Когерентная рамановская микроскопия может быть расширена за счет слияния инструментов и компьютеров

20 марта 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

корректура

Издательский центр Light, Чанчуньский институт оптики, точной механики и физики, CAS

Комбинационное рассеяние — это процесс неупругого рассеяния, при котором происходит обмен энергией между фотонами и молекулами для передачи информации о молекулярных колебаниях. Рамановская микроспектроскопия стала незаменимым аналитическим инструментом в биологии и медицинской хирургии, главным образом, благодаря двум «свободам»: без меток и без водного фона.

Эти преимущества позволяют нам изучать живые образцы без эндогенных возмущений. Кроме того, пики комбинационного рассеяния света имеют гораздо более узкую спектральную полосу пропускания, чем спектр излучения флуоресцентных красителей, что позволяет одновременно изучать различные метаболические соединения в одной и той же среде.

В новой статье, опубликованной в eLight, доктор Хаонань Линь и профессор Цзи-Синь Ченг из Бостонского университета рассмотрели сочетание инструментальных и вычислительных подходов к когерентному комбинационному рассеянию света (CRS).

Несмотря на значительные преимущества, одним из фундаментальных недостатков комбинационного рассеяния света является его сильно ограниченное поперечное сечение. Типичное рамановское сечение составляет 10–30 см2 на молекулу, что приводит к очень длительному времени интеграции сигнала — от секунд до минут на фокальное пятно. Такая ограниченная скорость делает непрактичным выполнение попиксельной визуализации динамических систем. Нелинейный оптический процесс был введен для когерентного усиления сигналов комбинационного рассеяния света и преодоления фундаментальных ограничений поперечного сечения.

С помощью двух синхронизированных сверхбыстрых лазеров когерентные комбинационные сигналы возникли в когерентном антистоксовом комбинационном рассеянии (CARS) и вынужденном комбинационном рассеянии (SRS). В CRS два лазерных поля синхронно взаимодействуют с молекулой-мишенью. Когда частота биений соответствует моде рамановских колебаний, происходит когерентно усиленный процесс передачи энергии. Он аннигилирует фотон накачки, преобразует его в стоксов пучок и генерирует фотоны на новой частоте.

CRS позволил получить высокоскоростную химическую визуализацию на основе собственных пиков комбинационного рассеяния на биологических образцах. Однако биологические образцы представляют собой сложные микросистемы, состоящие из различных метаболитов, спектры которых часто перекрываются, особенно в сильной, но насыщенной углеродно-водородной (CH) области.

Это затрудняет количественный анализ и идентификацию химических веществ в клетках и тканях с использованием узкополосной одноцветной CRS. За последние годы были предприняты значительные усилия по разработке гиперспектральной CRS, которая создает спектр комбинационного рассеяния света в каждом пикселе.

Гиперспектральное изображение дает возможность расшифровать информацию о химическом составе и распространенности в сложной среде. Однако из-за высокой размерности необработанного изображения такая информация не всегда доступна. Требуются алгоритмы для идентификации основных чистых компонентов и разложения карт концентрации.

Параллельно с разработкой приборов для гиперспектральной CRS сообщалось о различных методах несмешивания гиперспектральных изображений. В зависимости от того, предоставляется ли предварительная информация о составе чистых компонентов, мы разделяем их на контролируемые и неконтролируемые методы.

Инновационные инструменты позволили получить изображения CRS со скоростью до 2 кГц, спектральным охватом до 3500 см-1 и скоростью получения спектра до 5 мкс на спектр. Однако эти условия не могут быть реализованы одновременно из-за физического предела, определяемого пределом чувствительности CRS.

Например, дальнейшее увеличение скорости приведет к ухудшению отношения сигнал/шум (SNR) установки, что сделает ее неприменимой для биомедицинских приложений. Учитывая ограничения фотоповреждений, этот компромисс можно выразить как пространство дизайна. Это гиперплоскость, пересекающаяся с тремя осями, представляющими скорость, спектральную полосу пропускания и соотношение сигнал/шум. Оптимизация инструментов позволяет системе достичь оптимальной точки состояния на гиперплоскости, однако выход за ее пределы остается сложной задачей.