장비와 컴퓨터의 융합을 통해 응집성 라만 현미경 검사법 확장 가능

2023년 3월 20일

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사실 확인된

교정하다

by Light Publishing Center, 장춘 광학 연구소, 정밀 기계 및 물리학, CAS

라만 산란은 광자와 분자 사이에 에너지를 교환하여 분자 진동에 대한 정보를 전달하는 비탄성 산란 과정입니다. 라만 미세 분광법은 주로 라벨이 없고 배경이 없는 두 가지 "자유" 기능으로 인해 생물학 및 의료 수술에서 없어서는 안 될 분석 도구가 되었습니다.

이러한 이점을 통해 우리는 내인성 교란 없이 살아있는 샘플을 연구할 수 있습니다. 또한, 라만 피크는 형광 염료의 방출 스펙트럼에 비해 스펙트럼 대역폭이 훨씬 좁기 때문에 동일한 환경에서 다양한 대사종을 동시에 연구할 수 있습니다.

eLight에 발표된 새로운 논문에서 Haonan Lin 박사와 Boston University의 Ji-Xin Cheng 교수는 간섭성 라만 산란(CRS)에 대한 계측 및 계산 접근 방식의 조합을 검토했습니다.

상당한 장점에도 불구하고 라만 산란의 근본적인 단점 중 하나는 단면적이 매우 제한적이라는 것입니다. 일반적인 라만 단면적은 분자당 10~30cm2이므로 초점당 신호 통합 시간이 몇 초에서 몇 분까지 매우 깁니다. 이러한 제한된 속도로 인해 동적 시스템의 픽셀별 이미징을 수행하는 것은 비실용적입니다. 라만 신호를 일관되게 향상시키고 기본적인 단면적 한계를 깨기 위해 비선형 광학 프로세스가 도입되었습니다.

두 개의 동기화된 초고속 레이저를 사용하면 응집성 반스토크스 라만 산란(CARS) 및 자극 라만 산란(SRS)에서 응집성 라만 신호가 발생했습니다. CRS에서는 두 개의 레이저 필드가 대상 분자와 동시에 상호 작용합니다. 박동 주파수가 라만 진동 모드와 일치하면 일관되게 증폭된 에너지 전달 과정이 발생합니다. 이는 펌프 광자를 소멸시키고 이를 스톡스 빔으로 변환하여 새로운 주파수의 광자를 생성합니다.

CRS는 생물학적 샘플의 고유 라만 피크를 기반으로 하는 고속 화학 이미징을 가능하게 했습니다. 그러나 생물학적 시료는 특히 강력하지만 붐비는 탄소-수소(CH) 영역에서 종종 스펙트럼이 겹치는 다양한 대사산물로 구성된 정교한 마이크로시스템입니다.

이는 협대역 단색 CRS를 사용하여 세포 및 조직 내 화학물질의 정량 및 식별을 방해합니다. 지난 몇 년 동안 각 픽셀에서 라만 스펙트럼을 생성하는 초분광 CRS를 개발하기 위해 많은 노력이 이루어졌습니다.

초분광 이미지는 복잡한 환경에서 화학적 조성과 풍부도에 대한 정보를 해독할 수 있는 가능성을 제공합니다. 그러나 원본 이미지의 차원이 높기 때문에 이러한 정보를 쉽게 사용할 수 없습니다. 주요 순수 성분을 식별하고 농도 맵을 분해하려면 알고리즘이 필요합니다.

초분광 CRS의 계측 개발과 병행하여 다양한 초분광 이미지 혼합 방법이 보고되었습니다. 순수 구성 요소의 구성에 대한 사전 정보가 제공되는지 여부에 따라 이를 감독 방법 또는 비지도 방법으로 분류합니다.

계측 혁신을 통해 CRS 이미징은 최대 2kHz 프레임 속도의 속도, 최대 3500cm-1의 스펙트럼 범위, 스펙트럼당 최대 5μs의 스펙트럼 획득 속도로 향상되었습니다. 그러나 이러한 조건은 CRS의 감도 한계에 의해 결정되는 물리적 한계로 인해 동시에 구현될 수 없습니다.

예를 들어 속도를 더 높이면 설정의 신호 대 잡음비(SNR)가 저하되어 생체 의학 응용 분야에 적용할 수 없게 됩니다. 광손상의 제약 하에서 이러한 트레이드오프는 디자인 공간으로 전달될 수 있습니다. 속도, 스펙트럼 대역폭 및 SNR을 나타내는 세 개의 축이 교차하는 초평면입니다. 계측 최적화를 통해 시스템은 초평면에서 최적의 상태 지점에 도달할 수 있지만 이를 넘어서는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다.