公務(wù)員期刊網(wǎng) 論文中心 正文

顯微光譜成像裝置研制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究

前言:想要寫出一篇引人入勝的文章?我們特意為您整理了顯微光譜成像裝置研制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究范文,希望能給你帶來靈感和參考,敬請(qǐng)閱讀。

顯微光譜成像裝置研制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究

摘要:基于已完成的自組熒光顯微鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置,研制了一套通過有序控制光譜儀和振鏡實(shí)現(xiàn)顯微光譜成像裝置,并開發(fā)了配套的光譜圖像采集分析軟件。利用該裝置完成了量子點(diǎn)熒光樣品的熒光光譜測(cè)量、白光照明成像和顯微光譜成像等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。該光譜成像裝置的研制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能幫助學(xué)生掌握光譜成像的原理、實(shí)驗(yàn)操作方法和成像數(shù)據(jù)處理方法,拓展學(xué)生的研究內(nèi)容和視野,提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞:光譜成像裝置;顯微成像;熒光光譜

顯微光譜成像技術(shù)是一種通過有機(jī)整合光學(xué)顯微成像技術(shù)和光譜分析技術(shù),給出待測(cè)樣品光學(xué)分辨率下的空間位置信息和與之相對(duì)應(yīng)的光譜信息的成像探測(cè)技術(shù)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了空間顯微成像分辨能力和光譜探測(cè)能力的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),可以完成光學(xué)分辨率下的空間成像和位置定位,同時(shí)可以提供樣品的光譜成分分析以及不同光譜成分的選擇性成像。顯微光譜成像技術(shù)在生物熒光成像、醫(yī)學(xué)成像、熒光材料研制等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用,是在這些領(lǐng)域中進(jìn)行科研的有效實(shí)驗(yàn)手段[1-6]。近些年來,如何將科學(xué)研究中常用的一些實(shí)驗(yàn)技術(shù)融合到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的熱點(diǎn)課題之一[7-8]。目前,南開大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在已開設(shè)的物理實(shí)驗(yàn)課程基礎(chǔ)上,依托本校優(yōu)勢(shì)學(xué)科和已設(shè)立的自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備等項(xiàng)目,正在逐步將部分研究成果轉(zhuǎn)化為具體的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供有益的嘗試?;诖耍緦?shí)驗(yàn)中心嘗試研制了顯微光譜成像裝置,并自行編寫了該裝置的控制和成像軟件。該裝置主要通過振鏡將激發(fā)光束反射進(jìn)入顯微物鏡聚焦在樣品某一位置處,此位置處的樣品經(jīng)激發(fā)后發(fā)出熒光,熒光被同一物鏡收集,透過雙色鏡后進(jìn)入熒光采集光路,探測(cè)器獲取該位置處的熒光和光譜數(shù)據(jù);通過有序控制光譜儀和振鏡,計(jì)算機(jī)將有序采集的某一區(qū)域的光譜信號(hào)和相應(yīng)位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,獲得該區(qū)域樣品的顯微光譜圖像?;谠摴庾V成像裝置,設(shè)計(jì)了自組熒光顯微鏡、白光照明成像、熒光光譜測(cè)量和光譜成像等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

1光譜成像裝置的光路設(shè)計(jì)和搭建

自組顯微光譜成像裝置是基于我校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已搭建的自組熒光顯微鏡,通過在自組熒光顯微鏡光路中加入振鏡裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光束和熒光光束的位置控制,再通過編寫軟件有序控制振鏡和光譜儀之間的聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)顯微光譜成像功能。其中,自組熒光顯微鏡的搭建可參見文獻(xiàn)[9]。顯微光譜成像裝置的光路設(shè)計(jì)見圖1,主要由光源光路、可控激光掃描光路和熒光收集光路等組成,具體包括激光光源、白光光源、平面反射鏡、可移動(dòng)位置的平面反射鏡、雙色鏡、掃描振鏡、透鏡、物鏡、三維平移臺(tái)、熒光樣品、CMOS相機(jī)、光纖光譜儀等。光源光路包括532nm激光光源和白光光源,兩者可以通過可移動(dòng)的平面反射鏡實(shí)現(xiàn)激光激發(fā)成像和白光照明成像之間的自由切換。激光光束經(jīng)雙色鏡和振鏡反射后,依次經(jīng)過透鏡、物鏡后聚焦到裝載于三維平移臺(tái)的樣品上,樣品受激發(fā)出的熒光被同一物鏡收集,經(jīng)透鏡、振鏡、雙色鏡進(jìn)入后方熒光采集光路,后方的CMOS相機(jī)完成熒光圖像采集或白光照明圖像采集,光纖光譜儀完成光譜數(shù)據(jù)的采集,兩者可以通過可移動(dòng)的平面反射鏡實(shí)現(xiàn)CMOS探測(cè)光路和光纖光譜儀光路的自由切換。通過計(jì)算機(jī)控制振鏡位置,進(jìn)而控制激光光束聚焦位置和熒光采集位置,再通過計(jì)算機(jī)軟件有序控制振鏡和光譜儀之間的聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)樣品的逐點(diǎn)掃描、光譜數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)處理以及光譜圖像的獲得。顯微光譜成像裝置的光學(xué)元件主要從大恒光電公司和索雷博公司購(gòu)置。所用的熒光樣品為CdTe\CdS量子點(diǎn)。整個(gè)裝置采用反射式光路,激發(fā)光路和熒光光路共用同一物鏡,且配有白光光源可以隨時(shí)完成白光照明成像,光學(xué)圖像清晰,配合三維平移臺(tái)的操作可以方便地隨時(shí)觀察大范圍樣品和定位樣品區(qū)域。該裝置的光譜測(cè)試范圍為350~1050nm,可以完成可見光到近紅外光范圍內(nèi)的光譜信號(hào)采集和分析。

2顯微光譜成像

顯微光譜圖像采集工作由自行編寫的計(jì)算機(jī)控制軟件完成。圖2是光譜成像軟件的控制流程圖。光譜成像軟件的整個(gè)工作流程如下:利用LabVIEW編寫程序,控制掃描振鏡和光譜儀;計(jì)算機(jī)主機(jī)上的主程序輸出坐標(biāo)位置(Xi,Yi)給掃描振鏡,掃描振鏡的X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)和Y軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng),使光斑移動(dòng)到(Xi,Yi)位置處;光纖光譜儀采集此處的熒光光譜并存儲(chǔ),主程序提取光譜數(shù)據(jù),獲得坐標(biāo)(Xi,Yi)處的特定波段的熒光光譜強(qiáng)度值并存儲(chǔ);隨后主程序輸出坐標(biāo)位置(Xi+1,Yi+1)給掃描振鏡,重復(fù)后續(xù)過程,獲得坐標(biāo)(Xi+1,Yi+1)處的光譜數(shù)據(jù);依次改變坐標(biāo)位置,重復(fù)上述過程N(yùn)次,最終可獲得某一區(qū)域內(nèi)的樣品光譜圖像。以CdTe\CdS量子點(diǎn)為測(cè)試熒光樣品,襯底為石英。532nm激光光束激發(fā)樣品,可移動(dòng)的平面反射鏡將熒光光路切換到光譜儀光路,熒光信號(hào)經(jīng)透鏡聚焦后通過光纖進(jìn)入光譜儀完成光譜采集。圖3是光纖光譜儀采集的量子點(diǎn)樣品的熒光光譜曲線,采集時(shí)間10ms。從圖中可以看到,該量子點(diǎn)樣品的熒光峰值位于717nm處,整個(gè)熒光光譜范圍為650~800nm,半高寬72nm。為了驗(yàn)證整個(gè)裝置的顯微光譜成像能力和所編控制軟件的可行性,在量子點(diǎn)熒光樣品上做了一個(gè)十字形的標(biāo)記。首先通過光路中的可移動(dòng)平面反射鏡切換成白光光源照明光路,熒光光路切換到CMOS白光照明圖像采集光路,通過三維平移臺(tái)移動(dòng)樣品位置,使得十字形標(biāo)記進(jìn)入CMOS相機(jī)視野中,調(diào)整合適的樣品位置后,得到十字形標(biāo)記所在區(qū)域的白光照明灰度值圖像,如圖4(a)所示;隨后通過搭建的顯微光譜成像裝置對(duì)該十字形標(biāo)記所在區(qū)域進(jìn)行熒光光譜圖像采集,設(shè)定單個(gè)光譜的采集時(shí)間為10ms,共采集10000組光譜數(shù)據(jù),獲得的十字形標(biāo)記所在區(qū)域的光譜圖像如圖4(b)所示,圖中所用顏色為偽色,對(duì)應(yīng)光譜強(qiáng)度值。為了凸顯十字形標(biāo)記所在區(qū)域的白光照明圖像和光譜圖像以便相互對(duì)照,圖4(a)和4(b)僅顯示了部分成像結(jié)果。從圖4可以看到,白光照明圖像和光譜圖像中的十字形標(biāo)記均清晰可見,形狀一致,表明兩者的成像區(qū)域是同一樣品區(qū)域。圖4(b)中用紅色虛線標(biāo)記的區(qū)域,其熒光光譜強(qiáng)度為背景強(qiáng)度,表明此處沒有量子點(diǎn),這與圖4(a)中相同位置區(qū)域的白光照明圖像相對(duì)應(yīng),圖4(a)中顯示灰白色,表明此區(qū)域沒有量子點(diǎn)或量子點(diǎn)極少,白光光束直接被石英襯底反射進(jìn)入探測(cè)光路。圖4(b)中用紅色實(shí)線標(biāo)記的區(qū)域,其熒光光譜強(qiáng)度值較大,表明這些區(qū)域有較多的量子點(diǎn)聚集,這與圖4(a)中相同位置區(qū)域的白光照明圖像相對(duì)應(yīng),圖4(a)中顯示灰黑色,表明這些區(qū)域量子點(diǎn)較多,白光光束照射到量子點(diǎn)樣品上時(shí),發(fā)生漫反射,僅有較少的白光被物鏡收集進(jìn)入探測(cè)光路。因此,獲得的光譜圖像和白光照明圖像是一一對(duì)應(yīng)的,表明我們的顯微光譜成像裝置和自行編寫的相應(yīng)控制軟件是可以完成顯微光譜成像測(cè)試的。

3結(jié)語

在高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中,光譜儀相關(guān)實(shí)驗(yàn)是一類基礎(chǔ)的、已被廣泛采用的物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)[10-12]。本文通過自組顯微光譜成像裝置和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),以量子點(diǎn)熒光光譜測(cè)量和光譜成像為著力點(diǎn),將科學(xué)研究中常用的光譜分析手段和顯微成像手段融合進(jìn)高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了大膽的改革探索,這將幫助學(xué)生在夯實(shí)光譜儀相關(guān)的基本實(shí)驗(yàn)技能和光路調(diào)節(jié)能力的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步拓寬科學(xué)研究視野,領(lǐng)會(huì)光譜成像相關(guān)技術(shù)。通過接觸振鏡和光譜儀等硬件的控制和相關(guān)軟件程序的編寫模式等方式,期望能夠培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力,為提高本科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和高校學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量提供有益的思路。

參考文獻(xiàn)

[1]齊敏珺,王新全,于翠榮,等.靜態(tài)顯微光譜成像系統(tǒng)的研制[J].光學(xué)精密工程,2015,23(5):1240–1245.

[2]張運(yùn)海,楊皓旻,孔晨暉.激光掃描共聚焦光譜成像系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程,2014,22(6):1446–1453.

[4]付玲,袁菁,王家福,等.多光譜熒光共聚焦內(nèi)窺顯微成像系統(tǒng)研究[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息,2015(10):6–9.

[6]原江偉,張春光,王號(hào),等.基于聲光可調(diào)濾波器的肺癌組織快速顯微光譜成像[J].中國(guó)激光,2018,45(4):267–272.

[7]陳靖,陳宗強(qiáng),錢鈞,等.利用研究型實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生能力的探索和實(shí)踐:以“晶體光折變效應(yīng)與光存儲(chǔ)”實(shí)驗(yàn)為例[J].物理實(shí)驗(yàn),2017,37(4):43–47.

[8]王合英,孫文博,陳宜保,等.自主探究實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2018,35(12):30–34.

[9]劉東奇.熒光顯微鏡自組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].物理實(shí)驗(yàn),2018,38(9):21–23.

[10]呂斯驊,段家忯,張朝暉.新編基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)[M].2版.北京:高等教育出版社,2013.

[11]楊述武,孫迎春,沈國(guó)土,等.普通物理實(shí)驗(yàn)[M].5版.北京:高等教育出版社,2016.

[12]張春玲,劉麗颯,牛紫平.大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:高等教育出版社,2019.

作者:劉東奇 孔勇發(fā) 單位:南開大學(xué)