專利名稱：一種基于分光鏡的應(yīng)用于單離子微束裝置的新型離子探測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及離子探測及光學(xué)領(lǐng)域，尤其是一種基于分光鏡的應(yīng)用于單離子微 束裝置的新型離子探測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著人類知識水平的不斷積累，認(rèn)識自然的能力進(jìn)一步提高，人們越來越關(guān) 注自身的生活環(huán)境，尤其是電離輻射對健康的影響。研究者為了探求由于電離輻 射引起的生物體損傷，尤其是低劑量輻照與活體細(xì)胞或組織相互作用的內(nèi)在機(jī) 理，迫切的需要一種能夠精確定位投射定量粒子的裝置，即單離子微束。
單離子微束是一種能夠精確產(chǎn)生單個(gè)離子、定位精度達(dá)微米尺度的輻照技術(shù) 平臺，可以準(zhǔn)確地將確定數(shù)目的離子投射到目標(biāo)樣品細(xì)胞的特定位點(diǎn)，定位精度 在^[米至亞微米量級。迄今為止，世界上眾多的微束裝置中，只是把單粒子微束 作為一種精密輻照源使用，發(fā)展方向是離子如何打得更準(zhǔn)確、更快，而研究的目 標(biāo)仍然是生物學(xué)終點(diǎn)效應(yīng)。倘若對現(xiàn)有的單離子微束平臺的離子探測系統(tǒng)進(jìn)行改 進(jìn)，構(gòu)建基于單離子束裝置的在線檢測和分析平臺，通過在線無損定量探測單離 子束輻照環(huán)境下細(xì)胞內(nèi)生理參量變化，如游離鈣離子濃度、胞槳pH值、細(xì)胞膜 電位、線粒體膜電位、細(xì)胞膜磷脂和受體流動性、細(xì)胞內(nèi)蛋白變化過程等來研究 確定數(shù)量的低能離子與活體細(xì)胞相互作用的原初過程，則不僅能對理解在外界擾 動因子作用下，在細(xì)胞乃至分子水平上所發(fā)生的物理、化學(xué)和生物學(xué)效應(yīng)具有十 分重要的意義，而且必將對離子束生物學(xué)、放射醫(yī)學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、空間生命科 學(xué)以及材料輻照損傷微觀機(jī)理等研究有重大的推動作用(Kadhim et al. Transmission of Chromosomal Instability after Plutonium Alpha-Particle Irradiation. Nature (1992))。
當(dāng)前在世界各國的微束平臺上所使用的離子探測系統(tǒng)基本上可分為兩種，一 種為部分前置探測系統(tǒng)，英國著名的CRC Gray實(shí)驗(yàn)室的GCI microbeam和中國 科學(xué)院等離子體物理研究所的CAS-LIBB microbeam均采用了這種模式，附圖 1(a)給出了其示意圖(Hu ZW et al. High-localized cell irradiation at the CAS-LIBBsingle-particle microbeam. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section B-Beam Interactions with Materials肌d Atoms 2006;244(2):462-466. Folkard et al. The use of radiation microbe咖s to investigate the bystander effect in ■cells and tissues. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section a-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 2007;580(l):446-450.)，另一種為后置探測系統(tǒng)，美國哥倫比亞大學(xué)著名的RARAF microbeam就采用了該種模式，附圖l(b)給出了該種探測模式的示意圖(Bigelowet al. Single-particle/single-cell ion microbeams as probes of biological mechanisms. Ieee Transactions on Plasma Science 2008;36(4): 1424-1431)。這兩種探測模式的工 作原理如下
(1) 部分前置探測方式。采用薄膜閃爍體松耦合光電倍增管(PMT)組合 探測單離子信號。束流從準(zhǔn)直器發(fā)射出來，穿過包括塑料閃爍體在內(nèi)的多層薄膜 結(jié)構(gòu)后，輻照細(xì)胞樣品。離子穿過閃爍體產(chǎn)生光子，光子透過樣品后由PMT收集并 轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的粒子個(gè)數(shù)，待輻照樣品的粒子個(gè)數(shù)達(dá)到預(yù) 設(shè)值時(shí)，探測系統(tǒng)就會發(fā)出指令關(guān)閉束流。但在這種結(jié)構(gòu)中，離子需經(jīng)多層薄膜 后才可以輻照樣品，因此離子的單能性和束徑都受到影響，在一定程度上影響了 定位精度；又由于采用閃爍體探測器計(jì)數(shù)，單個(gè)離子產(chǎn)生的光信號很弱,因此探測 室需要嚴(yán)格遮擋環(huán)境光線以降低干擾。由于閃爍體產(chǎn)生的光子需穿過樣品,才能 被光電倍增管收集轉(zhuǎn)化為電信號，因此不能用于輻照不透明或較厚的樣品的實(shí) 驗(yàn)。
(2) 后置探測方式。該方式一般采用氣體電離室探測器，電離室置于顯微鏡 物鏡口，由于探測器窗口是透明的，而且里面的氣體也是無色的，不會阻擋從樣 品發(fā)出的光線進(jìn)入物鏡，所以該種探測模式在輻照樣品的同時(shí)可以用顯微鏡來觀 察或記錄樣品在輻照過程中的實(shí)時(shí)變化信息。束流從瞄準(zhǔn)器出口穿出，穿過薄的 真空封膜后，直接輻照在樣品上，離子穿過樣品后再進(jìn)入氣體龜離室，氣體電離 室的信號經(jīng)處理后進(jìn)入控制系統(tǒng)控制電子開關(guān)來通斷束流。但該種探測模式的缺 點(diǎn)是探測器位于樣品的后面，樣品不能過厚，否則離子無法穿過樣品到達(dá)氣體電 離室。在實(shí)際操作中，被輻照細(xì)胞不可以帶培養(yǎng)液，只能利用濕潤的空氣通過特 設(shè)通道噴到細(xì)胞樣品上，以防細(xì)胞樣品脫水。
5以上兩種方法，雖然均能實(shí)現(xiàn)對單離子微束輻照樣品實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，但均存 在著一定的缺點(diǎn)，如不能輻照厚樣品或不透明的樣品，不能在輻照樣品的同時(shí)進(jìn) 行熒光信息的捕捉和離子探測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于分光鏡的應(yīng)用于單離子微束裝置的新型離子 探測系統(tǒng)，針對現(xiàn)有技術(shù)的問題，在部分前置探測模式的基礎(chǔ)上提出一種基于分 光鏡的離子探測方法，以解決當(dāng)前微束在輻照樣品的同時(shí)無法觀察樣品的實(shí)時(shí)變 化的問題，而且還可以對透明的厚樣品進(jìn)行輻照，擴(kuò)大了微束的應(yīng)用范圍，提高 了實(shí)驗(yàn)效率。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為
一種基于分光鏡的應(yīng)用于單離子微束裝置的新型離子探測系統(tǒng)，包括有 CCD相機(jī)、熒光顯微鏡及單離子微束，所述熒光顯微鏡的物鏡下方設(shè)置有塑料 閃爍體，待測樣品放置于所述熒光顯微鏡的物鏡與所述塑料閃爍體之間，所述待 測樣品中有熒光染料，所述單離子微束的出射口位于所述塑料閃爍體下方，其特 征在于所述CCD相機(jī)與所述熒光顯微鏡的物鏡之間依次設(shè)置有第一濾光片、 分光鏡，所述分光鏡傾斜放置，其透射面朝向所述CCD相機(jī)，所述第一濾光片 位于所述分光鏡與所述CCD相機(jī)之間，所述分光鏡反射面一側(cè)設(shè)置有光電倍增 管，分光鏡與光電倍增管之間設(shè)置有第二濾光片，所述第一濾光片其通過波長與 待測樣品中的熒光染料發(fā)射光譜峰值一致，所述第二濾光片其通過波長與所述塑 料閃爍體發(fā)射光譜的峰值一致；熒光顯微鏡的發(fā)射光照射至待測樣品，被待測樣 品反射，并激發(fā)待測樣品中的熒光染料發(fā)出熒光，同時(shí)單離子微束發(fā)射出離子轟 擊待測樣品，離子穿過塑料閃爍體時(shí)塑料閃爍體發(fā)出熒光，待測樣品反射光、熒 光染料發(fā)出的熒光及塑料閃爍體發(fā)出的熒光分別通過熒光顯微鏡的物鏡入射至 分光鏡， 一部分光透射過分光鏡并入射至第一濾光片，另一部分光被分光鏡反射 并入射至第二濾光片，第一、第二濾光片分別將一部分光濾去，熒光染料發(fā)出的 熒光通過第一濾光片并被CCD相機(jī)接收，塑料閃爍體發(fā)出的熒光通過第二濾光 片并被光電倍增管接收。
所述的一種基于分光鏡的應(yīng)用于單離子微束裝置的新型離子探測系統(tǒng)，其特 征在于包括第一C型接口適配器及第二C型接口適配器，所述CCD相機(jī)與所述熒光顯微鏡的物鏡分別安裝在第一 c型接口適配器兩端的接口上，所述光電 倍增管安裝在所述第二 c型接口適配器一端接口上，所述第一 c型接口適配器 中間開有直徑與第一 c型接口適配器相同的圓孔，所述分光鏡固定在所述圓孔 內(nèi)部，分光鏡法線與所述第一 c型接口適配器軸線之間成一定角度，所述第一 濾光片固定在第一 C型接口適配器內(nèi)部并位于CCD相機(jī)與分光鏡之間，所述圓 孔被加工成與第二 C型接口適配器兩端接口配合的標(biāo)準(zhǔn)接口，所述第二 C型接
口適配器通過另一端接口及所述圓孔加工成的標(biāo)準(zhǔn)接口安裝在第一 c型接口適 配器上，所述第二濾光片固定在第二c型接口適配器內(nèi)部。
所述的一種基于分光鏡的應(yīng)用于單離子微束裝置的新型離子探測系統(tǒng)，其特
征在于分光鏡法線與所述第一C型接口適配器軸線之間夾角為45n 。
本發(fā)明僅對熒光顯微鏡與CCD相機(jī)的連接光路進(jìn)行改造，在光路的中間加 入一分光鏡，將經(jīng)顯微鏡物鏡入射的光線分成兩路， 一路至CCD相機(jī)，另一路 至光電倍增管，為了除掉干擾信號，分別在分光鏡與CCD相機(jī)和光電倍增管之 間放置特定波長的濾光片完成對信號的分離。在分光鏡與CCD相機(jī)之間放置的 濾光片的通過波長與熒光染料(熒光蛋白)的發(fā)射光譜的峰值相當(dāng)；在分光鏡與 PMT之間放置的濾光片的通過波長與塑料閃爍體的發(fā)射光譜的峰值相當(dāng)。這種 方法有效的解決了原來部分前置探測系統(tǒng)無法工作于實(shí)時(shí)探測的工作模式，而且 無需對微束注入系統(tǒng)部分和顯微鏡的內(nèi)部光路進(jìn)行改造，結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可 靠。
本發(fā)明利用分光鏡和濾光片分離光信號，除去了不同的波長的光之間的相互 干擾，有效的解決了有效信號淹沒于背景信號的問題。本發(fā)明無需對微束注入系 統(tǒng)部分和顯微鏡內(nèi)部光路進(jìn)行改造，只改變外部光路，工藝要求簡單且工作穩(wěn)定 可靠。本發(fā)明應(yīng)用于單離子微束裝置中，實(shí)現(xiàn)了微束平臺的在線檢測功能。


圖1為當(dāng)前微束平臺上通常所使用的兩種離子探測模式，其中圖1 (a) 為部分前置探測模式，圖1 (b)為后置探測模式。
圖2為本發(fā)明光路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
顯微鏡光路的改裝-如圖2所示。對顯微鏡的第一C型接口適配器(c-mount adapter) 4進(jìn)行改
裝，首先在第一C型接口適配器4中間處加工一圓孔，直徑與適配器直徑相同
并按C-mount標(biāo)準(zhǔn)加工成標(biāo)準(zhǔn)接口，把分光鏡3固定在打好的圓孔中，保持分光
鏡的法線與第一 C型接口適配器4軸線的夾角為45°。然后在第一 C型接口適配
器4中已安裝好的分光鏡3的上方安裝濾光片1 ，在第二 C型接口適配器5中的
右部安裝濾光片2并把第二 C型接口適配器5安裝在第一 C型接口適配器4上。
最后把CCD相機(jī)安裝在第一 C型接口適配器4，把光電倍增管安裝在第二 C型
接口適配器5的右端。
離子探測系統(tǒng)的光學(xué)部分的光路及光學(xué)原理
首先熒光顯微鏡的激發(fā)光源發(fā)出的光線由顯微鏡自帶的濾光片變?yōu)樗x擇 的熒光染料的激發(fā)波長的光線，激發(fā)光線經(jīng)由物鏡入射至待測樣品11激發(fā)熒光 染料，熒光染料發(fā)出熒光，同時(shí)單離子微束12發(fā)出的離子穿過塑料閃爍體13 后，塑料閃爍體發(fā)出其特定波長的發(fā)射熒光，故光線6中所包含的光線包括激發(fā) 光的反射光，待測樣品11中熒光染料的發(fā)射光，塑料閃爍體13的發(fā)射光，光線 6經(jīng)分光鏡3分為兩束，但成分不變，光強(qiáng)減半，兩束光線中一束向上為光線7， 另一線光線水平向右為光線8。光線7向上入射至濾光片1,濾光片1的通過波 長為熒光染料的發(fā)射波的峰值一致，經(jīng)過濾光片l后，僅有熒光染料發(fā)出的發(fā)光 的熒光9進(jìn)入CCD相機(jī)成像。對于光線8入射至濾光片2，濾光片2的通過波長 與塑料閃爍體13的發(fā)射波的峰值一致，經(jīng)過濾光片2后，僅有塑料閃爍體13 發(fā)出的熒光10被光電倍增管收集，通過后端電子學(xué)線路轉(zhuǎn)化為輻照樣品的離子 個(gè)數(shù)，完成離子探測。
如輻照利用FITC熒光染料染色過的細(xì)胞樣品，由于FITC的激發(fā)波長為 495nm，發(fā)射譜的峰值在519run,所以熒光顯微鏡的自帶濾光片轉(zhuǎn)至黃色濾光片， 而濾光片1則采用EF520 /10nm。由于塑料閃爍體的發(fā)射光譜的峰值為423nm， 則濾光片2則采用EF420/10nm。
權(quán)利要求
1、一種基于分光鏡的應(yīng)用于單離子微束裝置的新型離子探測系統(tǒng)，包括有CCD相機(jī)、熒光顯微鏡及單離子微束，所述熒光顯微鏡的物鏡下方設(shè)置有塑料閃爍體，待測樣品放置于所述熒光顯微鏡的物鏡與所述塑料閃爍體之間，所述待測樣品中有熒光染料，所述單離子微束的出射口位于所述塑料閃爍體下方，其特征在于所述CCD相機(jī)與所述熒光顯微鏡的物鏡之間依次設(shè)置有第一濾光片、分光鏡，所述分光鏡傾斜放置，其透射面朝向所述CCD相機(jī)，所述第一濾光片位于所述分光鏡與所述CCD相機(jī)之間，所述分光鏡反射面一側(cè)設(shè)置有光電倍增管，分光鏡與光電倍增管之間設(shè)置有第二濾光片，所述第一濾光片其通過波長與待測樣品中的熒光染料發(fā)射光譜峰值一致，所述第二濾光片其通過波長與所述塑料閃爍體發(fā)射光譜的峰值一致；熒光顯微鏡的發(fā)射光照射至待測樣品，被待測樣品反射，并激發(fā)待測樣品中的熒光染料發(fā)出熒光，同時(shí)單離子微束發(fā)射出離子轟擊待測樣品，離子穿過塑料閃爍體時(shí)塑料閃爍體發(fā)出熒光，待測樣品反射光、熒光染料發(fā)出的熒光及塑料閃爍體發(fā)出的熒光分別通過熒光顯微鏡的物鏡入射至分光鏡，一部分光透射過分光鏡并入射至第一濾光片，另一部分光被分光鏡反射并入射至第二濾光片，第一、第二濾光片分別將一部分光濾去，熒光染料發(fā)出的熒光通過第一濾光片并被CCD相機(jī)接收，塑料閃爍體發(fā)出的熒光通過第二濾光片并被光電倍增管接收。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分光鏡的應(yīng)用于單離子微束裝置的新型 離子探測系統(tǒng)，其特征在于包括第一C型接口適配器及第二C型接口適配器， 所述CCD相機(jī)與所述熒光顯微鏡的物鏡分別安裝在第一 C型接口適配器兩端的 接口上，所述光電倍增管安裝在所述第二 C型接口適配器一端接口上，所述第 一 C型接口適配器中間開有直徑與第一 C型接口適配器相同的圓孔，所述分光 鏡固定在所述圓孔內(nèi)部，分光鏡法線與所述第一 C型接口適配器軸線之間成一 定角度，所述第一濾光片固定在第一 C型接口適配器內(nèi)部并位于CCD相機(jī)與分 光鏡之間，所述圓孔被加工成與第二 C型接口適配器兩端接口配合的標(biāo)準(zhǔn)接口， 所述第二 C型接口適配器通過另一端接口及所述圓孔加工成的標(biāo)準(zhǔn)接口安裝在 第一 C型接口適配器上，所述第二濾光片固定在第二 C型接口適配器內(nèi)部。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2所述的一種基于分光鏡的應(yīng)用于單離子微束裝置的新型離子探測系統(tǒng)，其特征在于分光鏡法線與所述第一 C型接口適配器軸線之間夾角為45"。
全文摘要
一種基于分光鏡的應(yīng)用于單離子微束裝置的新型離子探測系統(tǒng)，包括有CCD相機(jī)、熒光顯微鏡及單離子微束，熒光顯微鏡下方設(shè)置有塑料閃爍體，待測樣品置于熒光顯微鏡的物鏡與塑料閃爍體之間，單離子微束的出射口位于塑料閃爍體下方，CCD相機(jī)與熒光顯微鏡的物鏡之間依次設(shè)置有第一濾光片、分光鏡，分光鏡透射面朝向CCD相機(jī)，第一濾光片位于分光鏡與CCD相機(jī)之間，分光鏡反射面一側(cè)設(shè)置有光電倍增管，分光鏡與光電倍增管之間設(shè)置有第二濾光片，本發(fā)明無需對微束注入系統(tǒng)部分和顯微鏡內(nèi)部光路進(jìn)行改造，只改變外部光路，工藝要求簡單且工作穩(wěn)定可靠。本發(fā)明應(yīng)用于單離子微束裝置中，實(shí)現(xiàn)了微束平臺的在線檢測功能。
文檔編號G01N21/64GK101661000SQ200910145010
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者余增亮, 吳李君, 吳躍進(jìn), 軍 李, 詹福如, 許永建, 陳連運(yùn), 青 黃 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所