[發明專利]一種非接觸式空間超分辨相干拉曼光譜成像方法

有效

• 申請號: 202011281924.5
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112485240B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 曾和平;呂天健;閆明
• 申請（專利權）人: 華東師范大學重慶研究院;上海朗研光電科技有限公司;華東師范大學;重慶華譜新能源有限公司;重慶華譜信息技術有限公司;云南華譜量子材料有限公司;南京朗研光電科技有限公司
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65
• 代理公司: 重慶啟恒騰元專利代理事務所(普通合伙) 50232
• 代理人: 江濤

本發明提供了一種突破光學衍射極限的非接觸式無標記空間超分辨相干拉曼光譜成像方法。方法通過“泵浦?耗盡?探測”的光學測量方式，解決光學衍射效應對空間分辨率的限制，并利用超短脈沖激發相干拉曼過程，結合雙光梳“泵浦?探測”的寬帶光譜測量方式，實現空間超分辨成像與寬帶相干拉曼光譜測量的統一，最終實現對樣品表面的非接觸式超分辨相干拉曼光譜成像。

技術領域

本發明涉及拉曼光譜測量與成像領域，尤其涉及一種非接觸式空間超分辨相干拉曼光譜成像方法。

背景技術

相干拉曼光譜測量與成像技術是研究分子物理特性、化學反應動態過程、生物微觀結構的重要手段，是無標記、高分辨生醫成像的技術基礎，同時也為工業活動提供了一種非接觸式光學檢測方法，因此具有極其重要的科學價值與應用前景。

相干拉曼光譜技術主要包括相干反斯托克斯拉曼技術(CARS)和受激拉曼光譜技術(SRS)；其基本原理是通過多光子過程誘發分子的振動能級躍遷，并輻射出頻率藍移的反斯托克斯光(CARS)或引發激發光強度的漲落(SRS)；特點是信號具有極好的時間與空間相干特性。該特點使其探測方向上的拉曼信號強度相對于普通拉曼散射有了數量級的提升，因此相干拉曼技術也是弱信號探測和成像的重要手段。

此外，與檢測分子偶極矩變化的紅外光譜不同，相干拉曼過程主要基于分子振動時產生的極化率變化，因此在很大程度上不會受到水分子吸收效應的影響，更適合于活體生物細胞(組織)成像診斷和工業過程的光學監測。

相干拉曼光譜與成像技術通過測量分子(或化學鍵)的拉曼特征譜線(指紋光譜)來實現對目標物質的識別和定性、定量分析。然而，對于復雜分子體系(如生物細胞、DNA)而言，分子或化學鍵的指紋峰分布情況錯綜復雜，且在分子間相互作用或環境作用下存在峰位移動的情況，因此通過對單一指紋峰的測量無法準確判斷分子的種類、狀態及其動態過程。

另一方面，拉曼成像的空間分辨率是決定其在化學、生物醫學等領域的應用價值的關鍵因素。目前的空間超分辨成像主要依賴于熒光標記方法，和基于納米結構的表面增強拉曼技術。基于熒光標記法的技術主要有受激發射損耗顯微鏡技術和光激活定位顯微鏡技術，適用范圍有限，且無法提供寬帶分子特征光譜信息。基于納米結構的表面增強拉曼技術可以實現近場超分辨分子成像，但是實施條件苛刻，且探針必需與物質表面接觸。這種方式不可避免地增加了樣品制備的難度，且對目標樣品的選擇具有明顯地局限性，因此很大程度上限制了其在生物醫學研究中的應用。

綜上所述，目前的超分辨光學診斷技術難以擺脫對接觸式探針或熒光標記物的依賴，且無法做到寬帶分子指紋光譜測量與超分辨光學成像的統一。

發明內容：

針對上述現有技術的缺點，提出了一種非接觸條件下實現突破光學衍射極限的空間超分辨相干拉曼光譜成像方法。方法通過“泵浦-耗盡-探測”的光學測量方式，解決光學衍射效應對空間分辨率的限制，并利用超短脈沖激發相干拉曼過程，結合雙光梳“泵浦-探測”的寬帶光譜測量方式，實現空間超分辨成像與寬帶相干拉曼光譜測量的統一，最終實現對樣品表面的非接觸式超分辨相干拉曼光譜成像。

本發明目的實現由以下技術方案完成：

本發明提供了一種非接觸式空間超分辨相干拉曼光譜成像方法，利用兩臺重復頻率有微小差別(重復頻率差小于1kHz)的飛秒光梳作為光源，其中一臺光梳，分成兩路，分別作為泵浦光和“耗盡”光，且兩路光之間存在延時t；另一臺光梳用作探測光。“耗盡”光經過一個相位板，形成空間分布為圓環狀的光斑。三束光共線，并通過顯微物鏡聚焦于待測樣品表面；利用“泵浦-耗盡-探測”構架，產生突破光學衍射極限的光斑照亮樣品；利用相干拉曼過程，產生波長藍移的反斯托克斯光；利用雙光梳“泵浦-探測”技術，實現相干拉曼光譜的快速測量；利用點掃描的方式，實現樣品表面的超分辨高光譜成像。

具體來說：