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【生物化學應用】Block量子級聯激光快速紅外成像系統

為了從生物或化學樣品中獲得高質量的分子結構，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構。隨著光譜成像技術的發展，使用紅外吸收技術，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有特征峰，使得紅外光譜成像系統在不需要染料涂敷樣品的情況下解析分子結構，準確識別樣品的化學成分。基于寬范圍可調諧量子級聯激光器（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，可以實時記錄光譜數據。

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。激光器內部搭載4個寬范圍調諧的QCL模塊合束光路，光譜范圍覆蓋MCT探測器和DFIR顯微鏡的探測區域（776.9-1904.4 cm^-1）。

圖2 離散頻率紅外（DFIR）光譜成像系統

圖2（A）中的可調諧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，使得顯微鏡能夠實現寬光譜覆蓋、寬視場檢測和衍射光譜成像。圖2（B）是各儀器接線圖，顯示系統的主要控制組件。圖2（C）是通訊協議，從QCL輸出的激光實時在外部示波器檢測，該示波器根據的頻譜分辨率和掃描速度觸發MCT探測器和顯微鏡。

客戶將QCL激光器設置為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。圖3中QCL芯片之間的交叉頻率產生的頻譜噪聲，經過采集后的降噪處理，得到高質量的單光束光譜(藍色)。

圖3 離散頻率紅外（DFIR）光譜成像系統快速掃頻(藍色)，傅里葉變換紅外(FT-IR)成像光譜儀系統快速掃頻(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)成像光譜儀系統一樣好。同時與10倍像素的高性能線性陣列系統的*光譜質量相比，DFIR優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。