術(shù)與光學(xué)相干顯微技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對被測樣本的熒光壽命成像。

一種基于寬帶受激輻射的時間分辨光學(xué)生物檢測設(shè)備，包括超連續(xù)譜光源、光調(diào)制單元、光學(xué)相干顯微單元以及計算機(jī)，其中：

所述超連續(xù)譜光源用于產(chǎn)生超連續(xù)譜激光；

所述光調(diào)制單元通過對超連續(xù)譜激光進(jìn)行調(diào)制生成一路帶有強(qiáng)度調(diào)制的泵浦光和一路具有時間延遲特性的探測光，進(jìn)而將這兩路光合成后送入光學(xué)相干顯微單元；

所述光學(xué)相干顯微單元利用輸入的合成光對生物樣本進(jìn)行相干探測，獲得能夠反映生物樣本發(fā)光壽命信息的電信號；