Например, Бобцов

ВОЛОКОННЫЙ ФЛУОРЕСЦЕНТНО-ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ СПЕКТРОМЕТР С МНОГОВОЛНОВЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

ОПТИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
УДК 621.391.837.681.3]:[621 + 681:723
ВОЛОКОННЫЙ ФЛУОРЕСЦЕНТНО-ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ СПЕКТРОМЕТР С МНОГОВОЛНОВЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
© 2014 г. Г. В. Папаян*, канд. техн. наук; В. М. Журба**; А. А. Кишалов**; Н. Н. Петрищев*, доктор мед. наук; М. М. Галагудза***, доктор мед. наук
* Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. Павлова, Санкт-Петербург
** Научно-производственное предприятие «ВОЛО», Санкт-Петербург
*** Федеральный центр сердца, крови и эндокринологии им. В.А. Алмазова, Санкт-Петербург
Е-mail: papayan.garry632@gmail.com
Универсальный волоконный флуоресцентно-отражательный спектрометр с многоволновым возбуждением предназначен для проведения медико-биологических исследований, в том числе в свете автофлуоресценции. Для этого он оснащен осветительной системой на основе светодиодов, обладающей рядом технических особенностей: возбуждением флуоресценции излучением с длинами волн 365, 405 и 450 нм, синхронным переключением блокирующих светофильтров на длины волн возбуждения, быстрым переключением освещения белым светом и возбуждающим излучением. Прибор позволяет проводить наблюдение изменений живых объектов по спектрам диффузного отражения и флуоресценции, регистрируемым практически одновременно. Возможности прибора иллюстрируются проведенными с его помощью исследованиями влияния условий возбуждения автофлуоресценции на состояние метаболического статуса миокарда.
Ключевые слова: флуоресцентная спектроскопия, отражательная спектроскопия, флуоресцентная диагностика, автофлуоресценция.
Коды OCIS: 170.0170, 170.6280, 170.6510, 170.3880, 170.3880, 170.1610, 170.4580
Поступила в редакцию 05.11.2013

Для проведения локальных измерений спектров отражения и флуоресценции в биомедицине на органно-тканевом уровне в условиях in vivo и ex vivo обычно используются многоканальные спектрометры, оснащенные волоконными зондами [16]. В большинстве случаев используется возбуждение излучением какойлибо одной длины волны с помощью лазерного источника. Возможность вариации длины волны возбуждения реализована в работе [4] за счет применения перестраиваемого лазера на красителях, а в работе [5]  ксенонового осветителя с монохроматором.
В работе [6] описан флуоресцентно-отражательный волоконный спектрометр «Skin-AGE», в котором флуоресценция возбуждается излу-

чением с длиной волны 365 нм. Оно позволяет эффективно возбуждать автофлуореценцию ткани, а также ряд экзогенных веществ, которые представляют интерес для диагностики. Вместе с тем при решении некоторых задач, например связанных с выбором оптимальных условий для оценки функционального состояния органа в условиях ишемического повреждения, требуется наличие нескольких длин волны возбуждения. При этом необходимо обеспечить возможность оперативного перехода от одной длины волны возбуждения к другой без перестройки прибора и сохранить возможность быстрого переключения регистрации спектров флуоресцентной эмиссии и спектров диффузного отражения для изучения кинетики их изменений.

38 “Оптический журнал”, 81, 1, 2014

Такими свойствами обладает описываемый ниже универсальный флуоресцентно-отражетельный спектрометр с многоволновым возбуждением «ФОС-М». Прибор оснащен специальной осветительной системой. Ее оптическая схема приведена на рис. 1. Излучателями возбуждения флуоресценции служат монохромные светодиоды с центральными длинами волн 365, 405 и 450 нм (13), а для регистрации спектров отражения  светодиод белого света 4. Излучения светодиодов 13 коллимируются тремя одинаковыми линзами 5, в фокусе которых находятся излучающие площадки светодиодов. Одно из этих излучений в зависимости от положения подвижного зеркала 6 и с помощью неподвижного зеркала 7 и линзы 8 фокусируется на торец осветительного жгута 9. В каждом из осветительных каналов возбуждения в промежутке между линзами 5 и 8 установлены очищающие светофильтры 1012, задача которых состоит в устранении паразитного длинноволнового излучения светодиодов, которое способно помешать регистрации слабой флуоресценции.
Возбуждающее излучение через осветительный канал волоконного щупа поступает в объект, с которым он контактирует. Щуп состоит из семи кварцевых волокон диаметром 400 мкм. Шесть из них находятся на периферии, выполняя функцию освещения, а расположенное в центре зонда седьмое волокно – функцию сбора исходящего из объекта вторичного

излучения. Это излучение через волокна 13 и 14 и сопрягающие линзы 15 и 16 поступает на вход многоканального спектрометра. Между линзами 15 и 16 вводится один из подвижных светофильтров 17, 18 или 19. Его задача ослабить возбуждающее излучение до уровня излучения флуоресцентной эмиссии, что позволяет сформировать референтный сигнал в отраженном свете. Блокирующие светофильтры 1719 вместе со вспомогательным зеркалом 6 смонтированы на общей платформе, приводимой в движение шаговым двигателем. При изменении длины волны возбуждающего излучения платформа устанавливает зеркало 6 в положение напротив необходимого светодиода, при этом соответствующий барьерный светофильтр устанавливается в приемном канале. Таким образом, в данной схеме каждому положению платформы соответствует свой излучающий светодиод, а также пара светофильтров – один очищающий и один барьерный. При этом переключение источников излучения и барьерных светофильтров происходит синхронно с помощью одного общего двигателя, что упрощает систему переключения и делает ее более надежной.
Ввод излучения светодиода белого свечения 4 в осветительный жгут 9 осуществляется через вспомогательный световод 20, который изготовлен из полимерного волокна диаметром 1,5 мм. Его входной торец располагается в непосредственной близости от светодиода 4,

17 18

450 нм

3 405 нм

2 365 нм

1

14 5 5 5
12 11 10 16

19 6
15
13

белый

4

7 8 20
9

Рис.1. Оптическая схема осветителя многоволнового волоконного флуоресцентно-отражательного спектрометра ФОС-М (пояснения в тексте).
39 “Оптический журнал”, 81, 1, 2014

Торец Y-образного жгута в SMA-коннекторе

5 мм

α = 60°

Белый

365 нм

Рис. 2. Конструктивное выполнение многоволнового осветителя (обозначения те же, что и на рис. 1).

17 18 19

32 1

4 7

13 6

9

Рис. 3. Ввод излучения белого светодиода в осветительный жгут.

что позволяет осуществлять ввод излучения без согласующей оптики. Выходной конец световода 20, выполненный в виде призмы полного внутреннего отражения (рис. 2), вмонтирован в SMA-разъем осветительного жгута таким образом, чтобы не препятствовать освещению его возбуждающими лучами.
Конструктивное выполнение многоволнового осветителя прибора «ФОС-М» представлено на рис. 3, а его технические характеристики приведены в таблице.
Что касается спектрометрометрического модуля прибора «ФОС-М», то в нем, как и в приборе «Skin-AGE», используется коммерчески доступный многоканальный оптоволоконный спектрометр AvaSpec-2048 (Avantes Inc.), регистрирующий спектр в диапазоне 350750 нм. Управление прибором осуществляется от встроенного контроллера с помощью персонального компьютера, подключаемого к прибору через порт USB-2.0.
В качестве примера приведем результаты предварительных исследований метаболического статуса миокарда при повторных эпизодах тотальной ишемии-реперфузии сердца ex vivo с использованием различных условий возбуждения автофлуоресценции. В экспериментах участвовали все имеющиеся в приборе источники возбуждения флуоресценции  365, 405 и 450 нм. Кривые изменения интенсивности автофлуоресценции во времени, полученные при различных спектральных условиях

Технические характеристики прибора «ФОС-М»

канал освещения 365 нм

Мощность на выходе зонда

канал освещения 405 нм канал освещения 450 нм

канал освещения «белый»

365 нм / 405 нм

Время переключения

405 нм / 450 нм 365 нм / 450 нм

365 нм / белый

Спектральный диапазон регистрации спектров отражения

Спектральный диапазон регистрации спектров флуоресценции

Шина связи с компьютером

Габаритные размеры В. Ш. Г.

Питание

Масса прибора

40

3 мВт 6 мВт 9 мВт 50 мкВт
3с 3с 6с