虹科固态光源之于生命科学

当今显微世界照明，汞弧灯的使用还占主流。但由于其中汞危害，更换与维护成本高，特定功率低等劣势。虹科伙伴Lumencor为了更加高性能和安全环保的显微照明，促使自身发展了现代固态照明技术。

借此文，小编就带大家了解一下虹科固态光源，以及其在生命科学的应用与潜能：

固态照明优势在于输出稳定性、功率和有害物质如汞的消除，但鲜为人知的是，固态光源在多大程度上能够促进特定应用的定制和照明优化？接下来，本文将介绍三个例子。

什么是固态光源？

  虹科Lumencor光引擎是固态光源的集成阵列，是一种高性能的照明系统，由包括LED、光管和激光在内的固态技术混合组成。每个光源的波长、带通、光功率和工作模式都可以根据应用要求来选择。固体光源具有内在的稳定性和长寿命。Lumencor的模块化光引擎设计可以实现特定应用的配置，这是白炽灯光源无法做到的。具有不同光谱输出特性的不同类型的固态光源（LED、发光管或激光）的组合可以根据应用要求在光引擎框架内进行组装。

 其中，Lumencor固态光源配备的新颖发光光管技术，可在500-600nm（绿色/黄色）波长范围内提供高功率宽带输出，解决了LED在这个范围内的性能限制（所谓的 "绿色鸿沟"）。与激光波长一样，光源的输出功率可以根据应用要求进行设计。光源可以单独控制，或作为一个整体产生白光输出；光源的激活和输出衰减是由电子控制的。

光谱输出定制

  荧光原位杂交（FISH）是细胞遗传学分析的基石。通常情况下，是用多个光谱不同的探针对标本进行检测，实现同时观察变体和对照核苷酸序列。

理想的FISH光源应该提供相对于探针激发特性更为优化的光谱输出，且强度要足够产生弱杂交信号的荧光。在FISH应用中，与其他多重荧光成像应用一样，标准做法是使用约30nm的激发带宽，均匀分布在可见光谱及其边缘谱段（约350至650nm），实现对五或六个核苷酸序列的离散检测。

白炽灯照明源，如金属卤化物灯和汞弧灯，有一个不变的可见光输出光谱，由三组强烈的峰值（365、405和436纳米）组成，与另一个强烈的双峰（546和578nm；见图2）之间有一个约100纳米的间隙。该间隙跨越了SpectrumGreen（Abbott Molecular公司提供）标记的FISH探针以及其它重要荧光标记如异硫氰酸荧光素（FITC）和绿色荧光蛋白（GFP）的最佳激发区

相比之下，固态光引擎的光谱输出可以根据FISH特定的激发要求进行配置。虽然光引擎和金属卤化物灯的总输出功率差不多，但光引擎的输出集中在可以被吸收并转化为可检测的荧光的波长区域，而不是在与应用无关并可能损害标本的区域（如<350nm）。因此，在表2所示的例子中，固态光源在五个光通道中的四个提供了比金属卤化物灯更强的激发效果。

在波长>600nm时，固态光源优势甚至更大，这被用于激发Cy5和SpectrumFRed（远红）标记的FISH探针（Abbott Molecular）。在对应区间里，金属卤化物灯和汞弧灯的功率表现很差。

快速切换波长

细胞内钙的比率成像长期以来一直是细胞生物学、神经科学和相关领域的一项重要技术。 激发比率成像补偿了指示染料浓度的变化，无论是在细胞内还是在细胞之间；否则可能被解释为钙水平的变化。钙离子（Ca2+）比率成像的指示染料通常是fura-2和最新研发的红移类似物fura-8（AAT Bioquest, Inc.）。

激发比率成像通常使用白光光源，结合手动切换滤光片来选择所需的激发波长（fura-2为340和380nm，fura-8为360和400nm）。一个固态光引擎可以从两个滤光后的LED光源中产生这些输出，这些光源可以通过电子进行切换选择，不需要机械干预。因为光源切换是在没有移动部件的情况下完成的，激发波长的交替（见表3）可以快1000多倍（机械切换=50μs，电子切换=10μs），而且比机械方法更不容易受到周期间变化的影响。反过来，这也允许更高速的数据采集，为记录细胞生理学的基本过程提供更高的时间分辨率。

在许多其他可以从固态光源的电子切换中受益的应用中，也包括荧光和透射光显微镜的高速彩色成像。

多模输出优化

在活体成像中，相对于细胞培养物和组织切片而言，标本的复杂性增加，经常需要结合具有不同空间分辨率和组织穿透特性的成像方式。面对这种需求，一个很好的例子是机器人辅助的腹腔镜手术。

在这种手术中，外科医生通过使用白光照明的反射式内窥镜观察手术区域。其它成像方式的叠加为额外的手术指导提供了丰富的数据。例如，血管的近红外(near-infrared)荧光成像可以识别切除部位附近需要夹住的血管，也有助于区分肿瘤和周围组织。

为这一应用定制的光引擎包括四个可见光波长的光源，结合起来产生白光和一个用于荧光激发的近红外激光。两种输出都通过同一个内窥镜被引导到手术区域。四个可见光源的相对功率输出是可调的，实现白光输出的色温和显色指数优化。

同样重要的是，与通常用于对显微镜标本进行成像的照明设备相比，光引擎能够产生对宏观物体所需照明的更高功率水平。此处的定制固态光引擎能够提供与300W氙灯相媲美的光功率输出。