固定波长的拉曼散射快速采集和成像设备的制作方法

本实用新型涉及一种拉曼成像设备，尤其是涉及一种固定波长的拉曼散射快速采集和成像设备。

背景技术：

中国专利CN107462566A公布了用于检测特定窄波数范围的拉曼光谱仪，该拉曼光谱仪包括激光发射设备、光谱采集设备、数据处理设备，所述激光发射设备用于获得功率调整后的激发光束，所述光谱采集设备用于使功率调整后的激发光束打到样品表面发生拉曼散射，并滤去定向瑞利散射光，得到定向拉曼散射光，并使定向拉曼散射被接收器接收，所述数据处理设备为与接收器连接的电脑设备，用于所获拉曼光谱的形成、分析及判断；所述的接收器为单光子探测器，定向拉曼散射光最终被单光子探测器接收。

如上述公开专利技术一样，在现有的定性或定量拉曼光谱技术中，通常使用某一波长的激光激发样品，拉曼散射信号通过光栅分光后，依照波长分布被探测器 (通常为CCD或EMCCD)读取，从而生成拉曼光谱。现有的拉曼光谱技术可完整反应被测样品在不同波长的拉曼信号强度分布，但缺点在于随着光栅分光带来的拉曼信号减弱，以及随之产生的采谱和成像速度减慢。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种固定波长的拉曼散射快速采集和成像设备。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种固定波长的拉曼散射快速采集和成像设备，包括：

拉曼散射信号过滤单元：用于使激光作用下样品产生的拉曼散射信号被波长过滤装置或设备选择性的过滤，

拉曼散射信号采集单元：用于接收通过拉曼散射信号过滤单元的拉曼散射信号，使用光子读取装置或设备作为探测器。

特别需要说明的是，本实用新型固定波长的拉曼散射快速采集和成像设备不使用光栅。

在本实用新型的一个实施方式中，拉曼散射信号过滤单元所用的波长过滤装置或设备为一个或多个滤光片。

在本实用新型的一个实施方式中，拉曼散射信号采集单元的光子读取装置或设备的探测器为一个或多个光子计数器或光电倍增管。

在本实用新型的一个实施方式中，所述拉曼散射信号过滤单元包括分束片、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片，所述分束片用于使一部分拉曼信号穿透分束片后，经第一窄带滤光片过滤；剩余的拉曼信号被分束片反射后，经第二窄带滤光片后过滤。

在本实用新型的一个实施方式中，经第一窄带滤光片后过滤的拉曼散射信号被第一探测器读取，经第二窄带滤光片后过滤的拉曼散射信号被第二探测器读取。

在本实用新型的一个实施方式中，所述分束片为a:b分束片，a和b分别为光线透射过分束片和被分束片反射后的光强，a:b的比值大于0，小于1。

例如，所述分束片为10：90分束片，90％拉曼信号穿透分束片后，经第一窄带滤光片后被第一探测器读取，10％的拉曼信号被分束片反射后，经第二窄带滤光片后被第二探测器读取。

在本实用新型的一个实施方式中，所述分束片工作范围至少覆盖比激光器激发波长更长的任意100cm^-1波数的连续波长范围区间；

优选地，所述分束片工作范围至少覆盖比激光器激发波长红移2000cm^-1到 2300cm^-1波数范围的波长。

在本实用新型的一个实施方式中，所述第一窄带滤光片选用在激光器激发波长红移方向2040cm^-1到2300cm^-1波数范围内的光学透过率大于93％的滤光片。

在本实用新型的一个实施方式中，所述第二窄带滤光片选用在激光器激发波长红移方向1800cm^-1-2040cm^-1或2260cm^-1到2700cm^-1波数范围内中任意连续的 30cm^-1或30cm^-1以上的波数范围内的光学透过率大于93％的滤光片。

例如所述第一窄带滤光片选用600/14nm以读取588-608nm范围内的拉曼散射信号和该区域拉曼背景信号；

例如所述第二窄带滤光片选用591/6nm以读取586-596nm范围内的拉曼背景信号。

在本实用新型的一个实施方式中，还包括激光发射单元，激光发射单元用于产生激光和产生拉曼散射，所述激光发射单元包括激光器、激光窄带滤光片，所述激光器用于产生激光，所述激光窄带滤光片用于滤除激光中的杂线。

在本实用新型的一个实施方式中，所述激光发射单元还包括激光功率衰减片，用于对激光强度进行不同程度的衰减，以调节激光强度。

在本实用新型的一个实施方式中，所述激光器可以为488nm激光器、514nm 激光器、532nm激光器、633nm激光器或785nm激光器中的一种。

在本实用新型的一个实施方式中，所述激光功率衰减片选6组衰减片以对激光强度进行不同程度的衰减，以更好的满足保护样品和增强拉曼信号的功能。

在本实用新型的一个具体实施方式中，所述激光器选功率可调的532nm激光器，所述激光窄带滤光片选532nm处透过率大于90％，透过率曲线半高全宽2nm，以滤除激光中的杂线。

在本实用新型的一个具体实施方式中，所述拉曼散射信号采集单元还包括拉曼滤光片与物镜，所述拉曼滤光片用于将反射镜组发射过来的激光反射后由物镜聚焦至样品上，所述物镜用于收集样品散射的拉曼散射信号和瑞利散射信号，并使拉曼散射信号和瑞利散射信号返回拉曼滤光片；

所述拉曼滤光片还用于阻挡样品散射的瑞利散射信号，透过样品散射的拉曼散射信号。

在本实用新型的一个具体实施方式中，还包括用于放置样品的载玻片，所述载玻片设在自动平移台上。所述载玻片以可以更好减少激光反射的材料或结构为宜。

在本实用新型的一个具体实施方式中，还包括反射镜组，所述反射镜组包括第一反射镜与第二反射镜。

在本实用新型的一个具体实施方式中，所述拉曼散射信号采集单元还包括共聚焦针孔、狭缝，所述共聚焦针孔与狭缝设置在拉曼滤光片后方，用于使激光穿过后投射到分束片上，所述共聚焦针孔用于在共焦模式下阻挡杂散信号，非共焦模式下提升样品信号强度。

本实用新型的工作原理是：激光激发样品的拉曼散射后，通过由特定滤光片选择性的透过特定波长范围的拉曼光子，并使用光子读取装置或设备捕获和读取拉曼信号强度。从而实现快速拉曼检测和拉曼成像的目的。

例如：通常在H2O的环境中，细胞正常代谢过程中产生C-H键，对应在拉曼光谱中表现为2800-3000cm^-1的C-H拉曼信号(图2)。当细胞培养环境中的一部分氢元素被氘替代后，细胞在代谢过程中产生C-D键，对应在拉曼光谱中表现为 1800-2800cm^-1的C-D拉曼信号(图2)。本实用新型即是快速探测细胞中C-D信号的强度的技术。

固定波长的拉曼快速成像技术是一种，基于探测与细胞代谢活性密切相关的 C-D峰拉曼强度变化，而达到快速精准的判断细胞活性、细胞药敏程度的技术手段。由于拉曼信号波长值随激发光波长值变化，故需要根据公式计算碳氘峰的波长。 Wavenumber(cm^-1)＝(1/λ0-1/λ1)*10⁷

该式中λ0激发波长，λ1拉曼信号波长

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点及有益效果：

1、细胞快速成像：省去光栅分光，改用滤光片选取目标波长信号读取，大大提升了样品的拉曼信号强度，减少采集时间，实现快速成像。

2、快速拉曼检测。例如用于细胞特征快速筛查：通过快速探测细胞C-D键的拉曼信号强度，快速识别和筛选细胞与此相关的特征。

3、拉曼流式细胞分选：快速读取细胞拉曼信号，现实快速同步细胞分选。

4、节省光栅等光学原件，造价比市场上现有拉曼产品大幅减低。

附图说明

图1为实施例1中固定波长的拉曼散射快速采集和成像设备结构示意图；

图1中标号：1、激光器，2、激光窄带滤光片，3、激光功率衰减片，4、第一反射镜，5、第二反射镜，6、拉曼滤光片，7、物镜，8、载玻片，9、自动平移台，10、共聚焦针孔，11、狭缝，12、分束片，13、第一窄带滤光片，14、第一探测器，15、第二窄带滤光片，16、第二探测器。

图2为吸收了不同程度氘的大肠杆菌的单细胞拉曼光谱。

图3为本实用新型的固定波长快速拉曼信号采集技术中，将光栅分光改为滤光片后，吸收了氘的大肠杆菌的单细胞拉曼信号。

具体实施方式

一种固定波长的拉曼散射快速采集和成像设备，包括：

拉曼散射信号过滤单元：用于使激光作用下样品产生的拉曼散射信号被波长过滤装置或设备选择性的过滤，

拉曼散射信号采集单元：用于接收通过拉曼散射信号过滤单元的拉曼散射信号，使用光子读取装置或设备作为探测器。

特别需要说明的是，固定波长的拉曼散射快速采集和成像设备不使用光栅。

在一个实施方式中，拉曼散射信号过滤单元所用的波长过滤装置或设备为一个或多个滤光片。

在一个实施方式中，拉曼散射信号采集单元的光子读取装置或设备的探测器为一个或多个光子计数器或光电倍增管。

在一个实施方式中，所述拉曼散射信号过滤单元包括分束片、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片，所述分束片用于使一部分拉曼信号穿透分束片后，经第一窄带滤光片过滤；剩余的拉曼信号被分束片反射后，经第二窄带滤光片后过滤。

在一个实施方式中，经第一窄带滤光片后过滤的拉曼散射信号被第一探测器读取，经第二窄带滤光片后过滤的拉曼散射信号被第二探测器读取。

在一个实施方式中，所述分束片为a:b分束片，a和b分别为光线透射过分束片和被分束片反射后的光强，a:b的比值大于0，小于1。

例如，所述分束片为10：90分束片，90％拉曼信号穿透分束片后，经第一窄带滤光片后被第一探测器读取，10％的拉曼信号被分束片反射后，经第二窄带滤光片后被第二探测器读取。

在一个实施方式中，所述分束片工作范围至少覆盖比激光器激发波长更长的任意100cm^-1波数的连续波长范围区间；优选地，所述分束片工作范围至少覆盖比激光器激发波长红移2000cm^-1到2300cm^-1波数范围的波长。

在一个实施方式中，所述第一窄带滤光片选用在激光器激发波长红移方向 2040cm^-1到2300cm^-1波数范围内的光学透过率大于93％的滤光片。

在一个实施方式中，所述第二窄带滤光片选用在激光器激发波长红移方向 1800cm^-1-2040cm^-1或2260cm^-1到2700cm^-1波数范围内中任意连续的30cm^-1或 30cm^-1以上的波数范围内的光学透过率大于93％的滤光片。

例如所述第一窄带滤光片选用600/14nm以读取588-608nm范围内的拉曼散射信号和该区域拉曼背景信号；

例如所述第二窄带滤光片选用591/6nm以读取586-596nm范围内的拉曼背景信号。

在一个实施方式中，还包括激光发射单元，激光发射单元用于产生激光和产生拉曼散射，所述激光发射单元包括激光器、激光窄带滤光片，所述激光器用于产生激光，所述激光窄带滤光片用于滤除激光中的杂线。

在一个实施方式中，所述激光发射单元还包括激光功率衰减片，用于对激光强度进行不同程度的衰减，以调节激光强度。

在一个实施方式中，所述激光器可以为488nm激光器、514nm激光器、532nm 激光器、633nm激光器或785nm激光器中的一种。

在一个实施方式中，所述激光功率衰减片选6组衰减片以对激光强度进行不同程度的衰减，以更好的满足保护样品和增强拉曼信号的功能。

在一个具体实施方式中，所述激光器选功率可调的532nm激光器，所述激光窄带滤光片选532nm处透过率大于90％，透过率曲线半高全宽2nm，以滤除激光中的杂线。

在一个具体实施方式中，所述拉曼散射信号采集单元还包括拉曼滤光片与物镜，所述拉曼滤光片用于将反射镜组发射过来的激光反射后由物镜聚焦至样品上，所述物镜用于收集样品散射的拉曼散射信号和瑞利散射信号，并使拉曼散射信号和瑞利散射信号返回拉曼滤光片；

所述拉曼滤光片还用于阻挡样品散射的瑞利散射信号，透过样品散射的拉曼散射信号。

在一个具体实施方式中，还包括用于放置样品的载玻片，所述载玻片设在自动平移台上。所述载玻片以可以更好减少激光反射的材料或结构为宜。

在一个具体实施方式中，还包括反射镜组，所述反射镜组包括第一反射镜与第二反射镜。

在一个具体实施方式中，所述拉曼散射信号采集单元还包括共聚焦针孔、狭缝，所述共聚焦针孔与狭缝设置在拉曼滤光片后方，用于使激光穿过后投射到分束片上，所述共聚焦针孔用于在共焦模式下阻挡杂散信号，非共焦模式下提升样品信号强度。

本实用新型还提供所述固定波长的拉曼散射快速采集和成像设备的应用，拉曼散射信号投射到分束片上，在此一部分拉曼信号经过分束片再经第一窄带滤光片后被第一探测器读取，另一部分的拉曼信号经过分束片再经第二窄带滤光片后被第二探测器读取；第一探测器读取特定区间的拉曼散射信号和部分背景信号，第二探测器读取拉曼散射的背景信号；最后通过算法，扣除第一探测器读取的背景信号，以得到特定区间的目标拉曼信号。具体而言，实验过程中，激发光经激光器发出，经过激光窄带滤光片滤除杂线，再经激光功率衰减片调节强度后，由反射镜组将激光以优化后的入射角度投射至拉曼滤光片；激光经拉曼滤光片反射后由物镜聚焦至载玻片上的样品上；自动平移台可以根据软件设定自动移动样品位置，以达到扫描成像目的；由样品散射的拉曼散射信号和瑞利散射信号被物镜收集后返回拉曼滤光片，在此瑞利散射信号被阻挡而拉曼散射信号透过拉曼滤光片；例如，拉曼散射信号再经过共聚焦针孔和狭缝投射到分束片上，在此90％的拉曼信号将过分束片再经第一窄带滤光片后被第一探测器读取，10％的拉曼信号将过分束片再经第二窄带滤光片(透射范围在C-D波长区域之前的拉曼背景信号区域，而C-D拉曼波长区域透过率为0)后被第二探测器读取；第一探测器读取C-D拉曼信号以及拉曼背景信号，第二探测器读取的仅拉曼背景信号；最后通过算法，扣除第一探测器读取的背景信号，以得到纯净的C-D拉曼信号。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例

参考图1，一种固定波长的拉曼散射快速采集和成像设备，包括激光发射单元、反射镜组、拉曼散射信号过滤单元及拉曼散射信号采集单元。激光发射单元用于获得功率调整后的激光，反射镜组用于将功率调整后的激光反射到拉曼散射信号过滤单元，拉曼散射信号过滤单元用于使功率调整后的激光打到样品表面发生拉曼散射，并阻挡样品散射的瑞利散射信号，透过样品散射的拉曼散射信号，拉曼散射信号采集单元用于接收拉曼散射信号，拉曼散射信号采集单元包括分束片12，分束片12用于将拉曼散射信号分成两股，且分别由两组探测器读取。

具体而言，激光发射单元包括激光器1、激光窄带滤光片2及激光功率衰减片 3，激光器1用于产生激光，激光窄带滤光片2用于滤除激光中的杂线，激光功率衰减片3用于对激光强度进行不同程度的衰减，以调节激光强度。激光功率衰减片 3选6组衰减片以对激光强度进行不同程度的衰减，以更好的满足保护样品和增强拉曼信号的功能。

激光器1通常可选功率可调的532nm激光器或其他可选波长的激光器，包括488nm、514nm、633nm、785nm等等；为匹配532nm激光器，激光窄带滤光片2通常可选532/2nm，即532nm处透过率大于90％，透过率曲线半高全宽2nm，以滤除激光中的杂线。

拉曼散射信号过滤单元包括拉曼滤光片6与物镜7，拉曼滤光片6用于将反射镜组发射过来的功率调整后的激光反射后由物镜7聚焦至样品上，物镜7用于收集样品散射的拉曼散射信号和瑞利散射信号，并使拉曼散射信号和瑞利散射信号返回拉曼滤光片6，拉曼滤光片6还用于阻挡样品散射的瑞利散射信号，透过样品散射的拉曼散射信号。包括用于放置样品的载玻片8，载玻片8设在自动平移台9上。载玻片以可以更好减少激光反射的材料或结构为宜。

反射镜组包括第一反射镜4与第二反射镜5。

拉曼散射信号采集单元包括共聚焦针孔10、狭缝11、分束片12、第一窄带滤光片13、第一探测器14、第二窄带滤光片15及第二探测器16，共聚焦针孔10与狭缝11设置在拉曼滤光片6后方，用于使激光穿过后投射到分束片12上，共聚焦针孔10用于在共焦模式下阻挡杂散信号、提高样品成像的三维空间分辨率，非共焦模式下提升样品信号强度，分束片12用于使一部分拉曼信号穿透分束片12后，经第一窄带滤光片13后被第一探测器14读取，使剩余的拉曼信号被分束片12反射后，经第二窄带滤光片15后被第二探测器16读取。分束片12为10：90分束片， 90％拉曼信号穿透分束片12后，经第一窄带滤光片13后被第一探测器14读取， 10％的拉曼信号被分束片12反射后，经第二窄带滤光片15后被第二探测器16读取。

分束片12可选工作范围为400-700nm，第一窄带滤光片13选用600/14nm，即中心波长600nm，593-607nm范围内光学透过率大于93％，以读取588-608nm 范围内的C-D拉曼散射信号和该区域拉曼背景信号；第二窄带滤光片15选用591/6 nm，即中心波长591nm，588-595nm范围内光学透过率大于93％，以读取586- 596nm范围内的拉曼背景信号。

固定波长的拉曼散射快速采集和成像设备的应用，包括以下步骤：实验过程中，激发光经激光器1发出，经过激光窄带滤光片2滤除杂线，再经激光功率衰减片3 调节强度后，由反射镜组将激光以优化后的入射角度投射至拉曼滤光片6；激光经拉曼滤光片6反射后由物镜7聚焦至载玻片8上的样品上；自动平移台9可以根据软件设定自动移动样品位置，以达到扫描成像目的；由样品散射的拉曼散射信号和瑞利散射信号被物镜7收集后返回拉曼滤光片6，在此瑞利散射信号被阻挡而拉曼散射信号透过拉曼滤光片6；拉曼散射信号再经过共聚焦针孔10和狭缝11投射到分束片12上，在此90％的拉曼信号将过分束片再经第一窄带滤光片13，透射范围在C-D拉曼波长区域，后被第一探测器14读取，10％的拉曼信号将过分束片再经第二窄带滤光片15，透射范围在C-D波长区域之前的拉曼背景信号区域，而C-D 拉曼波长区域透过率为0，后被第二探测器16读取；第一探测器14读取C-D拉曼信号以及拉曼背景信号，即图3中C曲线，第二探测器16读取的仅拉曼背景信号，即图3中B曲线；最后通过算法，扣除第一探测器14读取的背景信号，以得到纯净的C-D拉曼信号。

实施例2

吸收了氘的大肠杆菌的单细胞拉曼光谱采集：

从平板上挑取E.coli(保藏编号为ATCC25922，购于ATCC)单克隆，接种到 5ml LB液体培养基中，置于恒温培养箱(37℃,150rpm)过夜培养。以1：1000比例将过夜培养的细菌转接到5ml含有浓度范围为0％到50％的不同浓度的D2O的 LB液体培养基中，恒温培养箱(37℃,150rpm)中孵育4h。各取1ml菌液，5000rpm 离心2min去掉上清，加入1ml无菌水，移液抢吹打3～5次，5000rpm离心2min 去掉上清，重复上述加水洗涤步骤1次。最后加1ml无菌水，移液枪吹打混匀菌液即可进行点样检测。点样时，取1μl样品至氟化钙载玻片上，室温自然风干。

将点好样的载玻片拿到共聚焦显微拉曼系统下(Lab RAM HR，Horiba)进行检测，在100倍物镜下找到E.coli单细胞并聚焦清楚，进行单细胞拉曼光谱采集。测试条件为532nm激光(功率100mW)，光栅：300gr/mm，采集时间：20s。得到如图2所示的单细胞拉曼光谱。

实施例3

采用本实用新型的固定波长的拉曼散射快速采集和成像设备，激光器1选择功率可调的532nm激光器，激光窄带滤光片2选532/2nm，即532nm处透过率大于90％，透过率曲线半高全宽2nm，以滤除激光中的杂线。

分束片12为10：90分束片，90％拉曼信号穿透分束片12后，经第一窄带滤光片13后被第一探测器14读取，10％的拉曼信号被分束片12反射后，经第二窄带滤光片15后被第二探测器16读取。

分束片12工作范围为400-1000nm，第一窄带滤光片13选用600/14nm，即中心波长600nm，593-607nm范围内光学透过率大于93％，以读取588-608nm 范围内的C-D拉曼散射信号和该区域拉曼背景信号；第二窄带滤光片15选用591/6 nm，即中心波长591nm，588-595nm范围内光学透过率大于93％，以读取586- 596nm范围内的拉曼背景信号。

被氘标记(见实施例2)的大肠杆菌ATCC25922置于氟化钙载玻片上，用该系统采集其拉曼谱。拉曼散射信号投射到分束片12上，在此90％的拉曼信号将过分束片再经第一窄带滤光片13，透射范围在C-D拉曼波长区域，采集到图3中C 曲线范围的拉曼散射信号。10％的拉曼信号将过分束片再经第二窄带滤光片15，采集到图中B曲线范围的拉曼散射信号。

为得到目标区间去除背景拉曼信号的目标拉曼信号，按如下步骤进行：

1.用标准光源矫正两组(滤光片+探测器)的读数；

2.测量无氘标记的大肠杆菌的拉曼信号，计算出两个探测器读数之间的函数关系：y＝ax+b，其中y为探测器16的读数，x为探测器15的读数。通过足够多的测量值，找到拟合出最逼近真值的a，b参数。

3.测量含氘大肠杆菌的拉曼信号，探测器16读数为y’，探测器15读数为x’，则所要求的去除背景的目标信号值为：y＝y’-(ax’+b)

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。