微光成像仪

日前，中国计量科学研究院研制的微光夜视仪测量装置顺利通过国家质检总局组织的专家鉴定。　　微光夜视仪是在夜间无人工照明情况下用于目标观察的光电成像仪器，是低照度环境下摄取图像的重要装备。为统一弱光光度量值，确保微光夜视行业的量值统一性和可溯源性，并为各种微光夜视仪和微光成像系统进行性能评价，我国迫切需要建立微光夜视仪测量标准装置和简易型现场评价设备。　　为此，中国计量科学研究院于2008年围绕夜视环境的模拟、夜视器件光学性能参数测试、简易型微光光度/辐射度测量仪器三方面开展了微光夜视仪测量装置的研究工作。　　项目组以微光夜视仪光电性能参数测量为重点，同时把测量对象扩展至各类光电成像系统及核心器件光电性能参数测量评价领域，首次建立了微光夜视仪测量装置和夜视辐射亮度测量装置。　　据课题负责人、中国计量科学研究院光学所副研究员徐英莹介绍，该项目在三方面实现了创新：一是微光夜视仪测量装置适于微光夜视行业光度量和辐射度量的量值溯源，相关参数的测试水平已步入国际先进行列 二是建立了夜视辐亮度测量装置，完成了弱光照度下光谱辐亮度的量值传递 三是研制了真实环境光谱模拟的可调积分球光源。　　目前，该研究成果已得到广泛应用，为飞机座舱照明系统、头盔夜视仪等提供了辐射度计量标准和光度计量标准，实现了光电成像系统/器件的性能评价，为微光夜视领域的量值溯源和量值统一打下了基础。

红外显微光谱法是非破坏性、结构敏感的检测方法，目前已在基于分子结构的单细胞领域的研究中发挥重大作用，诸如蛋白构象改变、氧化还原、脂质体的产生与降解等。但是受制于红外光谱仪本身的限制，对于生物组织样品来说制样非常困难，因此极大的限制了红外光谱在生物医学方面的应用。O-PTIR (Optical Photothermal Infrared) 光学光热红外光谱是一种快速简单的非接触式光学技术，通过检测由于本征红外吸收引发的样品表面快速的光热膨胀或收缩，克服了传统IR衍射的极限，空间分辨率可达500 nm。近期，美国PSC公司又推出了非接触亚微米分辨荧光红外拉曼同步测量系统mIRage-LS，将O-PTIR技术与荧光（FL）进一步有机结合，利用落射荧光快速定位 O-PTIR 测量的区域，提供了对样品荧光标记区域以及邻近未标记组织的化学结构的快速光谱分析。图 1. FL-OPTIR 显微镜基本原理和观测方法这项全新的技术对样品要求非常低，而红外光谱的空间分辨率可达亚微米级别，为红外光谱在生物医学方面的应用提供了全新的视角。比如在阿尔茨海默病 (AD) 研究方面，AD的关键病理特征是淀粉样蛋白折叠，这些 β-折叠结构具有特定的振动特征，对于红外光谱来说十分敏感，但是受制于传统红外光谱仪本身的限制，在生物组织样品上直接测量非常困难。而非接触式的FL-PTIR技术却能够很好适用于这些样品，并且已经有多个小组通过实验证明了FL-PTIR能够应用于具有特殊化学敏感性的活细胞成像研究。Craig Prater等人通过这项技术成功实现了荧光定位下的OPTIR红外观测，并且完成了对组织中单个病理结构内的 β-折叠结构进行结构分析、在脑组织的特定细胞和培养的原代神经元分析。首先，作者使用了12个月周龄的 APP/PS1 转基因小鼠的大脑切片，用淀粉样蛋白特异性发光共轭聚电解质探针mytracker R（Ebba Biotech，Solna，Sweden）进行标记，并用OPTIR进行观测β 折叠结构的分布。相比于传统红外很难定位的问题，FL-OPTIR通过宽场荧光能够快速定位淀粉样蛋白斑块。并直接在脑组织中评估其在单个斑块中的结构。通过 k 均值聚类方法对其进行分析，清楚地显示了在 1630 cm–1处具有高振幅和低振幅的两组光谱的存在，并且具有 1630 cm–1高振幅的光谱清楚地与荧光信号共定位。光谱分析表明 Amytracker 没有对酰胺 I 和 II 区域有明显的吸收，因此表明 Amytracker 可用于 OPTIR 测量的荧光引导。图 2. FL-OPTIR 对脑组织中的淀粉样斑块进行成像荧光和红外图谱和热图的展示。 在第二个实验中，作者提供了一个概念性方法验证实验，证明 FL-OPTIR 可用于研究组织中的特定细胞类型，而这对传统红外显微光谱法来说十分具有挑战性。为此作者对脑组织中与淀粉样斑块相关的小胶质细胞进行成像，以评估它们的光谱特征，从而了解小胶质细胞是否可以将 Aβ 原纤维转化为单体的问题。这个实验使用 Aβ 特异性抗体 82E1 标记的 16 μm 组织切片，并用抗体 Iba1 对小胶质细胞进行了免疫标记。通过FL-OPTIR可以定位淀粉样斑块附近的小神经胶质细胞并测量 OPTIR 光谱。通过测量，发现 82E1 阳性小胶质细胞表现出β-折叠含量升高，表明小胶质细胞与 Aβ 原纤维相关。图 3. 脑组织中淀粉样斑块周围小胶质细胞的成像。 在第三个实验中，作者研究了 FL-OPTIR 在培养的原代神经元中 Aβ结构成像的适用性。与组织研究类似，淀粉样蛋白的结构异质性使得研究神经毒性与 Aβ 结构之间的关系仍具有挑战性。因此，为了直接评估神经元中的淀粉样蛋白结构，作者使用FL-OPTIR技术基于荧光信号引导的光谱测量，发现远端比近端神经突部分（分支后）相关的 Aβ 包含更多的 Aβ-聚集体, 作者认为这些神经元隔室可能本质上更容易结合 Aβ或者能够主动运输到远端。图 4. 初级神经元中 Aβ (1–42) 的结构成像。 总结：新型成像方法FL-OPTIR 结合了荧光成像和红外光谱来描述生物组织内的结构变化。能够针对复杂系统中的特定细胞、细胞器和分子进行分析和检测，解决了生物标本中红外光谱定位困难的问题。能够直接在组织中定位和分析淀粉样蛋白和相关的小胶质细胞，这可以解决局部环境在 AD 进展中的作用，帮助识别与淀粉样斑块相关的小胶质细胞，并在亚细胞水平上直接研究小胶质细胞中的纤维结构。为复杂样品中的蛋白质和细胞进行红外光谱分析提供了新的测量方法，为红外在生物领域的应用提供更加便捷实验途径。 作为美国PSC公司在中国的独家代理，Quantum Design中国于2020年将非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统—mIRage系统引入国内，助力中国科研工作者取得一个又一个重大突破： 国内经典案例分享：南京大学环境学院借助mIRage建立了一种新型的塑料表面亚微米尺度化学变化表征方法。该工作发表在知名期刊Nature Nanotechnology上。 中国农业大学借助mIRage成功实现对玉米粉中痕量微塑料的原位可视化表征。该工作发表在Science of the Total Environment上。为满足国内日益增长的生物红外表征需求，更好的为国内科研工作者提供专业技术支持和服务，Quantum Design中国北京样机实验室引进了荧光引导光学光热红外显微光谱，为您提供样品测试、样机体验等机会，期待与您的合作！

2012-2021年，光谱仪器及技术突飞猛进，相关的新产品、新技术层出不穷：拉曼、近红外、激光诱导击穿光谱、太赫兹、高光谱、超快光谱、光谱成像......不仅给科研注入了新的活力，更是给企业带来了客观的经济效益。“光谱十年”之际，仪器信息网特别策划《点亮光谱仪器 “高光”时刻》系列活动，以期盘点光谱仪器及相关技术的突出成果，展现光谱仪器及相关厂商的“高光”时刻。从最简单的光学光谱模块到定制化的解决方案，HORIBA Scientific（Jobin Yvon光谱技术）旗下的光学光谱部门一直致力于光谱仪部件及集成光谱仪系统的研制和生产，可提供各种规格的单色仪、探测器、光源、附件及应用软件，可为科研人员组建高性能的光谱测量系统。本期，我们特别邀请到了HORIBA 科学仪器事业部技术支持工程师吴鹤讲述HORIBA光谱仪的“高光”时刻。HORIBA 科学仪器事业部技术支持工程师 吴鹤仪器信息网：过去十年间，哪些光谱技术的进步让您印象深刻？HORIBA：对于不同的科研人员，其具体需求也不尽相同，模块化光学光谱搭建系统凭借其高度灵活性在光谱技术研究领域占据着重要地位，针对不同的应用如拉曼、光致发光、暗场散射、时间分辨光致发光、等离子体发射、可调单色光源等可提供灵活多样的解决方案。另外，随着对微结构或材料的研究日趋广泛，模块化显微光学光谱搭建系统也应运而生，且在各个研究领域有广泛应用。仪器信息网：截至目前，贵公司有哪几款光谱仪器曾经获得“科学仪器优秀新品”奖 ？该仪器研发的背后有什么样特别的故事？ HORIBA：HORIBA Scientific（Jobin Yvon光谱技术）有着两百多年的光学光谱研究历史，顺应技术的发展、时代的进步，不断进行技术革新。Horiba的多款仪器包括拉曼、荧光、光学光谱搭建系统多次获得仪器信息网颁发的各类奖项。其中，MicOS显微光谱测量系统获得了“2013年科学仪器行业优秀新产品奖”。一般来说，采用标准显微镜与光谱仪耦合测量光谱常采用光纤耦合方式，一方面，信号损失大，耦合效率较低，另一方面，很多样品在应用显微镜测量时会遇到困难，比如：侧面发光样品或者在正置低温恒温器中的样品。在做光致发光光谱测量时，若应用多个波长激发，标准显微镜的灵活性会受到限制。MicOS开创性地将显微测量和光谱测量高效率地耦合于一体，光谱仪最多可同时接三个探测器，能与多个激发波长匹配，并且可提供物镜朝下或物镜侧向的两种配置选择，以满足不同客户的特定需求。仪器信息网：获奖产品的销售情况如何？解决了哪些关键问题？有哪些典型用户或典型的应用案例？行业影响力及用户的反馈情况如何？HORIBA：MicOS显微光谱测量系统用户遍布全球，用途多种多样，如二维材料特性研究、电致发光材料的表征、半导体材料或器件的质量检测和缺陷研究等等。MicOS将显微测量和光谱测量高效率地耦合于一体，将显微探测头直接与iHR三光栅光谱仪耦合，光谱仪最多可同时接三个探测器，使其可覆盖紫外、可见、近红外的宽光谱范围（200nm~1600nm）；能与多个激发波长匹配，灵活性极强且易于操作；内置数码相机设计，可实时观察样品；可提供物镜朝下或物镜侧向的两种配置选择，便于测量侧向发光器件或放置在正置低温恒温器中的样品；配合自动平台可进行mapping测量。MicOS系统已有很多工业用户，在工业生产中，无论是器件的研发过程还是质量检测过程，MicOS系统都发挥着十分重要的作用。仪器信息网：贵公司光谱仪器的生产工艺是如何把控的？在产品的质控及生产车间管理方面有什么独特的地方？ HORIBA：HORIBA Scientific有着十分丰富的光学光谱研究、设计和生产经验，根据客户的实际需求，既可以单独提供光谱仪、探测器、光源、以及光栅等部件，也可以提供完整的解决方案，并且对于生产的仪器都有严格的质量把控。对于单独的部件，在生产时会进行质量测试，确保部件质量，对于外购附件也同样对其质量严格把关；对于整套的系统，有标准的技术参数和验收流程，依据标准进行整体的性能测试，以保证整套系统的性能与质量。仪器信息网：未来贵公司光谱产品线的发展规划，重点发展哪些类别的光谱产品？HORIBA：HORIBA Scientific自创立以来，始终致力于科研级光学光谱产品的研发生产，顺应技术进步与时代潮流，不断创新与发展。除了模块化光学光谱部件与系统，HORIBA还提供高性能整机系统，包括拉曼光谱仪、荧光光谱仪、粒度分析仪、椭圆偏振光谱仪、射频辉光放电光谱仪（GD-OES）、等离子体共振成像仪（SPRi）、阴极荧光光谱仪、碳硫氧氮氢分析仪以及各种OEM光谱仪。涉及的应用包括材料、化学、生命科学、制药、环境、地质、能源、光伏、考古、艺术品等等，对于不同的测量及应用需求提供合适的解决方案。仪器信息网：从行业发展角度来说，您认为目前光谱仪器整体技术水平怎么样？未来最具前景的光谱仪器或者技术是什么？最具前景的应用将体现在哪些方面？HORIBA：光谱技术作为重要的分析技术，所涉领域非常广泛。目前微纳材料及显微结构的研究仍然十分热门，因此显微光谱的测量需求只增不减。另外，随着研究方向的多样化，对仪器的多功能性要求也日益增强。HORIBA Scientific的MicOS系统将显微探测头与iHR三光栅光谱仪高效耦合，配置灵活、可覆盖光谱范围宽，易于通过内置相机观察样品情况，可以进行mapping测试，是显微水平光致发光、电致发光和光调制反射光谱研究的理想选择。另外，HORIBA scientific新推出的SMS（Standard Microscope Spectroscopy Systems）是基于iHR光谱仪与标准显微镜通过定制化耦合模块(MicroSpex)集成的系统，该模块与标准显微镜耦合可适用于从深紫外到近红外的显微光谱测量，如显微拉曼、显微光致发光、暗场散射、显微时间分辨光致发光、反射/透射、电致发光等多种光谱研究，灵活性高，可根据需求进行搭建的定制化系统，为用户提供高质量光谱测量与成像。