一种基于宽带受激辐射的纳米oct成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及OCT技术、受激辐射探测技术以及受激辐射损耗（Stimulated Emission Depletion，STED)显微术，具体涉及一种基于宽带受激福射的纳米OCT成像系统。 技术背景
[0002] 随着生物医学领域的飞速发展，纳米分辨技术越来越受到研究人员的重视。一方 面，为了更好地理解人体生命的作用过程与疾病的形成机理，人们需要观察细胞内器官、病 毒、寄生虫等在二维细胞空间的精确定位和分布。另一方面，后基因组时代蛋白质科学的研 究也要求阐明蛋白质结构、定位与功能的关系以及蛋白质-蛋白质之间发生相互作用的时 空顺序；生物大分子，主要是结构蛋白与RNA及其复合物，如何组成细胞的基本结构体系； 重要的活性因子如何调节细胞的主要生命活动，如细胞增殖、细胞分化、细胞凋亡与细胞信 号传递等。反映这些体系性质的特征尺度都在纳米量级，由此对相应的观测手段提出了更 高的要求。
[0003] 目前，基于荧光的超分辨显微方法主要有以下几类：第一类光学超分辨技术利用 荧光分子的光开光效应，采用极低光强的激活光使得同一时间只有极少数、稀疏的荧光分 子被激活，具备发射荧光的能力。此时，这些荧光分子所发出的荧光将不会由于衍射效应 而发生空间上的串扰，相应的荧光分子也将可以被一一区分并通过点扩散函数数字化的方 法计算出中心位置。反复这一过程逐个获取数微米尺度范围内所有荧光分子的中心位置， 最后叠加重构成一幅完整的图像，即可实现超分辨显微。第二类光学超分辨技术称为光学 波动成像法（S0FI)，由Dertinger等人于2009年提出。SOFI利用荧光分子连续发光时发 光强度存在波动性这一现象，通过对一段时间内探测得到的荧光强度进行高阶时间相关运 算，从而提高系统的分辨率。第三类光学超分辨方法称为结构光照明显微术（sno。这种方 法通过对照明光源进行调制，将原本不可分辨的高空间频率信息编码入荧光图像中，结合 计算解码获取高分辨率信息，可将横向分辨率提高至约l〇〇nm。在荧光饱和情况下，这种技 术的空间分辨能力可以进一步地提高至50nm左右。第四类光学超分辨方法则是基于光学 非线性效应来抑制荧光的发射，减小有效荧光点扩散函数的横向尺寸，从而提高系统的分 辨率。由Stefan Hell于1994年提出的STED正是这一类显微术中的代表。在STED显微 术中，有效荧光发光面积的减小是通过受激辐射效应来实现的。当激发光的照射使得其衍 射斑范围内的荧光分子被激发，其中的电子跃迀到激发态后，损耗光使得部分处于激发光 斑外围的电子以受激辐射的方式回到基态，其余位于激发光斑中心的被激发电子则不受损 耗光的影响，继续以自发荧光的方式回到基态。由此，有效荧光的发光面积得以减小，系统 的分辨率得以提高。
[0004] 在生物医学的研究之中，涉及到的样品除了常见的荧光样品(本身发荧光或荧光 染料标记）之外，还有一类特殊的非荧光色团，如血红蛋白和细胞色素。这类物质中的电 子在吸收激发光光子后仍然会跃迀到激发态，但是之后绝大部分将以非辐射的方式回到基 态，从而导致自发焚光极其微弱，无法被探测。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种基于宽带受激辐射的纳米OCT成像系统。本实用 新型：1)利用受激辐射而非自发辐射使处于激发态的色团快速回到基态，并采用宽带探测 光源实现受激辐射荧光信号的相干探测。2)轴向与横向分辨率的提高则分别通过宽带光 源技术和受激辐射损耗技术来实现。采用超宽带光源作为探测光源，可实现亚微米至百纳 米级的轴向分辨率。采用基于受激辐射损耗的点扩散函数调控技术，可以实现纳米级的横 向分辨率。3)受激辐射过程十分迅速，这为生物体的实时成像提供了可能。
[0006] 本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：
[0007] -种基于宽带受激辐射的纳米OCT成像系统，包括时序控制器、激发光源、损耗光 源、光束调制模块、探测光源、平面反射镜、信号采集和处理模块和样品臂；样品臂包括二维 扫描振镜和显微物镜；
[0008] 激发光源出射的激发光束首先被导入第一单模光纤，之后依次通过第一准直透 镜，以及平面镜反射进入样品臂；由损耗光源发出的损耗光束首先被导入第二单模光纤，由 第二单模光纤出射的光束经第二准直镜后进入光束调制模块；之后通过二向色镜及平面镜 的反射进入样品臂；由探测光源出射的光束被导入第三单模光纤，然后经第三准直镜准直， 再通过分光棱镜后被分成两部分，其中透射光作为探测光，而反射光作为参考光；参考光被 平面反射镜反射后再次入射到分束棱镜上；探测光依次被二色镜和反射镜反射，进入样品 臂；进入样品臂的激发光束、损耗光束和探测光束通过二维扫描振镜后，再经显微物镜聚 焦，投射到样品上；来自样品的信号光被显微物镜收集，再次通过二维扫描振镜，之后被二 色镜反射，从而与激发光束和损耗光束分离；被二向色镜反射的后向散射信号光入射到分 光棱镜上被反射，之后与透过分光棱镜的参考光形成干涉，并由信号采集和处理模块采集 并处理；探测光源、损耗光源和激发光源均与时序控制器连接。
[0009] 与【背景技术】相比，本实用新型具有的有益效果是：
[0010] 由于OCT的轴向分辨率和横向分辨率是相互独立的。利用超宽带光源作为探测光 源，可以实现百纳米级的轴向分辨率。结合受激辐射损耗点扩散函数调控技术，减小有效荧 光点扩散函数的横向尺寸，可以实现纳米级超高横向分辨率；受激辐射过程大大快于自发 辐射过程，这为提高成像速度、实现生物体的实时观测提供了可能。
【附图说明】
[0011] 图1是本实用新型的成像系统示意图。
[0012] 图2是本实用新型中的三个光源的时序控制图。
[0013] 图3是本实用新型中与三束光源相关的电子跃迀能级图。
[0014] 图4是系统的横向分辨率和轴向分辨率的不意图。
[0015] 图1中：1时序控制器，2激发光源，3损耗光源，4光束调制模块，5探测光源，6二 维扫描振镜，7样品，8平面反射镜，9信号采集和处理模块。虚线框内是典型的谱域OCT系 统。