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多光谱拉曼组织成像的关键是 Fidelity 激光器

挑战

在生物学研究和未来的临床应用(如术中活检)中,振动成像的最终目标是快速(即高达视频速率)获得包含足够光谱信息的 3D 图像,以实现详细的化学绘图。 这在生物研究中也很有用,并且在无标记成像的临床前应用中则意义重大。

自发拉曼显微技术是一种强大的无标记成像技术,但其特点是信号非常弱,限制了其速度和灵敏度。 受激拉曼散射 (SRS) 将信号放大了许多个数量级。 但是 SRS 通常只在一个或两个离散频率上工作,从而实现基本的绘图,例如区分富含蛋白质的区域和富含脂质的区域。 意大利米兰理工大学的 Giulio Cerullo 教授及其同事着手将 SRS 的应用范围大幅扩展到多个(开始为 32 个)波长通道。 为此,他们需要一个工作波长 1 微米的高速激光系统,因为水不会吸收这个波长的激光,而且通过多光子吸收对 DNA 造成光损伤的风险非常低。

解决方案

出于几个原因,他们决定围绕相干公司的 10W Fidelity 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,相干公司通过仔细测量,确认 Fidelity 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。)

结果

Cerullo 小组已成功证明,该系统可以对光谱拥挤样本进行详细的高空间分辨率绘图。 他们利用 32 个 SRS 波长通道的光谱拟合来区分异质性样品的化学组分,方法是在单个脂滴水平上测量培养肝细胞中两种不同脂肪酸的相对浓度。 他们还在纤维肉瘤的临床前小鼠模型中确定了肿瘤边缘。 他们最近还通过采用新型的大功率 (18 W) 相干公司 Fidelity 激光器升级该系统性能。

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“由于我们成像方法的光学和电学复杂性,Fidelity 的高可靠性和操作简单性是关键优势。 ”

— Giulio Cerullo,意大利米兰理工大学物理学教授

 

 

 

Stimulated Raman Scattering (SRS) Imaging

图 1: 基于多通道锁定探测的宽带 SRS 振动成像。 由 Cerullo 小组开发的光学装置的示意图。

Spectrally-Resolved Images

图 2: 小鼠肝细胞的光谱分辨图像映射出两种不同脂质种类的相对浓度。

            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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