长三角G60激光联盟导读
这是一项来自意大利米兰理工大学的研究成果。
B-CARS实验装置方案。HWP：半波片；PBS：偏振分束器；LP：长通滤波器；SP：短通滤波器。泵浦（红色）和斯托克斯（彩虹）光谱。数据处理流程示意图：（i）神经网络，（ii）NRB去除和（iii）获得假彩色图像的分类方法。来源：Federico Vernuccio et al, Optics Express (2022). DOI: 10.1364/OE.463032
近期，来自意大利米兰理工大学的研究团队昕开发了一种方法，他们发现，他们的研究可以为临床使用提供一种无创、无标签和用户友好的设备。这种创新的显微镜，加上基于深度学习的算法，可以通过可视化人体组织和细胞的化学成分，使诊断癌症变得更容易、更快。
他们的研究发表在《光学快报》杂志上。在文中，他们的新技术被描述，该技术基于相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）显微镜。CARS显微镜利用超短激光脉冲与生物样品之间的相互作用，根据分子的振动特征生成图像。
新方法提供了对振动光谱中难以检测的区域的访问，该区域称为指纹区域，跨度从400到1800cm−1。虽然许多单独的化合物可以使用其在该区域的振动指纹来识别，但它往往会产生难以检测的微弱信号。
Polli说：“生物医学科学中常用的技术通常需要染色，这不仅麻烦，而且还可能导致结构和化学变化，从而导致成像和数据处理中的伪影或错误。由于我们的系统可以在没有标记的情况下区分生物组织中的许多不同化学物质，因此它可以用于活细胞成像和组织活检分析。”
更低的重复率，更快的成像
这项新工作是CRIMSON项目的一部分，该项目旨在开发一种交钥匙成像设备，该设备使用振动光谱技术进行快速细胞和组织分类。该项目的目标是改变对疾病细胞起源的研究，以使新的方法能够推进个性化治疗。
宽带CARS图像为10µm PS和8µm PMMA微珠浸泡在DMSO中，夹在两个170µm玻璃盖玻片之间。
作为实现这一目标的关键一步，研究人员开发了一种基于商用激光器的CARS显微镜，该显微镜在近红外波长范围内产生持续时间约为270飞秒的超短脉冲。他们将显微镜系统设计为使用重复频率为2MHz的激光脉冲，这远低于大多数其他CARS系统使用的40或80MHz。
这种较低的重复率减少了样品的光热损伤，因为它在两个连续脉冲之间产生了0.5微秒的延迟。它还在焦点处产生更高的脉冲能量和峰值强度，从而产生更强的CARS信号并允许更快的采集速度。
米兰理工大学的博士生、该研究的**作者Federico Vernuccio说：“低重复率很重要的优点是，它允许我们通过在大块晶体中产生白光超连续谱来产生覆盖整个指纹振动区域的宽带红移斯托克斯脉冲。与其他方法相比，这种方法在技术上更简单、更紧凑、更稳健。”
使用与标准设置相比红移的光谱区域意味着在光损伤开始之前可以使用更高的激光强度。研究人员还开发了将标准数值计算方法与人工智能相结合的新算法。这些算法从获取的数据中检索更多信息，并将其转化为图像，从而可以轻松区分不同的化学物种。
“由于我们的改进，CARS系统以很先进的采集速度提供了高质量的图像，”Vernuccio说。“我们的系统在不影响样本完整性的情况下，像素驻留时间小于1毫秒。此速度受光谱仪刷新率的限制。”
夹在两个170µm石英盖玻片之间的6µm厚小鼠脊柱的显微镜观察。
高速灵敏度
为了测试他们的系统，研究人员使用参考样品将新显微镜检索到的光谱与使用很先进但速度较慢的振动光谱技术获取的光谱进行比较。这两种方法显示出极好的一致性，表明新系统可以以非常高的速度传输光谱，具有良好的光谱分辨率和化学特异性。
然后，研究人员通过获取一组不同浓度的二甲基亚砜溶液的CARS光谱，确定了他们系统的检测极限。该系统能够以14.1mmol/升的****的灵敏度测量化学浓度，大约是在指纹区域工作的其他CARS系统的灵敏度的两倍。
他们还展示了该系统基于其振动特征识别和空间定位各种透明微米尺寸塑料珠的能力，并从生物组织中进行了测量，以证明该技术在生物样品上有效，不会造成损伤。
Polli说：“我们的CARS显微镜允许以更高的速度进行无标记的化学特异性成像，从而使活细胞的拉曼成像更为可行。例如，这可以让我们的系统用于分析癌细胞与免疫细胞的相互作用，或描述化疗对细胞的影响。”
（a）B-CARS原始单点光谱（蓝色实线）在六种溶剂（如图所示）上以0.8毫秒的曝光时间测量，夹在两个170µm玻璃盖玻片之间。红色实线是非线性磁化率的相应虚部，通过深度学习和Kramers-Kronig算法应用去噪后检索。还绘制了SR光谱（灰色区域）以进行比较。（b）用于实验的样本配置方案。（c） DMSO和纯水二元溶液的稀释试验。我们考虑了在667处DMSO主峰的三阶共振磁化率的恢复虚部 厘米−1.插图显示了低浓度二元溶液的放大图。估计灵敏度：14.1 mmol/L的DMSO在纯水中。误差条：1个标准偏差。
研究人员现在正致力于通过产生白光超连续谱来改善他们的系统，创造出更宽波长范围的斯托克斯脉冲。这将提高成像速度和可检测化学分析物的数量。他们还通过开发用户友好的软件、紧凑的光源以及商业原型和检测系统的设计，努力实现商业化。
来源：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
原文章链接：https://it.sohu.com/a/579221323_100034932
文章来源：搜狐网
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