博覽：2008 Science 基于受激拉曼散射顯微鏡的高靈敏度無(wú)標(biāo)記生物醫(yī)學(xué)成像

正文

基于受激拉曼散射顯微鏡的高靈敏度無(wú)標(biāo)記生物醫(yī)學(xué)成像

技術(shù)背景：

因?yàn)楦鞣N化學(xué)鍵有其特征頻率，使得基于紅外吸收和拉曼散射的振動(dòng)顯微術(shù)可被用作為無(wú)標(biāo)記對(duì)比度機(jī)制卜录。然而使用長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外顯微鏡的分辨率不夠戈擒，使用短激發(fā)波長(zhǎng)的自發(fā)拉曼散射顯微鏡盡管有高分辨率，但是其靈敏度不夠艰毒，成像速度不足筐高。相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)顯微鏡的靈敏度要高于自發(fā)拉曼散射顯微鏡，但是因?yàn)榉枪舱癖尘暗拇嬖冢拗屏似涮綔y(cè)靈敏度柑土。

受激拉曼散射(stimulated raman scattering,SRS)于1968年初次觀測(cè)到蜀肘，隨后在許多光譜研究中得到廣泛的應(yīng)用。在自發(fā)拉曼散射中稽屏，由于非彈性散射的機(jī)理扮宠，一束頻率為 wp 的激光束照射樣品，生成頻率分別為wS 和 wAS的斯托克斯和反斯托克斯信號(hào)狐榔。在SRS中坛增，使用兩束激光wp 和 wS同時(shí)照射樣品。頻率差 Δw = wp ? wS(也稱為拉曼頻移(Raman shift))與特定的分子振動(dòng)頻率Ω匹配時(shí)收捣，拉曼信號(hào)憑借受激激發(fā)被放大。因此庵楷，斯托克斯光束的強(qiáng)度獲得增益放大ΔIS(稱為受激拉曼增益(stimulated Raman gain, SRG))罢艾，泵浦光束強(qiáng)度減小ΔIp(稱為受激拉曼損耗(stimulated Raman loss, SRL))。當(dāng)Δw不匹配任何振動(dòng)頻率時(shí)尽纽，不存在SRL和SRG咐蚯，因此，不同于CARS弄贿，SRS沒(méi)有非共振背景噪聲仓蛆。

當(dāng)前不足：

用于生物成像無(wú)標(biāo)記成像時(shí)，自發(fā)拉曼散射靈敏度低挎春，相干反斯托克斯拉曼散射有背景噪聲。當(dāng)前的SRS已經(jīng)被用于作為一種對(duì)比度機(jī)制豆拨，但是生成的SRS信號(hào)有過(guò)高的峰值功率直奋，用于生物樣品成像會(huì)造成光損傷，且其重復(fù)頻率低使得成像速度也不高施禾。

文章創(chuàng)新點(diǎn)：

基于此脚线，美國(guó)哈佛大學(xué)的Christian W. Freudiger(第一作者)和X. Sunney Xie(通訊作者)等人提出一種基于受激拉曼散射的三維多光子振動(dòng)成像技術(shù)，可以利用生物的內(nèi)源性對(duì)比度介質(zhì)弥搞，進(jìn)行無(wú)標(biāo)記生物醫(yī)學(xué)成像邮绿。

原理解析：

（1）高重復(fù)頻率皮秒激光生成泵浦光和斯托克斯光。使用76MHz重復(fù)頻率攀例，7ps脈寬鎖模Nd:YVO4振蕩器同時(shí)生成1064nm斯托克斯光束和532nm光束船逮。532nm光束經(jīng)過(guò)可調(diào)諧光學(xué)參量振蕩器(optical parametric oscillator,OPO)生成所需泵浦光束(見(jiàn)圖1D和圖2)。

（2）高頻相位敏感(phase sensitive)檢測(cè)機(jī)制提取信號(hào)粤铭。由于在(1)的激發(fā)條件下所獲得的SRL和SRG信號(hào)被掩埋在激光噪聲里(ΔIp/Ip 和 ΔIS/IS < 10?4)挖胃，激光噪聲主要在低頻部分。對(duì)于SRL，以1.7MHz的頻率調(diào)制斯托克斯光束的強(qiáng)度酱鸭，并使用鎖相放大器以相同的頻率檢測(cè)由此產(chǎn)生的泵浦光束的強(qiáng)度調(diào)制(見(jiàn)圖1C)吗垮。類似地，SRG可以通過(guò)調(diào)制泵浦光束凹髓，檢測(cè)斯托克斯光束來(lái)測(cè)量烁登。使用此方法可以檢測(cè)ΔIp/Ip 和 ΔIS/IS的強(qiáng)度變化，靈敏度比之前報(bào)道的要高四個(gè)數(shù)量級(jí)饵沧。

（3）SRL在Ip和IS中都是線性的。SRL對(duì)分析物濃度的線性依賴(見(jiàn)圖1E)使得直接進(jìn)行定量分析是可行蝗敢。圖 1F 中顯示了反式視黃醇(trans-retinol)的孤立拉曼峰的SRL捷泞、自發(fā)拉曼和 CARS 光譜。盡管 SRL 和自發(fā)拉曼光譜幾乎相同寿谴，但 CARS 光譜表現(xiàn)出與拉曼頻移無(wú)關(guān)的非共振背景锁右，以及由于背景干擾導(dǎo)致的光譜失真。對(duì)于具有多個(gè)峰的光譜讶泰，也可以看到 SRL咏瑟、SRG 和自發(fā)拉曼光譜之間的良好一致性（圖 1G）。

視頻1：使用 SRL 顯微鏡獲取的小鼠腦部三維圖像堆棧痪署。CH2提供對(duì)比度突出了神經(jīng)元周?chē)乃枨事肱ⅰRL 顯微鏡的三維切片能力是顯而易見(jiàn)的。

視頻2：使用 SRL 顯微鏡獲取的小鼠腦部三維圖像堆棧狼犯。CH2提供對(duì)比度突出了富含脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)：角質(zhì)層的細(xì)胞間隙余寥、活性表皮中的毛囊和真皮中的皮脂腺（所提結(jié)構(gòu)按視頻時(shí)間順序出現(xiàn)）。

視頻3：使用同時(shí)雙色 SRL 顯微鏡所獲得的小鼠皮膚三維圖像堆棧悯森。將二甲基亞砜(DMSO) 應(yīng)用于皮膚宋舷，通過(guò)調(diào)諧到 670cm-1 峰（綠色通道）獲得對(duì)比度。從 2845 cm-1 峰（紅色通道）獲得內(nèi)源性脂質(zhì)對(duì)比度瓢姻。視頻覆蓋距離表面約 80 μm 的深度祝蝠，并顯示 DMSO 通過(guò)親水途徑滲透。

參考文獻(xiàn)：Freudiger CW, Min W, Saar BG, Lu SJ, Holtom GR et al. Label-free biomedical imaging with high sensitivity by stimulated Raman scattering microscopy. Science 2008; 322: 1857–1861.

DOI：https://doi.org/10.1126/science.1165758

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設(shè)備有限公司是國(guó)內(nèi)知名光電產(chǎn)品專業(yè)代理商幻碱，代理品牌均處于相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展前沿绎狭；產(chǎn)品包括各類激光器、光電調(diào)制器褥傍、光學(xué)測(cè)量設(shè)備儡嘶、精密光學(xué)元件等，涉及應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了材料加工恍风、光通訊社付、生物醫(yī)療承疲、科學(xué)研究、國(guó)防及更細(xì)分的前沿市場(chǎng)如量子光學(xué)鸥咖、生物顯微燕鸽、物聯(lián)傳感啼辣、精密加工啊研、先進(jìn)激光制造等；可為客戶提供完整的設(shè)備安裝鸥拧，培訓(xùn)党远，硬件開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)富弦，系統(tǒng)集成等優(yōu)質(zhì)服務(wù)沟娱。

 

您可以通過(guò)昊量光電的官方網(wǎng)站www.wjjzl.com了解更多的產(chǎn)品信息，或直接來(lái)電咨詢4006-888-532腕柜。

 

本文章經(jīng)光學(xué)前沿授權(quán)轉(zhuǎn)載,商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系獲得授權(quán)济似。