Wetenschap
Nieuwe excitatiemethode van gestimuleerde Raman-verstrooiing bereikt spectraallijnen met natuurlijke lijnbreedtelimiet
Gestimuleerde Ramanverstrooiing (SRS) is de afgelopen jaren ontwikkeld als een essentieel kwantitatief contrast voor chemische beeldvorming. De spectrale resolutie van de reguliere SRS-modaliteiten is echter altijd lager dan die van het ultramoderne spontane Raman-systeem.
Dit probleem komt voort uit de excitatiestrategie:de meest gebruikte SRS-modaliteiten zijn allemaal opgewonden in het frequentiedomein. Ze moeten een compromis sluiten tussen de detectiegevoeligheid en de spectrale resolutie:omdat het niet-lineaire proces profiteert van gepulseerde excitaties, beperkt de fundamentele tijd-energie-onzekerheid de spectrale resolutie.
In een nieuw artikel gepubliceerd in Light:Science &Applications rapporteerde een team onder leiding van Dr. Hanqing Xiong van het National Biomedical Imaging Center, College of Future Technology aan de Universiteit van Peking (Beijing, China) een nieuwe methode met de naam transiënt gestimuleerde Raman-verstrooiing (TSRS).
Het team manipuleerde de interferentie van trillingsgolfpakketten in het tijdsdomein door breedbandige femtoseconde laserpulstreinen en bereikte uiteindelijk Raman-spectra met natuurlijke lijnbreedtelimiet bij een gevoeligheid van minder dan mM op een Fourier-spectroscopische manier. Bovendien is hyperspectrale TSRS-beeldvorming van levende Hela-cellen uitgebreid uitgevoerd in het Raman-vingerafdrukgebied, het celstiltegebied en het populaire C-H-uitrekgebied.
Om het voordeel van de spectrale resolutie met natuurlijke lijnbreedtelimiet aan te tonen, heeft het team ook voorlopig een reeks Raman-sondes met hoge dichtheid geconstrueerd met Raman-modusintervallen tot 12 cm -1 en demonstreerde verder de bijbehorende barcodeafbeelding. Het artikel werd gepubliceerd onder de titel "Transient Stimulated Raman Scattering Spectroscopy and Imaging."
-
Labelvrije beeldvorming van (a) eiwitten en (b) lipiden van levende cellen. Deze twee kanalen worden niet gemengd met de algemene hyperspectrale gegevens met de standaard lineaire decompositiemethode. (c) Typische T-SRS-spectra van eiwitten (regio 1 in (a), rode curve) en lipiden (regio 2 in (b), groene curve). (d) Typische T-SRS-beeldvorming van normale Hela-cellen en (e) 50 µM arachidonzuur (AA) gekweekte Hela-cellen in de [1570 cm -1 , 1700 cm -1 ] bereik. (f) toont de spectra van de gemarkeerde gebieden in respectievelijk (d) en (e). De rood gestippelde curve is het Raman-spectrum in C=C-strekmodus van puur AA. (g) Eiwitkanaalreferentie en (h) De CD-strekband van met d31-palmitinezuur gelabelde cellen. (i) T-SRS-spectrum van de gemarkeerde structuur in (h). Schaalbalk:10 μm voor (a), (b), (d) en (e); 5 μm voor (g) en (h). Credits:Qiaozhi Yu, Zhengjian Yao, Jiaqi Zhou, Wenhao Yu, Chenjie Zhuang, Yafeng Qi &Hanqing Xiong -
(a) Zeven probes met kleine moleculen en hun overeenkomstige T-SRS-spectra in de drievoudige bindingsband. Het bovenste paneel toont het gescheiden spectrum van elke sonde, het onderste paneel toont het totale spectrum van de oplossing met zeven gemengde sondes. (b) Signaal van de gecodeerde PMMA-kralen in elk sondekanaal. (c) Spectra van typische gecodeerde PMMA-kralen in de drievoudige bindingsband gelabeld in (b). Schaalbalk in (b):10 μm. Credits:Qiaozhi Yu, Zhengjian Yao, Jiaqi Zhou, Wenhao Yu, Chenjie Zhuang, Yafeng Qi &Hanqing Xiong
SRS-technieken in het tijddomein kunnen hun oorsprong vinden in de jaren tachtig, wat eigenlijk niet nieuw is. Eerdere tijddomein-SRS-technieken kunnen echter geen gevoeligheid bieden die vergelijkbaar is met de veelgebruikte frequentiedomeinmethoden. Vanuit het standpunt van de auteurs is het verschil tussen de TSRS-techniek en andere bestaande SRS-methoden in het tijddomein het gebruik van gestimuleerd Raman-verlies (SRL) als signaal.
SRL heeft een lineair verband met de moleculaire concentratie en de Raman-dwarsdoorsnede, en kan worden gedetecteerd met behulp van de klassieke heterodyne-detectiemethode om dezelfde shot-noise-beperkte gevoeligheid te bereiken als de frequentiedomeinmethoden. Om een SRL-signaal in het tijddomein te construeren, hebben de auteurs de populaire pomp-sonde-excitatiestrategie verlaten.
In plaats daarvan genereerden ze trillingsgolfpakketinterferentie door twee opeenvolgende identieke impulsieve excitaties met gecontroleerde tijdsvertraging. De interferentie induceert modulaties op het SRL-signaal. Een Fourier-transformatie van het gemoduleerde SRL-signaalspoor maakt spectraallijnen met natuurlijke lijnbreedtelimiet mogelijk.
"Het spectrale bereik van T-SRS-beeldvorming wordt alleen bepaald door de laserpulsbandbreedtes. De bandbreedtes van onze excitatielaserpulsen kunnen slechts een spectraal bereik van ~124 cm -1 ondersteunen . We bouwen een lasersysteem met veel kortere pulsen voor TSRS, dat SRS-spectra met een volledig bereik kan opleveren, vergelijkbaar met het ultramoderne spontane Raman-systeem", aldus Dr. Xiong.