聲光可調(diào)諧濾波器在細胞分析中的應(yīng)用價值

1、聲光可調(diào)諧濾波器在細胞分析中的應(yīng)用價值前言細胞生物學研究中，科研人員的常用研究方法是利用染料標記細胞或細胞內(nèi)功能區(qū)，并通過熒光顯微、共聚焦成像等方法分析細胞結(jié)構(gòu)形態(tài)與功能、通過探針熒光強度統(tǒng)計方法分類細胞1,2.這些方法的共性是通過檢測特異性染料發(fā)出波長的種類與強度區(qū)分細胞種類和功能3.可檢測的熒光參數(shù)通道越多，可分析的熒光探針種類越多，就越有助于實驗中對細胞進行細致的分析4.因此衡量研究系統(tǒng)功能豐富與否的直觀手段是其支持光源與熒光參數(shù)種類的多少。為了實現(xiàn)熒光波長參數(shù)的有效區(qū)分與探測，上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中通常都包含濾光結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)光源波長以及熒光探測通道的選擇。常用的濾光結(jié)構(gòu)包括：D由不同種類的長通、

2、短通和帶通濾光片組合搭配構(gòu)成濾光結(jié)構(gòu)。2）由具備光色散能力的元件如光柵、棱鏡等構(gòu)成濾光結(jié)構(gòu)。3）由可調(diào)諧波長選擇元件，如聲光可調(diào)諧濾波器或液晶可調(diào)諧濾波器構(gòu)成濾光結(jié)構(gòu)。其中，聲光可調(diào)諧濾波器是近年來發(fā)展的，基于聲光相互作用原理實現(xiàn)波長選擇的新型濾光器件，具有無機械結(jié)構(gòu)、波長分辨率高、微秒級響應(yīng)、孔徑角較大等優(yōu)點5.為了深入了解聲光可調(diào)諧濾波器特性，充分發(fā)揮其在高光譜成像、細胞分類識別系統(tǒng)中微秒級波長選擇與功率調(diào)制功能。本文從應(yīng)用的角度出發(fā)，歸納總結(jié)了 2 種主要應(yīng)用模型，探討了系統(tǒng)采用聲光可調(diào)諧后在光譜分辨能力和細胞功能識別方面的技術(shù)優(yōu)勢。1 聲光可調(diào)諧濾波器的原理結(jié)構(gòu)與技術(shù)指標聲光相互作用現(xiàn)

3、象于 1930 年被美國的 Debye and Sears 首次報道，直至 1975 年非共線聲光濾波器首次出現(xiàn)，因性能的極大提高而得到廣泛應(yīng)用6.目前，聲光可調(diào)諧濾波器（Acous-to-Optic Tunable Filter ,簡稱 AOTF）器件的作用范圍可以覆蓋可見光到短波紅外區(qū)域7.構(gòu)成 AOTF 器件最常見的聲光晶體材料是二氧化碲晶體或石英晶體。1.1 聲光可調(diào)諧濾波器原理結(jié)構(gòu)聲光可調(diào)諧濾波器通常由聲光晶體、換能器、吸收介質(zhì)、射頻源組成。其功能是從復(fù)色輸入光中分離與射頻源輸入信號頻率高度相關(guān)的單色光。AOTF 技術(shù)依賴于超聲波與光波在聲光晶體中的共同傳播，其作用類型包括共線型與非

4、共線型。常用的聲光可調(diào)諧濾波器為非共線型，即聲波和光波以不同角度傳播通過晶體。晶體的一側(cè)通常連接超聲換能器將射頻源的輸入信號轉(zhuǎn)化為超聲波。當聲波穿過聲光晶體時導致晶格交替壓縮與放松，發(fā)生折射率調(diào)制現(xiàn)象，相當于晶體中形成了光柵，并隨著聲波的傳播而在晶體中移動。與聲波交叉?zhèn)鞑サ墓獠ㄍㄟ^上述折射率調(diào)制區(qū)域后發(fā)生聲光衍射現(xiàn)象。光在聲光晶體中的傳播特性不同于傳統(tǒng)衍射光柵，因此 AOTF 只衍射特定波長的光且波長與輸入射頻頻率高度相關(guān)。由于偏振方向差異，衍射光將形成兩個一級衍射光束，被稱為 +1 級光和 -1 級光，聲光可調(diào)諧濾波器原理如圖 1 所示。實驗裝置中通常應(yīng)用光闌阻止其中的一級而利用另一級光束。

5、1.2 聲光可調(diào)諧濾波器的技術(shù)指標描述聲光可調(diào)諧濾波器性能最重要的參數(shù)包括：聲光可調(diào)諧濾波器中心波長選擇能力和光譜分辨率等5.聲光可調(diào)諧濾波器中被選擇單色光的波長是施加于聲光晶體上超聲頻率的函數(shù)。因此，通過改變聲波頻率，可以改變偏轉(zhuǎn)分離的單色光中心波長。中心波長 與聲波頻率 的關(guān)系是2 聲光可調(diào)諧濾波器的細胞生物學應(yīng)用2.1 聲光可調(diào)諧濾波器的細胞生物學應(yīng)用模型由于聲光可調(diào)諧濾波器具有響應(yīng)速度快、波長選擇能力強的特點而得以廣泛應(yīng)用。按照聲光可調(diào)諧濾波器在系統(tǒng)中功能的不同，應(yīng)用模型主要分為兩類。一是將 AOTF 應(yīng)用于熒光的激發(fā)光源端，實現(xiàn)光源波長的選通和功率調(diào)制。光源發(fā)射的光經(jīng)聲光可調(diào)諧濾波器

6、選擇特定波長后用于樣本激發(fā)，避免了光源較廣泛的發(fā)射光譜作用于熒光染料而產(chǎn)生相互干擾。較簡單的應(yīng)用實例是 AOTF 用于氬離子激光器 488 nm、514 nm 兩條譜線的選擇輸出。另一類主要應(yīng)用是將 AOTF 應(yīng)用于目標熒光染料波長的檢測端，作為光譜濾波器實現(xiàn)多光譜應(yīng)用或指紋光譜測量。兩種應(yīng)用的原理模型示意圖如圖 2、3:2.2 聲光可調(diào)諧濾波器光源端應(yīng)用光源是細胞生物學研究系統(tǒng)中常用組件，根據(jù)使用功能的不同如：照明、激發(fā)、燒蝕等選擇不同的光源種類。共聚焦、多光子顯微術(shù)、光鑷、流式細胞術(shù)等技術(shù)推動了光源性能的高速發(fā)展，提出了新的應(yīng)用需求。目前，激光器已在較廣的應(yīng)用領(lǐng)域中替代了傳統(tǒng)的汞燈、氘燈、

7、鹵素燈等，但是單激光器波長固定，往往難于滿足復(fù)雜使用條件下對光源波長的需求。應(yīng)用 AOTF搭配高功率汞燈實現(xiàn)線狀譜選通較好的解決了照明中波長變換的要求，但能量利用率偏低，且難于達到更高的光功率密度。超連續(xù)光源的出現(xiàn)是光源發(fā)展歷程中的一大重要進步，配合AOTF 系統(tǒng)可實現(xiàn)光源光譜范圍內(nèi)連續(xù)的波長選擇，同時具備百兆級的重復(fù)頻率，可部分替代鈦寶石激光器，滿足雙光子和二次諧波顯微系統(tǒng)中的應(yīng)用。Brimrose 公司提供的連續(xù)可調(diào)光源系統(tǒng)波長選擇范圍是 450-650 nm,波長分辨率可達 2 nm.Fianium 公司提供的超連續(xù)光纖激光光源的輸出波長范圍覆蓋480-2400 nm,可見波段的功率密度平均值大于 5 mw/nm8.配合 8 通道 AOTF 系統(tǒng)實現(xiàn)了輸出波長與熒光染料吸收峰的精密匹配，可獲得更高的信噪比，實現(xiàn)微弱表達細胞的檢測。與之相似，NKT Photonics 公司也提供了可與超連續(xù)光源匹配的聲光可調(diào)諧濾光系統(tǒng)，通過雙波段的晶體配合實現(xiàn)了最高通道數(shù)可達 16 通道的高速調(diào)制光源。法國 Nelly Rongeat 等研究人員利用 AOTF 光源系統(tǒng)高速調(diào)制光功率，恰