【生物化学应用】Block量子级联激光快速红外成像系统

为了从生物或化学样品中获得高质量的分子结构，一般在光学显微镜下采用造影剂染料涂敷样品以提高对比度，但是造影剂可能破坏样品，并且受限于已知成像的分子结构。随着光谱成像技术的发展，使用红外吸收技术，能够对微米厚度的样品进行无干扰的分子研究。分子在特定光谱范围内有特征峰，使得红外光谱成像系统在不需要染料涂敷样品的情况下解析分子结构，准确识别样品的化学成分。基于宽范围可调谐量子级联激光器（QCL）和碲化汞镉（MCT）探测器搭建离散频率红外（DFIR）光谱成像系统，可以实时记录光谱数据。

图1 Block QCL激光器和MCT探测器

客户将图1的Block LaserTune QCL激光器和MCT探测器组合使用。激光器内部搭载4个宽范围调谐的QCL模块合束光路，光谱范围覆盖MCT探测器和DFIR显微镜的探测区域（776.9-1904.4 cm^-1）。

图2 离散频率红外（DFIR）光谱成像系统

图2（A）中的可调谐QCL激光器来自Block Engineering公司的LaserTune 4000，它包含4个独立的QCL芯片，可调范围为776.9至1904.4 cm^-1，平均光功率在0.5至10 mW之间。

基于QCL激光器和MCT探测器搭建的离散频率红外（DFIR）光谱成像系统，使得显微镜能够实现宽光谱覆盖、宽视场检测和衍射光谱成像。图2（B）是各仪器接线图，显示系统的主要控制组件。图2（C）是通讯协议，从QCL输出的激光实时在外部示波器检测，该示波器根据的频谱分辨率和扫描速度触发MCT探测器和显微镜。

客户将QCL激光器设置为31 ns的脉冲，2 MHz的脉冲宽度，6.2％的占空比。扫频时激光间隔输出TTL同步脉冲，使用150 mm F₁和反射镜（F₂）将A₁光束聚焦到汞碲化镉（MCT）探测器中，MCT探测器具备微秒级的扫描速度响应。图3中QCL芯片之间的交叉频率产生的频谱噪声，经过采集后的降噪处理，得到高质量的单光束光谱(蓝色)。

图3 离散频率红外（DFIR）光谱成像系统快速扫频(蓝色)，傅里叶变换红外(FT-IR)成像光谱仪系统快速扫频(红色)

图4 样品中“BLOCK”的每个字母都用不同的化学物质写在玻璃基板上

图5 以咖啡yin（Caffeine）样品的反射率

图5中蓝色线为离散频率红外（DFIR）光谱成像系统的测量光谱，黑色线为傅里叶变换红外(FT-IR)成像光谱仪系统的参考光谱。通过咖啡yin的测量光谱和参考光谱的比较，客户证明了该系统的光谱和空间保真度至少与傅里叶变换红外(FT-IR)成像光谱仪系统一样好。同时与10倍像素的高性能线性阵列系统的*光谱质量相比，DFIR优化了等效光谱信噪比（SNR），在光谱频率上以更快的时间扫描更多的组织微阵列（TMA）。这些进展为高通量红外生物化学成像，特别是细胞、组织和化学污染物的检测提供了新的机会。