专利名称：稳态激光泵浦上转换发光小动物活体成像系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种分子影像学光学成像设备，特别涉及一种稳态激光泵浦上转换发 光小动物活体成像系统。能对标记上转换发光性质的材料的活体(小鼠)进行实时、安全的 成像，能够直接监控活体生物体内的细胞活动和基因行为。通过这个系统，可以观测活体 动物体内肿瘤的生长及转移、感染性疾病发展过程、特定基因的表达等生物学过程。
背景技术：
活体动物荧光成像技术让研究人员能够观察活体动物体内的基因表达和细胞活动，是 将分子及细胞生物学技术从体外研究发展到活体动物体内的强有力手段，正在被越来越广 泛地应用于医学及生物学研究领域。相对于其他非侵入性观察手段，如CT、 MRI，及PET 等，荧光成像技术检测灵敏度极高，且操作简单，费用相对低廉，为研究人员提供了广阔 的应用空间。但传统的荧光探针都有其固有的缺陷，如荧光有机染料和荧光蛋白分子易发 生光漂白，因此无法较好的实现对所研究分子的长时荧光标记观察。而量子点的毒性、表 面的易变特性以及与之相关的"闪烁"(Blinking)现象使得量子点难以用于临床。此外，这些 材料都属于共轭体系冗电子激发和发射，与生物样品内源性荧光物质的自发荧光过程相似， 因此使用这些发光材料为生物标记物进行活体成像检测时，常存在着生物样品的自发荧光 的干扰。因此寻找新型发光材料作为生物标记物来避免背景荧光是活体荧光成像技术中的 关键难点。
最近，稳态激光泵浦的上转换发光材料在生物成像中的应用引起了越来越多研究者的 重视。和传统的荧光材料相比，这类材料具有特殊的上转换发光性质，即能吸收两个或两 个以上低能光子而辐射一个高能光子，通常是将近红外光转换成可见光。采用近红外光作 为激发光，可以减小激发光对生物样品的损伤，提高成像深度，而使用廉价的稳态激光器 (~$2,000)大大降低了仪器造价。另外，由于生物样品内源性荧光物质不能被稳态近红外 激光激发，使用这类材料可以完全消除生物样品自发荧光的干扰。因此，如果能将稳态激 光泵浦的上转换发光材料与荧光成像技术结合以来，发展一种新型的活体成像系统，则有 望解决现有的荧光成像中存在的一些问题，为生命科学、医学和材料科学研究提供一种新 的方法。 发明内容
本实用新型的目的在于提供一种稳态激光泵浦上转换发光小动物活体成像系统，该系 统能直接对标记上转换发光性质的材料的活体(小鼠)进行实时、安全的成像，能够直接监控活体生物体内的细胞活动和基因行为。通过这个系统，还可以观测活体动物体内肿瘤的 生长及转移、感染性疾病发展过程、特定基因的表达等生物学过程。
本实用新型提出的稳态激光泵浦上转换发光小动物活体成像系统，由半导体激光器1、 扩束透镜2、光束整形镜3、样品台4、截止滤光片5、镜头6、发射滤光片7和CCD检测 器8组成，其中，半导体激光器l的出射光对准扩束透镜2的入光口，扩束透镜2的出光 口对准光束整形镜3的进光口，光束整形镜3的出光口对准样品台4，样品台4正上方放 置有截止滤光片5，截止滤光片5的出光口对准镜头6的进光口，镜头6的出光口对准发 射滤光片7的进光口 ，发射滤光片7的出光口对准CCD检测器8。
本实用新型中，半导体激光器1采用中心波长为980nm的半导体激光器。
本实用新型中，截止滤光片5采用980nm截止滤光片。
本实用新型中，半导体激光器1的数量为1-4个，视具体情况而定，相应的，扩束透 镜2与光束整形镜3的数量为1-4个。
本实用新型中，扩束透镜2、光束整形镜3、样品台4、截止滤光片5、镜头6、发射 滤光片7和CCD检测器8位于成像暗箱10内。
本实用新型中，小动物U放置于样品台4上。
本实用新型中，样品台4连接步进电机。
本实用新型中，CCD检测器8连接计算机9。
本实用新型能直接对具有稳态激光泵浦上转换发光性质的材料进行实时、安全的活体 成像，从而揭示分子水平的活动。
本实用新型的工作过程是半导体激光器1产生的稳态激光束经过扩束透镜2和光束 整形镜3，变成一束较大的平行光束，照射在小动物11上，小动物11体内具有稳态激光 泵浦上转换发光性质的材料在激光的激发下发射沿各方向的上转换发光， 一部分上转换发 光信号通过截止滤光片5由镜头6收集转换成平行光束，再通过发射滤光片7， 一定波长 范围的信号被截取，然后被CCD检测器8接收。
本实用新型与已有的活体荧光成像技术相比，具有以下优点1.由于生物样品内源性 荧光物质和常用的有机荧光染料不能被稳态近红外激光器激发，因此本实用新型消除了生 物样品自发荧光和有机荧光染料发光等背景荧光的干扰，是一种高灵敏度的成像技术。2. 由于稳态激光泵浦的上转换发光材料在稳态近红外激光激发下几乎不被光漂白，而且稳态 近红外激光对有机荧光染料的光漂白很弱，对生物样品的损伤小，因此本实用新型是一种 能对生物样品进行较长时间连续观察的成像技术。3.本实用新型采用半导体激光器作为激 发光源，和双光子荧光探针采用的飞秒激光器相比，半导体激光器已经国产化，价格低廉，因此本实用新型易于推广普及。
图1是本实用新型的基本结构示意图。
图2是本实用新型的一个实例的结构示意图。
图3是用本实用新型实施例1获得的稳态激光泵浦上转换发光材料尾静脉注射到昆明 小鼠体内的成像图片。(a)小鼠白光图像，(b)是上转换发光和小鼠白光叠加图像。
图4是用本实用新型实施例1获得的稳态激光泵浦上转换发光材料尾静脉注射到带肿 瘤的裸鼠体内的成像图片。(a)小鼠白光图像，(b)是上转换发光和小鼠白光叠加图像。
图中标号l为半导体激光器，2为扩束透镜，3为光束整形镜，4为样品台，5为截 止滤光片，6为镜头，7为发射滤光片，8为CCD检测器，9为计算机，IO为成像暗箱， 11为小动物。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，而不是用来限定本实用新型的范围。
如图1所示，半导体激光器(中心波长为980 nm) 1产生的稳态激光束通过光纤导入， 沿该激光束前进方向上依次放置扩束透镜2、光束整形镜3，在沿该激光束侧下方放置样 品台4，同轴地在该样品台上方依次放置有980nm截止滤光片5，镜头6，发射滤光片7 和CCD检测器8。
如图2所示，两台半导体激光器(中心波长为980nm) 1产生的稳态激光束均通过光 纤导入，沿激光束前进方向上依次放置扩束透镜2、光束整形镜3，其中扩束透镜2与一 个关节臂连接，可以自由调节光纤端口光束的角度，在两束激光束侧下方放置样品台4， 小动物11位于样品台上。同轴地在该样品台上方依次放置有980nm截止滤光片5，镜头6， 发射滤光片7和CCD8。其中CCD8与计算机9连接。半导体激光器(中心波长为980 nm) 1、扩束透镜2、光束整形镜3、样品台4、 980nm截止滤光片5、镜头6、发射滤光片7和 CCD8等依次成光路联结。通过调节关节臂可以360度全方位照射活体小动物，通过发射 滤光片7选择一定波长范围的信号由CCD8接收，计算机9与CCD8连接，实现图像存储 及扫描控制。此外，通过步进马达驱动样品台4沿Z轴移动。本实施例中，半导体激光器 (中心波长为980 nm)采用输出功率为0-6.5W可调的国产激光器(上海瀚宇光纤通信技 术有限公司)，660nm +/-11带通滤光片以及800nm +/-12带通滤光片(冷泉科技公司)， 检测器是Andor DU897 EMCCD，图像存储、分析软件为Kodak Molecular Imaging Software。
本实施例的工作过程是半导体激光器(中心波长为980 nm) 1发出的激光束经过扩束透镜2和光束整形镜3, 变成一束直径较大的平行光束，从侧上方照射在活体小动物11上，小动物11体内具有稳 态激光泵浦上转换发光性质的材料在激光的激发下发射沿各个方向的上转换发光， 一部分 上转换发光信号通过980nrn截止滤光片5被镜头6收集，再通过发射滤光片7由CCD8接 收。然后通过计算机9进行图像处理。
图3是用本实用新型的一个实施例获得的稳态激光泵浦上转换发光材料通过尾静脉 注射到昆明小鼠体内24小时后小鼠的成像图片。(a)小鼠白光图像，(b)是在稳态激光激 发下获得的上转换发光图像和小鼠白光图像的叠加。
图4是用本实用新型的一个实施例获得的稳态激光泵浦上转换发光材料通过尾静脉 注射到带肿瘤的裸鼠体内24小时后小鼠的成像图片。(a)小鼠白光图像，(b)是在稳态激 光激发下获得的上转换发光图像和小鼠白光图像的叠加。
权利要求1、一种稳态激光泵浦上转换发光小动物活体成像系统，由半导体激光器(1)、扩束透镜(2)、光束整形镜(3)、样品台(4)、截止滤光片(5)、镜头(6)、发射滤光片(7)和CCD检测器(8)组成，其特征在于半导体激光器(1)的出射光对准扩束透镜(2)的入光口，扩束透镜(2)的出光口对准光束整形镜(3)的进光口，光束整形镜(3)的出光口对准样品台(4)，样品台(4)正上方放置有截止滤光片(5)，截止滤光片(5)的出光口对准镜头(6)的进光口，镜头(6)的出光口对准发射滤光片(7)的进光口，发射滤光片(7)的出光口对准CCD检测器(8)。
2、 根据权利要求1所述的稳态激光泵浦上转换发光小动物活体成像系统，其特征在 于半导体激光器(l)采用中心波长为980nm的半导体激光器。
3、 根据权利要求1所述的稳态激光泵浦上转换发光小动物活体成像系统，其特征在 于截止滤光片(5)采用980nm截止滤光片。
4、 根据权利要求1所述的稳态激光泵浦上转换发光小动物活体成像系统，其特征在 于半导体激光器(l)的数量为1-4个，相应的，扩束透镜(2)与光束整形镜(3)的数量为1-4个。
5、 根据权利要求1所述的稳态激光泵浦上转换发光小动物活体成像系统，其特征在 于扩束透镜(2)、光束整形镜(3)、样品台(4)、截止滤光片(5)、镜头(6)、发射滤光片(7)和CCD 检测器(8)位于成像暗箱(10)内。
6、 根据权利要求1所述的稳态激光泵浦上转换发光小动物活体成像系统，其特征在 于小动物(11)放置于样品台(4)上。
7、 根据权利要求1所述的稳态激光泵浦上转换发光小动物活体成像系统，其特征在 于样品台(4)连接步进电机。
8、 根据权利要求1所述的稳态激光泵浦上转换发光小动物活体成像系统，其特征在 于CCD检测器(8)连接计算机(9)。
专利摘要本实用新型涉及一种稳态激光泵浦上转换发光小动物活体成像系统，由半导体激光器、扩束透镜、光束整形镜、样品台、截止滤光片、镜头、发射滤光片和CCD检测器组成，其特征在于半导体激光器的出射光对准扩束透镜的入光口，扩束透镜的出光口对准光束整形镜的进光口，光束整形镜的出光口对准样品台，样品台正上方放置有载止滤光片，载止滤光片的出光口对准镜头的进光口，镜头的出光口对准发射滤光片的进光口，发射滤光片的出光口对准CCD检测器。本实用新型能直接对具有稳态激光泵浦上转换发光性质的材料进行实时、安全的活体成像，从而揭示分子水平的活动。
文档编号A61B5/00GK201394004SQ20092007173
公开日2010年2月3日 申请日期2009年5月7日 优先权日2009年5月7日
发明者李富友, 熊丽琴 申请人:复旦大学