拉曼与红外显微镜在化学态成像中的应用

拉曼显微镜和红外显微镜均广泛用于研究样本的化学组成与分子结构。两者可分别用于观察分子键的不同维度信息，通常作为互补技术联合使用以获得更全面的材料分析结果。

拉曼显微镜是一种基于拉曼散射效应的光学成像技术。成像期间，大多数入射光子发生随机散射（瑞利散射/弹性散射）；少量光子会出现能量发生变化的非弹性散射，其中能量变化和分子振动能级相对应。不同于其他大多数显微成像技术，拉曼显微镜并不直接生成样本的物理结构图像，而是提供样本的分子组成信息。典型应用领域包括

• 生命科学：可视化观察细胞成分，无需染色。
• 材料科学：解析分子结构，映射半导体或复合材料中的应力分布
• 药物发现：生成伪彩色化学态成像以揭示片剂的化学组成。

红外显微镜是对红外光显微成像技术的统称，涵盖多种型式，比如：半导体的红外透射成像、结合使用红外吸收和发射荧光团的单光子荧光成像、基于多次谐波生成的多光子组织成像。

其应用范围极广，典型应用领域包括：

• 生命科学：对深入到组织样本或类器官中的荧光标记蛋白进行成像
• 材料科学：可视化观察塑料中添加剂的分布，或实现半导体晶圆的双面检测。
• 无标记成像：利用结缔组织或肌肉组织的固有光学特性，通过二次谐波生成 (SHG) 或三次谐波生成 (THG) 实现组织成像 

拉曼显微镜面临的挑战

成像期间的焦点漂移

焦点漂移常见于大面积扫描或样本表面不平整的情况下。解决方案是采用激光自动对焦系统，确保全程维持清晰焦点。

Prior Scientific的解决方案： 

PureFocus690激光自动对焦系统

PureFocus690专门针对红外成像应用进行了优化，在宽光谱范围内具备优异的透光性。该系统支持波长最大1100 nm的近红外波段，同时兼容拉曼显微镜中常用的激发波长（比如532 nm、633 nm和785 nm），因此在红外与拉曼显微镜中具有极高的通用性。

采集时间过长

化学态成像采集期间生成的每一个像素点均对应一条谱线，代表对应位置的化学组成。高分辨率化学成像通常需要采集成千上万条光谱：比如一个100 x 100像素的成像区域即包含10,000条谱线。在信号较弱的情况下，每条谱线采集都可能耗时1秒甚至更长时间。此外，手动定位样本过程缓慢、主观性强且易出错。

实现流程自动化，能让操作人员有更多精力专注于数据审核和分析。
 
Prior Scientific的解决方案： 

ProScan电动XY平台，配备智能扫描技术

对于耗时较长的采集应用，一款能可靠固定位置的高稳定性平台至关重要。

Prior Scientific面向倒置显微镜的H117高性能平台或面向正置显微镜的H101N1F平顶高分辨率平台都能实现亚微米级分辨率。它们结合了步进电机和滚珠丝杠，在不牺牲运动性能的前提下提供足够的摩擦力，确保平台在采集期间保持静止。

Prior Scientific的ProScan平台采用智能扫描技术 (IST)，无需编码器即可确保运动准确度，并有效避免在运动终点发生振荡。

Queensgate的NanoScan SP Z系列纳米定位Z轴压电平台采用电容式传感器，可在长时间采集应用中保持高稳定性，并具有市场领先的运动速度、步进和稳定时间，以及亚纳米级分辨率。

红外显微镜面临的挑战 

样本厚度变化

尽管红外光对厚样本具有良好的穿透力，但要兼顾速度和精度实现类器官或组织内部成像，仍颇具挑战。

Prior Scientific的解决方案：

Queensgate Z轴压电纳米定位平台

Queensgate压电纳米定位平台可实现Z轴方向的亚微米级步进扫描，行程范围长达800 µm，非常适合厚样本内部成像应用。其高稳定性及<10 ms的步进和稳定时间，非常适合三维图像的采集与重建，并兼容多种正置和倒置显微镜。. 

在生命科学领域，样本（比如培养基中的类器官或整体动物）的红外成像通常要保持绝对稳定，即意味着需要移动物镜而非样本来重新对焦。NanoScan OP系列纳米物镜扫描平台用于精确控制物镜运动，具备优异的重复定位精度和分辨率，负载能力可达1000 g，可支撑多光子显微成像常用的大型、重型物镜。

NanoScan SP Z系列纳米定位Z轴压电平台结构小巧，兼容包括孔板、培养皿和玻片在内的多种样本，尤其适用于样本不可移动、但需要高精度移动多个物镜的成像应用，比如脑组织切片成像。 

扫描大型样本

半导体行业常使用红外显微技术检查单个芯片的诸多属性和各种缺陷，并通过晶圆两面同步成像来节省时间。但对大型样品进行全幅成像，本身就耗时较长。

Prior Scientific的解决方案：

ProScan H112大型平台，搭载PureFocus690激光自动对焦系统

ProScan H112电动XY平台具有300 x 300 mm的行程范围，足够用于全幅映射12英寸硅晶圆。平台还提供多种安装配件，包括晶圆真空吸盘/卡盘、光学平台及铝板等。

Maintaining focus across the large wafer surface area while scanning is another challenge. This is where the PureFocus690 works with the large-format stage, keeping the sample in focus by adjusting to changes in sample height in real time. This can reduce scanning times by up to 95% by removing the need for contrast based autofocus or volumetric imaging.  The PureFocus690 also has a motorized offset lens to switch the focus plane between the upper and lower surfaces of the wafer while the autofocus is active.

另外，在扫描大型晶圆表面时全程保持清晰对焦也是挑战之一。为此，我们将PureFocus690和大型平台相结合，通过实时调整样本高度变化来保持清晰对焦。如此一来，无需基于对比度的自动对焦或体积成像技术，使得扫描时间缩短了95%之多。此外，PureFocus690还配备电动可调焦透镜，可在自动对焦运行时快速切换晶圆的上下表面的焦平面。

时间序列实验期间的样本漂移

时间序列实验通常涉及较长的采集时间，对系统稳定性要求极高。即使设备本身非常稳定，样本漂移依然难以避免，尤其是活细胞成像应用，样本自身的变化可能导致焦平面明显偏移。

Prior Scientific的解决方案：

PureFocus690激光自动对焦系统提供实时对焦控制，可针对热不稳定性引起的样本变化自动调焦。通过追踪样本中的反射界面，比如培养皿中的水/玻璃界面，该硬件自动对焦系统可实现低对比度样本（如转基因斑马鱼）的长时间稳定对焦。

实验装置多变 

多光子成像系统常用于对切片组织和整体动物进行成像，采用专为高精度样本深层成像而设计的特殊物镜。由于样本尺寸大、外围设备多，实验空间往往是一大难题。 

Prior Scientific的解决方案：

我们的生理学平台具有大操作台面，可容纳大型样品与各类外围设备，同时为微操作器提供充足的操作空间。

The H189 and HZ106 high-precision XYZ decks offer precise movement in the XY and Z axes. With up to 50mm of motorized Z travel the same microscopy set up used to image fluorescently labelled brain sections can be transformed to enable neuroscience experiments on whole mice in moments. For more complex experiments, the platform that the sample is mounted on can be repositioned higher or lower within the deck system, making these systems extremely flexible and ideal for research. 

H189和HZ106高精度XYZ电动平台可在XY和Z轴方向提供精确运动控制，其Z轴电动行程可达50 mm，而且原本用于荧光标记脑组织切片成像的同一显微装置能在短时间内转换为整鼠的神经科学实验平台。针对更复杂的实验需求，样本装载平台还能在操作台系统中上下调节高度，使整个系统具备超高灵活性，非常适合各类科研应用。
 

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