Der Schlüssel zur multispektralen Raman-Gewebeabbildung:Coherent

Herausforderung

In der biologischen Forschung und bei zukünftigen klinischen Anwendungen (wie z. B. intraoperativen Biopsien) besteht das Endziel der Vibrationsbildgebung darin, schnell (d. h. mit Videogeschwindigkeit) 3D-Bilder zu erhalten, die ausreichende spektrale Informationen enthalten, um eine detaillierte chemische Kartierung zu ermöglichen. Dies ist in der biologischen Forschung von großem Nutzen und von entscheidender Bedeutung für präklinische Anwendungen der markierungsfreien Bildgebung.

Die spontane Raman-Mikroskopie ist eine leistungsstarke markierungsfreie Bildgebungstechnik, die jedoch durch sehr schwache Signale gekennzeichnet ist, was ihre Geschwindigkeit und Empfindlichkeit einschränkt. Die stimulierte Raman-Streuung (SRS) verstärkt das Signal um viele Größenordnungen. Allerdings funktioniert SRS in der Regel nur bei einer oder zwei diskreten Frequenzen, was lediglich eine grundlegende Abbildung ermöglicht, beispielsweise die Unterscheidung zwischen proteinreichen und lipidreichen Bereichen. Professor Giulio Cerullo vom Polytechnikum Mailand und seine Kollegen haben sich daran gemacht, den Anwendungsbereich von SRS auf mehrere (zunächst 32) Wellenlängenkanäle erheblich zu erweitern. Dazu benötigten sie ein Hochgeschwindigkeitslasersystem mit einer Arbeitswellenlänge von 1 Mikrometer, da Wasser Laser dieser Wellenlänge nicht absorbiert und das Risiko einer Lichtschädigung der DNA durch Multiphotonenabsorption sehr gering ist.

Lösung

出于几个原因，他们决定围绕Coherent 10 瓦超快激光器构建一个 SRS 激发激光系统。 首先，其输出波长为 1040 nm，处于组织成像所需的范围中。 高功率很重要，因为该激光一部分用作 SRS 泵浦光束，另一部分用于驱动自建的光学参量振荡器 (OPO)，后者可以产生宽带 SRS 斯托克斯光束。 此外，SRS 是对功率要求非常高的三阶光学效应。 激光的高重复频率 (80 MHz) 也很重要，因为这可以实现高速扫描，停留时间短至每像素 <50µs，并能够进行快速调制。 快速调制对于探测非常关键。 为此，该小组使用了一个光电二极管阵列，后面连着一个独特的 32 通道锁定放大器芯片。 这与泵浦光束的快速 (2 MHz) 调制同步。 （在规划阶段，Coherent 通过仔细测量，确认超快激光器在这个频率下噪声特别低，实现了高信噪比，从而提高了扫描速度。）

Ergebnis

Die Cerullo-Gruppe hat erfolgreich nachgewiesen, dass das System detaillierte, hochauflösende Kartierungen von spektral überladenen Proben erstellen kann. Mithilfe einer Spektralanpassung über 32 SRS-Wellenlängenkanäle konnten sie die chemischen Bestandteile heterogener Proben unterscheiden, indem sie die relativen Konzentrationen zweier verschiedener Fettsäuren in kultivierten Leberzellen auf der Ebene einzelner Lipidtröpfchen maßen. Außerdem konnten sie in präklinischen Mausmodellen für Fibrosarkome die Tumorränder identifizieren. Kürzlichhaben siedie Systemleistung durch den Einsatz Coherent Hochleistungs-Ultrakurzpulslasers (18 W) Coherent weiter verbessert.