Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Kính hiển vi đa mô thức với tính năng tập trung phổ CARS và SFG từ một liên tục đồng nhất được thiết kế từ sợi siêu nhỏ
Tóm tắt
Chúng tôi báo cáo một hệ thống kính hiển vi công nghệ mới cho hình ảnh sinh học dựa trên tia laser titanium:sapphire (Ti:Sa) bơm 100 fs, tạo ra một liên tục đồng nhất từ một sợi truyền dẫn (fiber) có chiều dài 9 cm với tất cả các phân tán bình thường (ANDi), cho phép hình ảnh tương phản đồng thời với (a) tính năng tập trung phổ trong sự tán xạ Raman ngược đồng bộ (SF-CARS) (trải rộng từ 900–3200 cm−1) và (b) sự sinh ra tần số tổng (SFG). Cả hai phương thức này đều được kích thích hiệu quả với các mức công suất tại tiêu điểm kính hiển vi tương thích với mẫu sinh học. Hơn nữa, sử dụng liên tục này, hình ảnh được ghi lại trong hình học tán xạ ngược (phát hiện epi), mà không cần một bộ điều khiển máy tính đắt tiền cho bộ điều biến ánh sáng không gian (SLM), từ đó rõ ràng cho thấy mức tín hiệu mạnh đạt được. Tương phản hình ảnh từ nhiều phương thức cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về hóa học và cấu trúc so với việc hình ảnh bằng bất kỳ kỹ thuật đơn lẻ nào. Các mô phỏng số đã hỗ trợ những phát triển này liên quan đến chiều dài sợi tối ưu để tạo ra SC và đạt được độ phân giải quang phổ cao trong SF-CARS thông qua việc cân chỉnh sự phân tán độ trễ nhóm cẩn thận giữa các xung bơm và Stokes chỉ bằng một dãy ngắn các khối kính giá rẻ chèn vào chùm Stokes. Chúng tôi trình bày hình ảnh sinh học của mô tế bào chuột được ghi lại đồng thời thông qua tương phản không có nhãn/chất nhuộm từ nhiều phương thức: CARS, huỳnh quang tự phát hai photon (TPaF) và sinh ra tần số bậc hai/tổng tần số (SHG/SFG). Tóm lại, phương pháp của chúng tôi đem lại hiệu suất tối ưu trong cấu hình phát hiện tán xạ ngược (epi-), phù hợp cho các mẫu dày, với độ phức tạp và chi phí giảm. Việc thêm bộ cộng sợi đơn giản này vào các tia laser đã được sử dụng rộng rãi cho kính hiển vi TPF do đó có thể mở rộng khả năng của một số lượng lớn các phòng thí nghiệm kính hiển vi hiện có.
Từ khóa
#hình ảnh sinh học #kính hiển vi đa mô thức #tán xạ Raman #tán xạ ngược #sự sinh ra tần số tổngTài liệu tham khảo
P.D. Maker, R.W. Terhune, Study of optical effects due to an induced polarization third order in the electric field strength. Phys. Rev. 137(3A), A801–A818 (1965)
M.D. Duncan, J. Reintjes, T.J. Manuccia, Scanning coherent anti-Stokes Raman microscope. Opt. Lett. 7(8), 350–352 (1982)
A. Zumbusch, G.R. Holtom, X.S. Xie, Three-dimensional vibrational imaging by coherent anti-stokes Raman scattering. Phys. Rev. Lett. 82(20), 4142–4145 (1999)
M. Müller, A. Zumbusch, Coherent anti-stokes raman scattering microscopy. Chem. Phys. Chem. 8(15), 2156–2170 (2007)
C.L. Evans, X.S. Xie, Coherent anti-stokes raman scattering microscopy: chemical imaging for biology and medicine. Annu. Rev. Anal. Chem. 1(1), 883–909 (2008)
E. Bélanger et al., In vivo evaluation of demyelination and remyelination in a nerve crush injury model. Biomed. Opt. Express 2(9), 2698–2708 (2011)
T.T. Le, T.B. Huff, J.-X. Cheng, Coherent anti-Stokes Raman scattering imaging of lipids in cancer metastasis. BMC Cancer 9, 42–42 (2009)
S.O. Konorov et al., In situ analysis of living embryonic stem cells by coherent anti-Stokes Raman microscopy. Anal. Chem. 79(18), 7221–7225 (2007)
J.P. Smus et al., Tracking adipogenic differentiation of skeletal stem cells by label-free chemically selective imaging. Chem. Sci. 6, 7089–7096 (2015)
C.L. Evans et al., Chemical imaging of tissue in vivo with video-rate coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102(46), 16807 (2005)
Y. Jung et al., Longitudinal, 3D in vivo imaging of sebaceous glands by coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy: Normal function and response to cryotherapy. J. Invest. Dermatol. 135(1), 39–44 (2015)
C.H. Camp, M.T. Cicerone, Chemically sensitive bioimaging with coherent Raman scattering. Nat. Photonics 9, 295 (2015)
H. Camp JrCharles et al., High-speed coherent Raman fingerprint imaging of biological tissues. Nat Photon 8(8), 627–634 (2014)
C. Steuwe et al., Surface Enhanced coherent anti-stokes Raman scattering on nanostructured gold surfaces. Nano Lett. 11(12), 5339–5343 (2011)
Y.J. Lee, Y. Liu, M.T. Cicerone, Characterization of three-color CARS in a two-pulse broadband CARS spectrum. Opt. Lett. 32(22), 3370–3372 (2007)
T.R. Monfort, Non linear photonics: developments & applications in biomedical imaging, PhD Thesis. 2018, University of Southampton (2018)
I. Rocha-Mendoza, W. Langbein, P. Borri, Coherent anti-Stokes Raman microspectroscopy using spectral focusing with glass dispersion. Appl. Phys. Lett. 93(20), 201103 (2008)
W.R. Zipfel, R.M. Williams, W.W. Webb, Nonlinear magic: multiphoton microscopy in the biosciences. Nat. Biotech. 21(11), 1369–1377 (2003)
X. Chen et al., Second harmonic generation microscopy for quantitative analysis of collagen fibrillar structure. Nat. Protoc. 7(4), 654–669 (2012)
J.-X. Cheng et al., An epi-detected coherent anti-Stokes Raman scattering (E-CARS) microscope with high spectral resolution and high sensitivity. J. Phys. Chem. B 105(7), 1277–1280 (2001)
A. Volkmer, J.-X. Cheng, X.S. Xie, Vibrational imaging with high sensitivity via epidetected coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy. Phys. Rev. Lett. 87(2), 023901 (2001)
T. Hellerer, A.M.K. Enejder, A. Zumbusch, Spectral focusing: High spectral resolution spectroscopy with broad-bandwidth laser pulses. Appl. Phys. Lett. 85(1), 25–27 (2004)
J.-X. Cheng, X.S. Xie, Coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy: instrumentation, theory, and applications. J. Phys. Chem. B 108(3), 827–840 (2004)
R.A. Cole, A.D. Slepkov, Interplay of pulse bandwidth and spectral resolution in spectral-focusing CARS microscopy. J. Opt. Soc. Am. B 35(4), 842–850 (2018)
M. Mohseni, C. Polzer, T. Hellerer, Resolution of spectral focusing in coherent Raman imaging. Opt. Express 26(8), 10230–10241 (2018)
W. Langbein, I. Rocha-Mendoza, P. Borri, Coherent anti-Stokes Raman micro-spectroscopy using spectral focusing: theory and experiment. J. Raman Spectrosc. 40(7), 800–808 (2009)
J.G. Porquez et al., Spectrally-broad coherent anti-Stokes Raman scattering hyper-microscopy utilizing a Stokes supercontinuum pumped at 800 nm. Biomed. Opt. Express 7(10), 4335–4345 (2016)
I. Pope et al., Simultaneous hyperspectral differential-CARS, TPF and SHG microscopy with a single 5 fs Ti: Sa laser. Opt. Express 21(6), 7096–7106 (2013)
L. Brückner, T. Buckup, M. Motzkus, Enhancement of coherent anti-Stokes Raman signal via tailored probing in spectral focusing. Opt. Lett. 40(22), 5204–5207 (2015)
J.G. Porquez, R.A. Cole, A.D. Slepkov, Comparison of two photonic crystal fibers for supercontinuum-Stokes spectral-focusing-CARS hyperspectroscopy. OSA Continuum 1(4), 1385–1399 (2018)
A.F. Pegoraro et al., Optimally chirped multimodal CARS microscopy based on a single Ti:sapphire oscillator. Opt. Express 17(4), 2984–2996 (2009)
Y. Liu et al., Broadband nonlinear vibrational spectroscopy by shaping a coherent fiber supercontinuum. Opt. Express 21(7), 8269–8275 (2013)
J.M. Dudley, G. Genty, S. Coen, Supercontinuum generation in photonic crystal fiber. Rev. Mod. Phys. 78(4), 1135 (2006)
K.M. Hilligsøe et al., Supercontinuum generation in a photonic crystal fiber with two zero dispersion wavelengths. Opt. Express 12(6), 1045–1054 (2004)
H. Tu et al., Stain-free histopathology by programmable supercontinuum pulses. Nat. Photonics 10, 534 (2016)
J.G. Porquez et al., Brighter CARS hypermicroscopy via spectral surfing of a Stokes supercontinuum. Opt. Lett. 42(12), 2255–2258 (2017)
B. Li, P. Borri, W. Langbein, Dual/differential coherent anti-Stokes Raman scattering module for multiphoton microscopes with a femtosecond Ti:sapphire oscillator. J. Biomed. Opt. 18(6), 066004 (2013)
A.M. Heidt et al., Limits of coherent supercontinuum generation in normal dispersion fibers. J. Opt. Soc. Am. B 34(4), 764–775 (2017)
Y.J. Lee et al., Optimized continuum from a photonic crystal fiber for broadband time-resolved coherent anti-Stokes Raman scattering. Opt. Express 18(5), 4371–4379 (2010)
L.E. Hooper et al., Coherent supercontinuum generation in photonic crystal fiber with all-normal group velocity dispersion. Opt. Express 19(6), 4902–4907 (2011)
K.-C. Li et al., Simple approach to three-color two-photon microscopy by a fiber-optic wavelength convertor. Biomed. Opt. Express 7(11), 4803–4815 (2016)
A.F. Pegoraro et al., Single laser source for multimodal coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy. Appl. Opt. 49(25), F10–F17 (2010)
K. Chen et al., Quantitative chemical imaging with background-free multiplex coherent anti-Stokes Raman scattering by dual-soliton Stokes pulses. Biomed. Opt. Express 7(10), 3927–3939 (2016)
F. Poletti, P. Horak, Description of ultrashort pulse propagation in multimode optical fibers. J. Opt. Soc. Am. B 25(10), 1645–1654 (2008)
H. Tu et al., Nonlinear polarization dynamics in a weakly birefringent all-normal dispersion photonic crystal fiber: toward a practical coherent fiber supercontinuum laser. Opt. Express 20(2), 1113–1128 (2012)
T.A. Pologruto, B.L. Sabatini, K. Svoboda, ScanImage: flexible software for operating laser scanning microscopes. BioMed. Eng. OnLine 2, 13–13 (2003)
C. Finot et al., Beneficial impact of wave-breaking for coherent continuum formation in normally dispersive nonlinear fibers. J. Opt. Soc. Am. B 25(11), 1938–1948 (2008)
A. Ellis, U. Österberg, RotaryFROG: geometry for measuring amplitude and phase of weak broadband laser pulses. Opt. Lett. 34(4), 404–406 (2009)
P. O’Shea et al., Increased-bandwidth in ultrashort-pulse measurement using an angle-dithered nonlinear-optical crystal. Opt. Express 7(10), 342–349 (2000)
Schott North America, I. Optical Glass Data Sheets. 2014. https://www.schott.com/advanced_optics/us/abbe_datasheets/schott-datasheet-all-us.pdf. Accessed 2018
Y. Liu, Y.J. Lee, M.T. Cicerone, Broadband CARS spectral phase retrieval using a time-domain Kramers-Kronig transform. Opt. Lett. 34(9), 1363–1365 (2009)
Y.J. Lee et al., Quantitative Image analysis of broadband CARS hyperspectral images of polymer blends. Anal. Chem. 83(7), 2733–2739 (2011)
C.-S. Liao et al., Stimulated Raman spectroscopic imaging by microsecond delay-line tuning. Optica 3(12), 1377–1380 (2016)
T. Khan et al., Metabolic dysregulation and adipose tissue fibrosis: role of collagen VI. Mol. Cell. Biol. 29(6), 1575 (2009)
Y. Urasaki et al., Imaging Immune and metabolic cells of visceral adipose tissues with multimodal nonlinear optical microscopy. PLoS ONE 7(6), e38418 (2012)
S. Huang, A.A. Heikal, W.W. Webb, Two-photon fluorescence spectroscopy and microscopy of NAD(P)H and flavoprotein. Biophys. J. 82(5), 2811–2825 (2002)
Y. Liu et al., Suppressing short-term polarization noise and related spectral decoherence in all-normal dispersion fiber supercontinuum generation. J. Lightwave Technol. 33(9), 1814–1820 (2015)