[发明专利]基于宽带受激辐射的时间分辨光学生物检测设备及其检测成像方法

说明书

本发明公开了一种基于宽带受激辐射的时间分辨光学生物检测设备及其检测成像方法，其将泵浦探测技术与光学相干显微技术相结合，实现对被测样本的受激辐射寿命成像；设备包括超连续谱光源、光调制单元、光学相干显微单元，其中光调制单元调制输入激光生成带有时间延迟的泵浦光和探测光，光学相干显微单元用于对生物样本进行相干探测，系统使用相矢量法对信号强度和时间延迟的关系曲线进行分析，获得寿命相关的信息。本发明能够反映原子能级更精细的结构，具有长工作距离、高时空分辨率、快速成像等优势，兼具组织结构信息和分子特异性信息。此外，本发明还可实现对非荧光色团的探测，规避了特定情形下荧光标记可能带来的探测偏差。

技术领域

本发明属于光学显微成像技术领域，具体涉及一种基于宽带受激辐射的时间分辨光学生物检测设备及其检测成像方法。

背景技术

光学相干层析术(OCT)或较高数值孔径下的光学相干显微术(OCM)可对活体组织实现微米量级分辨率和毫米量级成像深度的在体成像，已在生物医学领域发挥重要作用。但由于其对比度来源于细胞和组织折射率的变化，而在不同生理病理状态下由细胞代谢引起的组织复折射率实部的变化不大，因而散射对比机制下的OCT/OCM技术在分子特异性识别能力上存在不足，亟待发展具有分子特异性的OCT成像新方法。

基于受激辐射效应的非荧光色团成像技术是指当非荧光色团的原子吸收激发光的光子跃迁到激发态之后，利用一束探测光使得原子以受激辐射方式回到基态。理论上，受激辐射方法不仅可以实现对非荧光色团的成像，也可以对常规的荧光样品进行成像，因此这一方法的出现为光学显微技术的发展提供了很好的思路，对于光学显微技术应用范围的进一步扩大起到了推动作用，而且鉴于受激辐射过程明显快于自发辐射过程，这也为提高成像速度提供了潜在可能性。

具有时间分辨特性的荧光寿命成像(FLIM)被认为比荧光强度成像具有更高的灵敏度和特异性；荧光寿命与分子的动力学特性密切相关，例如分子构造和分子微环境的变化等，已被应用于探测细胞和组织的特征，包括离子浓度、周围环境的pH、细胞内辅酶与蛋白质的耦联等等，这些特征均与细胞的新陈代谢水平密不可分。

虽然时间分辨寿命成像具有探测细胞新陈代谢水平的潜在优势和高灵敏特性，但是目前的方法仍然存在着诸多局限性，限制了其对活体细胞、离体组织细胞乃至在体组织细胞成像的能力。提高分子信号的收集效率(高信噪比)和分辨率水平(更清楚)，提高时间分辨寿命成像的速度(更快)，提高成像与探测的深度(更深)，是推进寿命成像对细胞代谢水平检测所面临的难点和挑战，同时也是进一步拓展其在生物医学领域应用范畴所亟需解决的难题。与此同时，当前基于寿命信息实现细胞代谢水平的检测仍然主要基于荧光色团，来自于外源性的荧光标记或是自发荧光物质，这也在一定程度上限制了这些方法的应用：首先，细胞内大量包含新陈代谢信息的物质为非荧光色团，无法用荧光信号对其进行成像；其次，某些应用环境下不适宜用荧光染料对生物样品进行标记，比如对活体组织细胞进行成像时，荧光标记可能会影响样品的活性；最后，在对某些小型代谢产物分子进行观测时，由于这些分子本身的尺寸已经小于荧光染料分子的尺寸，引入荧光标记可能还会影响测量的分辨精度。

发明内容

鉴于上述，本发明提出了一种基于宽带受激辐射的时间分辨光学生物检测设备及其检测成像方法，其将泵浦探测技术与光学相干显微技术相结合，实现对被测样本的荧光寿命成像。

一种基于宽带受激辐射的时间分辨光学生物检测设备，包括超连续谱光源、光调制单元、光学相干显微单元以及计算机，其中：

所述超连续谱光源用于产生超连续谱激光；

所述光调制单元通过对超连续谱激光进行调制生成一路带有强度调制的泵浦光和一路具有时间延迟特性的探测光，进而将这两路光合成后送入光学相干显微单元；

所述光学相干显微单元利用输入的合成光对生物样本进行相干探测，获得能够反映生物样本发光寿命信息的电信号；