[发明专利]一种大范围电子束激发荧光成像和光谱测量装置及其方法

摘要

本发明公开了一种大范围电子束激发荧光成像和光谱测量装置及其方法。本发明的大范围电子束激发荧光成像和光谱测量装置包括：扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、大范围荧光收集耦合传输系统、荧光强度探测器、荧光光谱探测器、扫描同步信号采集器、协同控制与数据处理输出系统；本发明通过引入大范围荧光耦合器，使得在扫描电子显微镜系统在成像视野范围内所激发的荧光信号均能够以相同的高收集效率会聚耦合至荧光传输光路，解决了大范围荧光扫描成像所得到的图像难以使用统一的标准来测算和比较不同位置处的荧光激发强度或荧光激发产率以及荧光光谱信息的问题，能够完成基于电子束激发荧光信号的大范围快速检测分析。

主权项

1.一种大范围电子束激发荧光成像和光谱测量装置，其特征在于，所述荧光成像和光谱测量装置包括：扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、大范围荧光收集耦合传输系统、荧光强度探测器、荧光光谱探测器、扫描同步信号采集器、协同控制与数据处理输出系统；其中，协同控制与数据处理输出系统作为同步控制和数据采集中心，与扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、大范围荧光收集耦合传输系统、荧光强度探测器、荧光光谱探测器和扫描同步信号采集器相互连接；扫描信号发生器还连接至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描调控接口；大范围荧光收集耦合传输系统安装在扫描电子显微镜系统的真空样品室内；大范围荧光收集耦合传输系统分别连接至荧光强度探测器和荧光光谱探测器；扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、荧光强度探测器和荧光光谱探测器还分别连接至扫描同步信号采集器；协同控制与数据处理输出系统发出电镜控制信号，传输至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描触发接口，控制扫描电子显微镜系统接收外部信号；协同控制与数据处理输出系统向扫描信号发生器发出同步扫描控制信号，扫描信号发生器产生数字的扫描控制信号，传输至扫描同步信号采集器，并将数字的扫描控制信号转变调理成模拟的扫描控制信号后，传输至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描调控接口，控制扫描电子显微镜系统的电子束扫描位置及扫描停留时间；扫描电子显微镜系统发射电子束，照射到扫描电子显微镜系统的真空样品室内的待分析检测的样品上，激发待分析检测的样品产生荧光；大范围荧光收集耦合传输系统将扫描电子显微镜系统在成像视野范围内所激发的荧光会聚，并通过反射耦合收集荧光，在协同控制与数据处理输出系统的分光控制信号的控制下将荧光分别传输至荧光强度探测器和荧光光谱探测器；荧光强度探测器和荧光光谱探测器在协同控制与数据处理输出系统发出的同步采集触发信号控制下，分别同步采集荧光强度信号和荧光光谱信号，并将荧光强度信号和荧光光谱信号传输至扫描同步信号采集器；扫描同步信号采集器在协同控制与数据处理输出系统发出的同步采集控制信号控制下，分别接收扫描信号发生器的数字的扫描控制信号、荧光强度探测器的荧光强度信号、荧光光谱探测器的荧光光谱信号和扫描电子显微镜系统产生的二次电子或背散射电子信号，再将信号汇总处理后传输至协同控制与数据处理输出系统；由协同控制与数据处理输出系统发出的同步扫描控制信号、同步采集触发信号和同步采集控制信号具有同步的时序逻辑关系，发出一个同步扫描控制信号时，同步发出相应的同步采集触发信号和同步采集控制信号，实现在电子束扫描位置保持不变的扫描停留时间内，同时进行荧光强度信号和荧光光谱信号的采集，最终由协同控制与数据处理输出系统进行实时同步的信号处理分析并显示输出；所述大范围荧光收集耦合传输系统包括：反射面镜、反射面镜原位固定装置、大范围荧光耦合器、荧光传输光路、荧光传输光路真空窥通装置和分光装置；其中，所述反射面镜通过反射面镜原位固定装置固定在扫描电子显微镜系统的真空样品室中，反射面镜上开一通孔，使得扫描电子显微镜系统所产生的高质量聚焦的电子束穿过反射面镜，从而与待分析检测的样品相互作用；电子束与待分析检测的样品相互作用后产生荧光，荧光通过反射面镜入射至大范围荧光耦合器；所述大范围荧光耦合器将扫描电子显微镜系统在成像视野范围内所激发的荧光会聚，并通过反射耦合进入荧光传输光路；所述荧光传输光路采用柔性材料，或者采用柔性材料与光导管相耦合的结合体，荧光传输光路通过荧光传输光路真空窥通装置从真空样品室的内部连接至外部；所述荧光传输光路真空窥通装置固定在真空样品室的室壁上；在扫描电子显微镜系统外部的荧光传输光路中安装分光装置，所述荧光传输光路通过分光装置将荧光同时传输至荧光强度探测器和荧光光谱探测器；所述分光装置与协同控制与数据处理输出系统连接，在协同控制与数据处理输出系统发出的分光控制信号控制下，连续调节荧光分配至荧光强度探测器和荧光光谱探测器的相对比例；所述大范围荧光耦合器包括会聚透镜组和光导管；其中，所述会聚透镜组的光轴穿过反射面镜的焦点并且平行于反射面镜的旋转对称轴；所述会聚透镜组采用一级或者多级透镜；所述会聚透镜组将扫描电子显微镜系统在成像视野范围内所激发的荧光信号会聚至荧光传输光路的输入端；所述光导管为从前至后具有渐缩角的中空管，前端连接会聚透镜组，末端连接荧光传输光路的输入端；所述光导管将会聚透镜组无法汇聚至荧光传输光路内的荧光通过一次或多次反射的原理耦合进入荧光传输光路。