超高感度誘導ラマン顕微鏡技術の開発

超灵敏受激拉曼显微镜技术的发展

基本信息

批准号：
21J11008
负责人：
小池康太
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

今年度は、2 psレーザーシステムを用いた強度変調型SRS顕微鏡の光学系の構築および性能の評価・最適化を行った。2 psを14 psまで伸長するために必要な分散を計算した。透過型回折格子とレトロリフレクターを用いたチャーパー光学系を、強度変調型SRS顕微鏡に組み込んだ。オートコリレータを用いて14 ps程度まで伸長されたことを確かめた。ダイアモンド粒子を用いて波数分解能を評価し、14 ps励起で2 cm-1の実験値を得た。ポリスチレンビーズを試料として、SRS像の信号対雑音比(SNR)や信号対背景信号比(SBR)のパルス幅依存性を調べた。同じSNRにおいて各パルス幅のSBRを比較すると、14 ps励起は2 ps励起よりも2倍程度高い値だった。スペクトル分解能の向上により、ラマンピーク中心を効率的に励起すると同時に、背景信号を抑制できたためだと考えられる。この効果を理論的に検証するために、ローレンツ関数のラマンスペクトルとガウシアン関数の励起スペクトルを畳み込んでSRSスペクトルを取得し、SBRを計算した。この数理モデルからも、パルス幅を大きくすることで、1.2～2.6倍程度SBRが向上することが示唆された。次に、細胞内に導入した低分子化合物(EdU)を異なるパルス幅でSRSイメージングし、14 ps励起において、2倍程度高いSBRで高感度に検出することができた。また、14 ps励起は2ps励起よりも低いピーク強度でのSRSイメージングが可能なため、生きた細胞への光ダメージを抑制できるのではないかと考えた。生きた細胞のタイムラプス観察を行ったところ、2 ps励起は観察途中で細胞に深刻な非線形光ダメージが生じたが、14 ps励起では比較的ダメージが少なくより高いSNRを保てることがわかった。

今年，我们使用 2 ps 激光系统构建了强度调制 SRS 显微镜的光学系统，并评估和优化了其性能。我们计算了将 2 ps 扩展到 14 ps 所需的色散。使用透射衍射光栅和后向反射器的啁啾光学系统被集成到强度调制SRS显微镜中。我们确认使用自相关器将其扩展到约 14 ps。使用金刚石颗粒评估波数分辨率，在14 ps激发下获得2 cm-1的实验值。使用聚苯乙烯珠作为样本，我们研究了 SRS 图像的信噪比 (SNR) 和信号与背景信号比 (SBR) 的脉冲宽度依赖性。比较相同 SNR 下每个脉冲宽度的 SBR，14 ps 激励大约是 2 ps 激励的两倍。这被认为是由于光谱分辨率的提高，从而能够有效激发拉曼峰中心，同时抑制背景信号。为了从理论上验证这种效果，我们通过将洛伦兹函数的拉曼光谱与高斯函数的激发光谱进行卷积得到了SRS光谱，并计算了SBR。该数学模型还表明，增加脉冲宽度可以将 SBR 提高约 1.2 至 2.6 倍。接下来，我们使用不同的脉冲宽度对引入细胞中的小分子化合物 (EdU) 进行 SRS 成像，在 14 ps 激发下，我们能够以高灵敏度和大约两倍高的 SBR 来检测它。此外，由于 14 ps 激发允许在比 2ps 激发更低的峰值强度下进行 SRS 成像，因此我们认为有可能抑制对活细胞的光学损伤。在对活细胞进行延时观察时，我们发现2 ps激发在观察过程中对细胞造成了严重的非线性光学损伤，但14 ps激发造成的损伤相对较小，并保持了较高的SNR。