聲光可調(diào)諧濾波器在細(xì)胞分析中的應(yīng)用價(jià)值

1、聲光可調(diào)諧濾波器在細(xì)胞分析中的應(yīng)用價(jià)值前言細(xì)胞生物學(xué)研究中，科研人員的常用研究方法是利用染料標(biāo)記細(xì)胞或細(xì)胞內(nèi)功能區(qū)，并通過(guò)熒光顯微、共聚焦成像等方法分析細(xì)胞結(jié)構(gòu)形態(tài)與功能、通過(guò)探針熒光強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)方法分類細(xì)胞1,2.這些方法的共性是通過(guò)檢測(cè)特異性染料發(fā)出波長(zhǎng)的種類與強(qiáng)度區(qū)分細(xì)胞種類和功能3.可檢測(cè)的熒光參數(shù)通道越多，可分析的熒光探針?lè)N類越多，就越有助于實(shí)驗(yàn)中對(duì)細(xì)胞進(jìn)行細(xì)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(shí)現(xiàn)熒光波長(zhǎng)參數(shù)的有效區(qū)分與探測(cè)，上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中通常都包含濾光結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)光源波長(zhǎng)以及熒光探測(cè)通道的選擇。常用的濾光結(jié)構(gòu)包括：D由不同種類的長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)發(fā)展的，基于聲光相互作用原理實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇的新型濾光器件，具有無(wú)機(jī)械結(jié)構(gòu)、波長(zhǎng)分辨率高、微秒級(jí)響應(yīng)、孔徑角較大等優(yōu)點(diǎn)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(xì)胞分類識(shí)別系統(tǒng)中微秒級(jí)波長(zhǎng)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(xì)胞功能識(shí)別方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。1 聲光可調(diào)諧濾波器的原理結(jié)構(gòu)與技術(shù)指標(biāo)聲光相互作用現(xiàn)

3、象于 1930 年被美國(guó)的 Debye and Sears 首次報(bào)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(jiǎn)稱 AOTF）器件的作用范圍可以覆蓋可見(jiàn)光到短波紅外區(qū)域7.構(gòu)成 AOTF 器件最常見(jiàn)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(hào)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(guò)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(hào)轉(zhuǎn)化為超聲波。當(dāng)聲波穿過(guò)聲光晶體時(shí)導(dǎo)致晶格交替壓縮與放松，發(fā)生折射率調(diào)制現(xiàn)象，相當(dāng)于晶體中形成了光柵，并隨著聲波的傳播而在晶體中移動(dòng)。與聲波交叉?zhèn)鞑サ墓獠ㄍㄟ^(guò)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(zhǎng)的光且波長(zhǎng)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(gè)一級(jí)衍射光束，被稱為 +1 級(jí)光和 -1 級(jí)光，聲光可調(diào)諧濾波器原理如圖 1 所示。實(shí)驗(yàn)裝置中通常應(yīng)用光闌阻止其中的一級(jí)而利用另一級(jí)光束。

5、1.2 聲光可調(diào)諧濾波器的技術(shù)指標(biāo)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(zhǎng)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(zhǎng)是施加于聲光晶體上超聲頻率的函數(shù)。因此，通過(guò)改變聲波頻率，可以改變偏轉(zhuǎn)分離的單色光中心波長(zhǎng)。中心波長(zhǎng) 與聲波頻率 的關(guān)系是2 聲光可調(diào)諧濾波器的細(xì)胞生物學(xué)應(yīng)用2.1 聲光可調(diào)諧濾波器的細(xì)胞生物學(xué)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(zhǎng)選擇能力強(qiáng)的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)光源波長(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)單的應(yīng)用實(shí)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(biāo)熒光染料波長(zhǎng)的檢測(cè)端，作為光譜濾波器實(shí)現(xiàn)多光譜應(yīng)用或指紋光譜測(cè)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(xì)胞生物學(xué)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(xì)胞術(shù)等技術(shù)推動(dòng)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?zé)舻?，但是單激光器波長(zhǎng)固定，往往難于滿足復(fù)雜使用條件下對(duì)光源波長(zhǎng)的需求。應(yīng)用 AOTF搭配高功率汞燈實(shí)現(xiàn)線狀譜選通較好的解決了照明中波長(zhǎng)變換的要求，但能量利用率偏低，且難于達(dá)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(jìn)步，配合AOTF 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)光源光譜范圍內(nèi)連續(xù)的波長(zhǎng)選擇，同時(shí)具備百兆級(jí)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(zhǎng)選擇范圍是 450-650 nm,波長(zhǎng)分辨率可達(dá) 2 nm.Fianium 公司提供的超連續(xù)光纖激光光源的輸出波長(zhǎng)范圍覆蓋480-2400 nm,可見(jiàn)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(shí)現(xiàn)了輸出波長(zhǎng)與熒光染料吸收峰的精密匹配，可獲得更高的信噪比，實(shí)現(xiàn)微弱表達(dá)細(xì)胞的檢測(cè)。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(guò)雙波段的晶體配合實(shí)現(xiàn)了最高通道數(shù)可達(dá) 16 通道的高速調(diào)制光源。法國(guó) Nelly Rongeat 等研究人員利用 AOTF 光源系統(tǒng)高速調(diào)制光功率，恰