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【生物化學應(yīng)用】Block量子級聯(lián)激光快速紅外成像系統(tǒng)

為了從生物或化學樣品中獲得高質(zhì)量的分子結(jié)構(gòu)，一般在光學顯微鏡下采用造影劑染料涂敷樣品以提高對比度，但是造影劑可能破壞樣品，并且受限于已知成像的分子結(jié)構(gòu)。隨著光譜成像技術(shù)的發(fā)展，使用紅外吸收技術(shù)，能夠對微米厚度的樣品進行無干擾的分子研究。分子在特定光譜范圍內(nèi)有特征峰，使得紅外光譜成像系統(tǒng)在不需要染料涂敷樣品的情況下解析分子結(jié)構(gòu)，準確識別樣品的化學成分。基于寬范圍可調(diào)諧量子級聯(lián)激光器（QCL）和碲化汞鎘（MCT）探測器搭建離散頻率紅外（DFIR）光譜成像系統(tǒng)，可以實時記錄光譜數(shù)據(jù)。

圖1 Block QCL激光器和MCT探測器

客戶將圖1的Block LaserTune QCL激光器和MCT探測器組合使用。激光器內(nèi)部搭載4個寬范圍調(diào)諧的QCL模塊合束光路，光譜范圍覆蓋MCT探測器和DFIR顯微鏡的探測區(qū)域（776.9-1904.4 cm^-1）。

圖2 離散頻率紅外（DFIR）光譜成像系統(tǒng)

圖2（A）中的可調(diào)諧QCL激光器來自Block Engineering公司的LaserTune 4000，它包含4個獨立的QCL芯片，可調(diào)范圍為776.9至1904.4 cm^-1，平均光功率在0.5至10 mW之間。

基于QCL激光器和MCT探測器搭建的離散頻率紅外（DFIR）光譜成像系統(tǒng)，使得顯微鏡能夠實現(xiàn)寬光譜覆蓋、寬視場檢測和衍射光譜成像。圖2（B）是各儀器接線圖，顯示系統(tǒng)的主要控制組件。圖2（C）是通訊協(xié)議，從QCL輸出的激光實時在外部示波器檢測，該示波器根據(jù)的頻譜分辨率和掃描速度觸發(fā)MCT探測器和顯微鏡。

客戶將QCL激光器設(shè)置為31 ns的脈沖，2 MHz的脈沖寬度，6.2％的占空比。掃頻時激光間隔輸出TTL同步脈沖，使用150 mm F₁和反射鏡（F₂）將A₁光束聚焦到汞碲化鎘（MCT）探測器中，MCT探測器具備微秒級的掃描速度響應(yīng)。圖3中QCL芯片之間的交叉頻率產(chǎn)生的頻譜噪聲，經(jīng)過采集后的降噪處理，得到高質(zhì)量的單光束光譜(藍色)。

圖3 離散頻率紅外（DFIR）光譜成像系統(tǒng)快速掃頻(藍色)，傅里葉變換紅外(FT-IR)成像光譜儀系統(tǒng)快速掃頻(紅色)

圖4 樣品中“BLOCK”的每個字母都用不同的化學物質(zhì)寫在玻璃基板上

圖5 以咖啡yin（Caffeine）樣品的反射率

圖5中藍色線為離散頻率紅外（DFIR）光譜成像系統(tǒng)的測量光譜，黑色線為傅里葉變換紅外(FT-IR)成像光譜儀系統(tǒng)的參考光譜。通過咖啡yin的測量光譜和參考光譜的比較，客戶證明了該系統(tǒng)的光譜和空間保真度至少與傅里葉變換紅外(FT-IR)成像光譜儀系統(tǒng)一樣好。同時與10倍像素的高性能線性陣列系統(tǒng)的*光譜質(zhì)量相比，DFIR優(yōu)化了等效光譜信噪比（SNR），在光譜頻率上以更快的時間掃描更多的組織微陣列（TMA）。這些進展為高通量紅外生物化學成像，特別是細胞、組織和化學污染物的檢測提供了新的機會。