長三角G60激光聯盟導讀

這是一項來自意大利米蘭理工大學的研究成果。

B-CARS實驗裝置方案。HWP：半波片；PBS：偏振分束器；LP：長通濾波器；SP：短通濾波器。泵浦（紅色）和斯托克斯（彩虹）光譜。數據處理流程示意圖：（i）神經網絡，（ii）NRB去除和（iii）獲得假彩色圖像的分類方法。來源：Federico Vernuccio et al, Optics Express (2022). DOI: 10.1364/OE.463032

近期，來自意大利米蘭理工大學的研究團隊昕開發了一種方法，他們發現，他們的研究可以為臨床使用提供一種無創、無標簽和用戶友好的設備。這種創新的顯微鏡，加上基于深度學習的算法，可以通過可視化人體組織和細胞的化學成分，使診斷癌癥變得更容易、更快。

他們的研究發表在《光學快報》雜志上。在文中，他們的新技術被描述，該技術基于相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）顯微鏡。CARS顯微鏡利用超短激光脈沖與生物樣品之間的相互作用，根據分子的振動特征生成圖像。

新方法提供了對振動光譜中難以檢測的區域的訪問，該區域稱為指紋區域，跨度從400到1800cm?1。雖然許多單獨的化合物可以使用其在該區域的振動指紋來識別，但它往往會產生難以檢測的微弱信號。

Polli說：“生物醫學科學中常用的技術通常需要染色，這不僅麻煩，而且還可能導致結構和化學變化，從而導致成像和數據處理中的偽影或錯誤。由于我們的系統可以在沒有標記的情況下區分生物組織中的許多不同化學物質，因此它可以用于活細胞成像和組織活檢分析。”

更低的重復率，更快的成像

這項新工作是CRIMSON項目的一部分，該項目旨在開發一種交鑰匙成像設備，該設備使用振動光譜技術進行快速細胞和組織分類。該項目的目標是改變對疾病細胞起源的研究，以使新的方法能夠推進個性化治療。

寬帶CARS圖像為10μm PS和8μm PMMA微珠浸泡在DMSO中，夾在兩個170μm玻璃蓋玻片之間。

作為實現這一目標的關鍵一步，研究人員開發了一種基于商用激光器的CARS顯微鏡，該顯微鏡在近紅外波長范圍內產生持續時間約為270飛秒的超短脈沖。他們將顯微鏡系統設計為使用重復頻率為2MHz的激光脈沖，這遠低于大多數其他CARS系統使用的40或80MHz。

這種較低的重復率減少了樣品的光熱損傷，因為它在兩個連續脈沖之間產生了0.5微秒的延遲。它還在焦點處產生更高的脈沖能量和峰值強度，從而產生更強的CARS信號并允許更快的采集速度。

米蘭理工大學的博士生、該研究的**作者Federico Vernuccio說：“低重復率很重要的優點是，它允許我們通過在大塊晶體中產生白光超連續譜來產生覆蓋整個指紋振動區域的寬帶紅移斯托克斯脈沖。與其他方法相比，這種方法在技術上更簡單、更緊湊、更穩健?！?/span>

使用與標準設置相比紅移的光譜區域意味著在光損傷開始之前可以使用更高的激光強度。研究人員還開發了將標準數值計算方法與人工智能相結合的新算法。這些算法從獲取的數據中檢索更多信息，并將其轉化為圖像，從而可以輕松區分不同的化學物種。

“由于我們的改進，CARS系統以很先進的采集速度提供了高質量的圖像，”Vernuccio說。“我們的系統在不影響樣本完整性的情況下，像素駐留時間小于1毫秒。此速度受光譜儀刷新率的限制?！?/span>

夾在兩個170μm石英蓋玻片之間的6μm厚小鼠脊柱的顯微鏡觀察。

高速靈敏度

為了測試他們的系統，研究人員使用參考樣品將新顯微鏡檢索到的光譜與使用很先進但速度較慢的振動光譜技術獲取的光譜進行比較。這兩種方法顯示出極好的一致性，表明新系統可以以非常高的速度傳輸光譜，具有良好的光譜分辨率和化學特異性。

然后，研究人員通過獲取一組不同濃度的二甲基亞砜溶液的CARS光譜，確定了他們系統的檢測極限。該系統能夠以14.1mmol/升的****的靈敏度測量化學濃度，大約是在指紋區域工作的其他CARS系統的靈敏度的兩倍。

他們還展示了該系統基于其振動特征識別和空間定位各種透明微米尺寸塑料珠的能力，并從生物組織中進行了測量，以證明該技術在生物樣品上有效，不會造成損傷。

Polli說：“我們的CARS顯微鏡允許以更高的速度進行無標記的化學特異性成像，從而使活細胞的拉曼成像更為可行。例如，這可以讓我們的系統用于分析癌細胞與免疫細胞的相互作用，或描述化療對細胞的影響。”

（a）B-CARS原始單點光譜（藍色實線）在六種溶劑（如圖所示）上以0.8毫秒的曝光時間測量，夾在兩個170μm玻璃蓋玻片之間。紅色實線是非線性磁化率的相應虛部，通過深度學習和Kramers-Kronig算法應用去噪后檢索。還繪制了SR光譜（灰色區域）以進行比較。（b）用于實驗的樣本配置方案。（c） DMSO和純水二元溶液的稀釋試驗。我們考慮了在667處DMSO主峰的三階共振磁化率的恢復虛部?厘米?1.插圖顯示了低濃度二元溶液的放大圖。估計靈敏度：14.1?mmol/L的DMSO在純水中。誤差條：1個標準偏差。

研究人員現在正致力于通過產生白光超連續譜來改善他們的系統，創造出更寬波長范圍的斯托克斯脈沖。這將提高成像速度和可檢測化學分析物的數量。他們還通過開發用戶友好的軟件、緊湊的光源以及商業原型和檢測系統的設計，努力實現商業化。

來源：Fingerprint multiplex CARS at high speed based on supercontinuum generation in bulk media and deep learning spectral denoising, Optics Express (2022). DOI: 10.1364/OE.463032

原文章鏈接：https://it.sohu.com/a/579221323_100034932

文章來源：搜狐網

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