[发明专利]超分辨拉曼光谱成像系统及方法

说明书

本发明提供一种超分辨拉曼光谱成像系统及方法，所述系统包括：激发光源模块，产生激发光源；偏振调制模块，用于调制激发光源的偏振方向；振镜扫描模块，扫描完成激发光源于样品成像区的不同位置聚焦；显微系统模块，通过样品成像区聚焦激发光源并激发生成拉曼信号，其中，样品成像区包括表面增强拉曼光谱基片和位于表面增强拉曼光谱基片上的检测样品；超分辨成像模块，根据拉曼信号生成检测样品的超分辨图像；拉曼光谱分析模块，用于根据拉曼信号生成拉曼光谱并分析检测样品。本发明用于生物样本和化学样本的无标记超分辨成像和拉曼光谱的超分辨成像，有效解决拉曼超分辨成像中适用范围小、成像时间长、SERS闪烁行为不可控等问题。

技术领域

本发明涉及表面等离子激元拉曼增强(SERS)、超分辨光学成像、激光调制等技术领域，特别是涉及一种超分辨拉曼光谱成像系统及方法。

背景技术

对于微观细胞或细胞器的探索长久以来引起人们的兴趣。近年来脑科学和类脑智能的研究越来越引起世界各国的重视，而要对大脑细胞和复杂的神经回路相互作用进行动态的成像和研究，需要发展最前沿的微观到介观到宏观的先进成像、示踪与标记技术。对此，最新发展的突破衍射光学极限的光场调控和纳米光学成像颠覆性技术，为解决这关键的科学技术提供了强有力的方法。

单分子定位超分辨技术利用了标记细胞的荧光分子自发的闪烁效应，经过定位荧光光源位置、获取多帧图像重构获得超分辨图像。该技术具有激发强度小、宽场分辨能力高、具有多色和3D成像能力等优点，但由于需要多帧重构成像，成像速度较慢。

表面增强拉曼光谱(SERS)技术是一种新型的生物标记手段，具有光信号不易漂白、适用标记的生物样本广泛、对于样本损伤小等特点。同时对原本样品散射的拉曼信号有极大的增强，从而使得对于基于SERS效应的光谱检测具有极高的灵敏度。SERS技术还可以通过拉曼光谱获取细胞和生物组织中的化学成分信息，并且具有无标记成像的天然优势，在生物医学领域得到广泛应用。

2010年Willets等人首先将超分辨显微技术与SERS技术相结合，研究单分子SERS超分辨重构成像，通过二维的高斯拟合分别定位单分子和纳米颗粒的质心，获得单分子和纳米颗粒的空间位置信息，分辨率可达到10nm。随着单分子定位超分辨技术与SERS技术的结合，研究者也开始利用超分辨技术来获得亚细胞或组织的SERS信号，实现无标记拉曼超分辨成像。但由于SERS的闪烁行为通常周期是几十毫秒，一般采集一帧图像需要100ms，结合多帧采集重构的方法，获得一张超分辨图片通常需要几十分钟，若是对于多分子或组织细胞的成像，则需要几个小时，这对研究一些活体细胞组织会有很大的影响。并且照明方式采用等离子激元静态照明来产生静态的热点，对一些单分子实现超分辨拉曼成像十分成功，对于多分子和细胞组织的成像会由于无法利用分子的闪烁行为，从而导致成像结果留白，还有背景SERS信号干扰等问题。

发明内容

为了解决上述的以及其他潜在的技术问题，本发明的实施例提供了一种超分辨拉曼光谱成像系统，所述超分辨拉曼光谱成像系统包括：激发光源模块，用于产生激发光源；偏振调制模块，用于调制所述激发光源的偏振方向；振镜扫描模块，用于扫描完成所述激发光源于样品成像区的不同位置聚焦；显微系统模块，用于通过样品成像区聚焦所述激发光源并激发生成拉曼信号，其中，所述样品成像区包括表面增强拉曼光谱基片和位于表面增强拉曼光谱基片上的检测样品；超分辨成像模块，用于根据所述拉曼信号生成检测样品的超分辨图像；拉曼光谱分析模块，用于根据所述拉曼信号生成拉曼光谱并分析检测样品。

于本发明的一实施例中，所述激发光源模块包括：激光器，产生所述激发光源；光纤准直器，通过光纤与激光器相连，对所述激光器输出的激发光源进行准直后输出到所述偏振调制模块。

于本发明的一实施例中，所述偏振调制模块包括：偏振片，接收所述光纤准直器输出的激发光源；偏振控制器，控制所述偏振片中激光偏振的旋转角度和旋转速度。