快照式高光谱显微成像方法研究

Bioscience and Biomedicine rely on peering into dynamic composition and interaction of biomedical molecular in living cell. Therefore, they raise a pressing need for snapshot spectral microscopy which may offer a real-time ‘dynamic composition image’ in a single shot. In response, we put forward a Sub-image Integration Spectral Microscopy (SIISM) method to get a 3D spectral data cube in one exposure by reconstructing a 3D spectral data cube from its subimages’ 2D spectrogram. We are going to study on mapping and reconstruction relationships between hyperspectral image and its subimage’s spectrograms; optical models of typical SIISM; key parameters for subimage mapping; effect from diffraction. And develop a SIISM experimental setup for multi-color-labeled RPAEC. SIISM would be miniature and compact, user friendly, as well as capable of in-vivo snapshot spectral microscopy. It will meet needs not only from in-vivo biomedical frontier research but also from relative products, technology and industry.

生命科学和医学诊断的进步高度依赖于对活细胞及生物分子的动态构成和相互作用过程的研究，迫切需要可以实时跟踪或抓拍其动态成分图像的快照光谱显微成像技术。本项目提出一种子像集成光谱显微成像法（简称SIISM），一次曝光获得包含活体样本空间信息和光谱信息的三维数据立方(x, y, λ)。项目研究三维数据立方与二维光谱子像图集间的映射理论及数据立方体重建方法；探索典型SIISM系统的光学建模方法，研究子像映射单元参数与数据立方体信息容量之间的关系，分析衍射对系统性能的影响；研制一种SIISM实验系统，对三种染料标记的RPAEC细胞进行实验，尝试探索SIISM在多标记活体荧光蛋白分析中的应用。该系统结构紧凑，操作简便，一次曝光可获得活体的光谱显微图像，在染色体动力和基因表达等重大前沿研究，以及医疗仪器产品升级等方面具有广泛应用前景。

生命科学、医学诊断、天文观测、工业检测等领域的进步高度依赖于快速光谱成像与分析，迫切需要可以实时跟踪或抓拍其动态成分图像的快照式光谱分析及成像技术。本项目研究了基于像切分镜的快照式光谱系统。提出了子像集成光谱显微成像法（简称SIISM），利用像切分器分割显微镜成像并将子像重新排列，进行色散分光，通过图像重建可一次曝光获得包含活体样本空间信息和光谱信息的三维数据立方(x, y, λ)。基于该方法研制实验系统，尝试探索SIISM在多标记活体荧光蛋白分析中的应用。所设计的系统的视场为0.2mm×0.2mm，光谱范围为450nm-650nm，经软件仿真可知，系统空间分辨率为0.43μm，光谱分辨率为0.9nm。此外，还提出了基于像切分镜的快照式宽谱直读光谱仪光路结构，像切分镜及多闪耀角复合光栅将全波段切分成多个子波段，每波段均有对应闪耀波长，以实现全谱闪耀，通过光谱拼接将全波段光谱像成像于面阵CCD，从而实现快速光谱分析。设计了基于孔径切分技术的单像切分镜和双像切分镜两种宽谱直读光谱系统，系统的光谱范围为200-1000 nm，整体光谱分辨率优于0.15nm。. 基于像切分镜的快照式光谱显微成像系统能够解决活细胞及生物分子的动态构成和相互作用过程研究中的迫切需求，在染色体动力和基因表达等重大前沿研究，以及医疗仪器产品升级等方面具有广泛应用前景。拼接光谱宽谱直读光谱仪同样能够解决光谱分析过程中时间分辨率不足的问题，实现光谱的实时分析，在小型光谱仪或者大型天文光谱分析仪器领域都有广阔的推广前景。