다중 스펙트럼 라만에 대한 Coherent 초고속 레이저 키 조직 이미징

과제

생물학적 연구와 수술 중 생체 검사와 같은 미래 임상 응용 분야 모두에서 진동 이미징의 궁극적인 목표는 상세한 화학적 매핑을 위해 충분한 스펙트럼 정보를 사용해서 최대 비디오 레이트까지 빠른 3D 이미지를 수행하는 것입니다. 또한 이는 생물학적 연구에 유용하고 이미징에 라벨 없는 전임상 응용 분야에서 중요합니다.

자발적 라만 현미경은 라벨 없는 이미징을 위한 강력한 기법이지만 신호가 매우 약해서 속도와 감도가 제한적인 것이 특징입니다. SRS(자극된 라만 산란)는 이러한 신호를 여러 차수로 증폭시킵니다. 하지만 SRS는 일반적으로 1개 또는 2개의 이산 주파수에서만 수행되어 기본 매핑 즉, 단백질 또는 지방질이 많은 영역의 구별을 가능하게 해줍니다. 이탈리아 밀라노 공과 대학의 Giulio Cerullo 교수와 동료들은 SRS를 다중(처음에 32) 파장 채널로 크게 확장하기 시작했습니다. 이를 위해 물이 흡수되지 않고 다중 광자 흡수를 통한 DNA 광손상 위험이 극히 낮은 1미크론 파장의 고속 레이저 시스템이 필요했습니다.

솔루션

Giulio Cerullo 교수 팀은 몇 가지 이유로 10와트 Coherent 초고속 레이저에 SRS 여기 레이저 시스템을 구축하기로 결정했습니다. 우선, 출력은 조직 이미징을 위해 필요한 범위인 1040nm입니다. 빔은 SRS 펌프 빔으로 일부 사용되고 광역 SRS 스토크스 빔을 생성하는 자체 제작된 OPO(광 파라메트릭 발진기)를 구동하는 데에도 일부 사용되기 때문에 고출력이 중요합니다. 또한 SRS는 3차 광학 효과이므로 전력 소모가 매우 높습니다. 그리고 픽셀당 50µs 미만의 짧은 드웰 시간과 빠른 변조로 고속 스캔을 지원하기 때문에 레이저의 높은(80MHz) 반복 속도도 중요합니다. 빠른 변조는 감지 측면의 핵심입니다. 그래서 이 팀은 고유한 32 채널 락인 증폭기 칩과 함께 포토다이오드 어레이를 사용합니다. 이것은 펌프 빔의 고속(2MHz) 변조에 동기화됩니다. (Coherent는 계획 단계에서 초고속 레이저 잡음이 이 주파수에서 특히 낮음을 면밀하게 측정하고 확인함으로써 높은 신호 대 잡음비를 가능하게 하고 결과적으로 더 빠르게 스캔할 수 있도록 지원했습니다.)

결과

Cerullo 교수 팀은 이 시스템이 스펙트럼적으로 혼잡한 샘플의 상세하고 높은 공간 해상도 매핑을 수행할 수 있음을 성공적으로 보여주었습니다. 그리고 32 SRS 파장 채널의 스펙트럼 피팅을 사용하여 단일 지질 액적 수준의 배양 간세포에서 서로 다른 두 지방산의 상대 농도를 측정함으로써 이질적 샘플의 화학적 성분을 구별했습니다. 또한 섬유육종의 전임상 생쥐 모델에서 종양 가장자리를 발견했습니다. 최근에는 최신 고출력(18W) Coherent 초고속 레이저로 교체하여 시스템 성능을 업그레이드했습니다.