Kimyasal Görüntüleme için Hiperspektral Uyarılmış Raman Saçılması ve Tutarlı Anti-Stokes Raman Saçılma Mikroskobunun Doğrudan Karşılaştırılması

Özet

Bu makale, aynı mikroskop platformuna entegre edilmiş uyarılmış Raman saçılmasının (SRS) ve tutarlı anti-Stokes Raman saçılmasının (CARS) çözünürlüğünü, hassasiyetini ve görüntüleme kontrastlarını doğrudan karşılaştırmaktadır. Sonuçlar, CARS'ın daha iyi bir uzamsal çözünürlüğe sahip olduğunu, SRS'nin daha iyi kontrastlar ve spektral çözünürlük sağladığını ve her iki yöntemin de benzer hassasiyete sahip olduğunu göstermektedir.

Özet

Uyarılmış Raman saçılması (SRS) ve tutarlı anti-Stokes Raman saçılması (CARS) mikroskobu en yaygın kullanılan tutarlı Raman saçılma görüntüleme teknolojileridir. Hiperspektral SRS ve CARS görüntüleme, her pikselde Raman spektral bilgisi sunar ve bu da farklı kimyasal bileşimlerin daha iyi ayrılmasını sağlar. Her iki teknik de iki uyarma lazeri gerektirse de, sinyal algılama şemaları ve spektral özellikleri oldukça farklıdır. Bu protokolün amacı, hem hiperspektral SRS hem de CARS görüntülemeyi tek bir platformda gerçekleştirmek ve farklı biyolojik örnekleri görüntülemek için iki mikroskopi tekniğini karşılaştırmaktır. Spektral odaklama yöntemi, femtosaniye lazerler kullanılarak spektral bilgi elde etmek için kullanılır. Standart kimyasal numuneler kullanılarak, SRS ve CARS'ın aynı uyarma koşullarında (yani, numunedeki güç, piksel bekleme süresi, objektif lens, darbe enerjisi) hassasiyeti, uzamsal çözünürlüğü ve spektral çözünürlüğü karşılaştırılır. Biyolojik örnekler için CARS ve SRS'nin görüntüleme kontrastları yan yana getirilir ve karşılaştırılır. CARS ve SRS performanslarının doğrudan karşılaştırılması, kimyasal görüntüleme için modalitenin optimal seçimine izin verecektir.

Giriş

Raman saçılma fenomeni ilk olarak 1928'de C. V. Raman¹ tarafından gözlemlenmiştir. Bir olay fotonu bir örnekle etkileşime girdiğinde, fotonun enerji değişiminin analiz edilen kimyasal türlerin titreşimsel geçişiyle eşleştiği elastik olmayan bir saçılma olayı kendiliğinden meydana gelebilir. Bu işlem kimyasal etiket kullanımını gerektirmez, bu da onu numune bozulmasını en aza indirirken kimyasal analiz için çok yönlü, etiketsiz bir araç haline getirir. Avantajlarına rağmen, spontan Raman saçılması, analiz² için uzun edinme süreleri gerektiren düşük bir saçılma kesitinden (tipik olarak kızılötesi [IR]....

Protokol

1. Hiperspektral CRS görüntüleme için enstrümantal kurulum

NOT: CRS sinyalinin oluşturulması, yüksek güçlü (yani sınıf 3B veya sınıf 4) lazerlerin kullanılmasını gerektirir. Güvenlik protokolleri ele alınmalı ve bu kadar yüksek tepe güçlerinde çalışırken her zaman uygun kişisel koruyucu ekipman (KKD) giyilmelidir. Denemeden önce uygun belgelere başvurun. Bu protokol, ışın yolunu tasarlamaya, femtosaniye darbelerini cıvıl cı Bu hiperspektral CRS mikroskobunun genel optik düzeni Şekil 1'de gösterilmiştir. Burada gösterilen yapılandırma, CRS mikroskobu için mevcut birçok yapılandırmadan biridir. Bu ....

Sonuçlar

Spektral çözünürlüğün karşılaştırılması
Şekil 2, bir DMSO örneği kullanarak hiperspektral SRS (Şekil 2A) ve CARS (Şekil 2B) mikroskobunun spektral çözünürlüğünü karşılaştırır. SRS spektrumu için, spektruma uyacak şekilde iki Lorentzian fonksiyonu (protokol adım 2.3'e bakınız) uygulandı ve 2.913 ^cm-1 tepe noktası kullanılarak 14.6 ^cm-1'lik bir çözünü.......

Tartışmalar

Burada sunulan protokol, multimodal CRS mikroskobunun yapımını ve CARS ile SRS görüntüleme arasındaki doğrudan karşılaştırmayı açıklamaktadır. Mikroskop yapımı için kritik adımlar mekansal ve zamansal ışın örtüşmesi ve ışın boyutu optimizasyonudur. SNR'yi optimize etmek ve Raman kaymalarını kalibre etmek için biyolojik görüntülemeden önce DMSO gibi standart bir numune kullanılması önerilir. CARS ve SRS görüntüleri arasındaki doğrudan karşılaştırma, CARS'ın daha iyi bir uza.......

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
2D galvo scanner set	Thorlabs	GVS002
Acousto-optic modulator	Isomet	M1205-P80L-0.5
AOM driver	Isomet	532B-2
Data acquisition card	National Instruments	PCle 6363	Custom ordered filter (980 sp)
Delay stage	Zaber	X-LSM050A
Deuterium oxide	Millipore Sigma	151882-100G
Dichroic mirror for beam combination	Thorlabs	DMLP1000
Dichroic mirror for signal separation	Semrock	FF776-Di01-25x36
DMSO	MiliporeSigma	200-664-3
MIA PaCa 2 Cells	ATCC	CRL-1420
Femtosecond laser system	Spectral Physics	InSightX3+
Filter for CARS	Chroma	AT655/30m
Filter for SRS	Chroma	ET980sp
Function generator	Rigol	DG1022Z
Glass rods	Lattice Electro Optics	SF-57
Half-wave plate	Newport	10RP02-51; 10RP02-46
LabVIEW 2020	National Instruments		This is the image acquisition software
Lock-in amplifier	Zurich Instrument	HF2LI
Microscope housing	Olympus	BX51W1
Objective lens	Olympus	UPLSAPO60XW
Origin Pro 2019b	OriginLab Corporation		This is the spectral fitting software
Oscilloscope	Tektronix	TBS2204B
Photodiode	Hamamatsu	S3994-01
PMT detector	Hamamatsu	H7422P-40
PMT voltage amplifier	Advanced Research Instrument Corp.	PMT4V3
Polarizing beamsplitter cube	Thorlabs	PBS255
Terminal block	National Instruments	BNC-2110