太赫兹相干反斯托克斯拉曼散射.docx
太赫兹相干反斯托克斯拉曼散射(THz-CARS)显微镜太赫兹振动模式被认为存在于生物大分子中,对阐明其相应的生物功能具有重要的意义。然 而,在THz区域缺乏一种可靠的高分辨率振动成像方法,要观察这些生物大分子的低频振动 模式,尤其是在生物组织中,非常具有挑战。所以,振动光谱成像在生物医学研究中具有重 要的应用价值。然而,因目前尚未有方法同时具有足够的灵敏度和高空间分辨率,振动成像 在太赫兹区域(< 300cm 1)生物相关条件下目前是不可用的。Excitation Pulse After ULPFLow-Lying vioraiionai ivfoaes近日,来自以色列的研究人员研制了一种具有高灵敏度和高空间分辨率的太赫兹相干反斯托 克斯拉曼散射(THz -CARS)显微镜,该显微镜利用相应组分的低频聚焦模式对生物组织进行化 学选择性成像,填补了现有的THz区域的振动成像空白,可用于观察胶原蛋白和非胶原蛋白 等生物大分子,该方法在生物医学研究中可能会有更广泛的应用。GalvanometerPMT TTHz-CARS显微镜工作原理图采用钛-蓝宝石激光器(80MHz重复频率,20fs脉宽,<0.2 nJ/pulse), THZ-CARS信号、SHG 信号、FWM信号和TPEF信号分别由相应的PMT-C、PMT-S、PMT-F和PMT-T光电倍增管采 集。作为一种重要且丰富的结构蛋白,胶原蛋白广泛存在于许多生物组织中,如肌腱,皮肤,牙齿和骨骼。研究团队对胶原蛋白(collagen, C)和羟基磷灰石(Hydroxyapatite, HA)进行了 测量。notch ATMJrtmNotch jrf 730nmKoteh at 7H0.1nm-Notch st 7B0 JnmRaman Shift cm'1图(a)显示了在具有白光的偏光显微镜下骨性骨的概况;图(b)选择150p mX190p m 的感兴趣区域(ROI)来执行THZ-CARS测量;图(c)显示了两个不同像素的原始测量THz-CARS 光谱,图(d)显示了相应的THz-CARS分辨拉曼光谱。空间分辨率:1p m,比例尺:20p m。基于这些测量,研究团队证明了该技术能够区分骨骼中的胶原蛋白和HA。从图(e)可以看 出HA在薄片或间隙薄片周围的强烈反应,从图(f),可以观察到反映骨内胶原蛋白的亮点。 图(g)的FWM图像提供了用于理解骨结构的参考信息,胶原蛋白也可以在图(h)SHG图 像中识别出来。此外,可以基于THz-CARS图像识别细胞水平的骨结构,包括腔隙内的各种形状和大小的骨 细胞,腔隙周围的小管,骨内的薄片和两个骨之间的间质薄片。研究团队呈现的THz-CARS显微镜提供了生物组织的光谱,在低频区域具有前所未有的细节, 并且显示出对生物大分子(如胶原蛋白和HA)振动成像的强大能力。从技术角度来看,使 用更快的扫描电流计可以进一步加快成像速度,如使用更好的陷波滤波器可以将光谱分辨率 提高到远低于10 cm-1这些滤波器现在已经商业化。相信该研究将为体内结构和功能的振 动成像和太赫兹光谱学研究打开一扇新窗口。