Gündem

Sıkıştırılmış ışık, mikroskopi tekniğinin hassasiyetini artırır

0

Floresan mikroskopisine çok benzeyen, uyarılmış Raman saçılması (SRS) kazanç mikroskobu, biyolojik dokuların yüksek çözünürlüklü haritalarını oluşturabilen bir optik görüntüleme yöntemidir.1. SRS görüntülerindeki kontrast, numune moleküllerinin karakteristik titreşimlerinden kaynaklanır ve bu, numuneleri floresan boyalarla etiketlemeye gerek kalmadan doku görüntülemeyi mümkün kılar. SRS, biyomedikal bir görüntüleme aracı olarak zemin kazanıyor, ancak tespit edebileceği minimum moleküler konsantrasyonlar, floresan mikroskobu kullanılarak tespit edilebilenlerden daha yüksek, dolayısıyla kapsamını sınırlandırıyor. Bu tekniğin algılama hassasiyetini temelden iyileştirmenin yollarını bulmak zor olmuştur. yazmak Doğa, Casacio ve diğerleri2 SRS sinyalindeki gürültünün kuantumla geliştirilmiş bastırılması yoluyla duyarlılığı artırmaya yönelik bir yaklaşımı tanımlar.

SRS, iki foton içeren Raman etkisi adı verilen bir olguya dayanır: biri pompa fotonu (frekanslı) olarak bilinir. ω1), bir molekül ile etkileşime giren; ve bir diğeri Stokes fotonu (daha düşük frekanslı, ω2), pompa fotonu ile etkileşimine yanıt olarak molekül tarafından yayılır. frekans farkı (ω1  ω2) molekülün belirli bir titreşim modunun frekansına karşılık gelir. Stokes fotonlarının dalga boyunun ölçümleri bu nedenle molekülü titreşim davranışı temelinde tanımlamak için kullanılabilir. Bununla birlikte, Raman etkisi tarafından üretilen sinyal zayıftır ve uzun bir entegrasyon süresine (bir sinyal toplamak için gereken süre) neden olur ve bu da onun doku görüntüleme için kullanılmasını engeller.

SRS, Raman sinyalinin zayıflığının üstesinden akıllıca gelir. Yukarıda açıklanan ve bir lazer ışını kullanan doğrusal Raman etkisinin aksine, SRS, numuneyi iki lazer ışığı alanıyla aydınlatmayı içerir: frekanslı bir pompa alanı ω1 ve frekanslı bir Stokes alanı ω2. SRS’de örnek, doğrusal etkiden daha güçlü bir sinyal alanı üretir. Ayrıca, sinyal alanı Stokes alanı ile aynı fazda üretildiğinden, numuneden gelen sinyali büyük ölçüde artıran yapıcı girişim meydana gelir (Şekil 1). Amplifiye edilmiş sinyal bu nedenle lineer etki tarafından üretilen zayıf moleküler sinyalden çok daha güçlüdür.

Şekil 1

Şekil 1 | Sıkıştırılmış ışık, uyarılmış Raman saçılması (SRS) kazanç mikroskobundaki gürültüyü azaltır. bir, SRS kazanç mikroskobunda, bir numune, moleküllerin titreşmesine ve ikinci bir frekansta (Stokes frekansı) ışık yaymasına neden olan ve böylece zayıf bir optik sinyal sağlayan bir frekansta (pompa frekansı; gösterilmemiştir) lazer ışığıyla ışınlanır. Numune ayrıca Stokes frekansında yoğun lazer ışığı ile ışınlanır ve molekülden emisyonu artırır. İki Stokes alanı – yayılan sinyal ve çok daha güçlü lazer ışığı – dedektörde yapıcı olarak müdahale eder. b, Bu parazit sinyali yükseltir, ancak temel bir sınır (çekim-gürültü sınırı) normalde arka plan gürültüsünün bastırılma derecesini sınırlar. Bu nedenle bazı sinyaller gürültüde kaybolabilir. c, Casacio ve diğerleri2 Stokes lazer ışını içindeki fotonlar “sıkıştırılmış” bir kuantum durumunda olduğunda, arka plan gürültüsünün atış gürültüsü sınırının altına düşürülebileceğini bildiriniz. SRS sinyalinin sinyal-gürültü oranı bu nedenle artar.

Gelişmiş Raman sinyali, hızlı görüntüleme sağlar: bazı durumlarda, SRS görüntüleme, lineer Raman mikroskobu kullanılarak elde edilenden bir milyon kata kadar daha hızlı olabilir3. Bununla birlikte, SRS sinyal tespiti lineer etkiden daha karmaşıktır, çünkü geliştirilmiş sinyalin Stokes lazer alanının yükselen arka planından ayırt edilmesi gerekir. SRS sinyalinin lazer arka planına oranı tipik olarak 10 mertebesindedir.–5–10–6, istenen sinyali almak için özel amplifikasyon teknikleri gerektirir.

Arka plan lazer yoğunluğundaki herhangi bir dalgalanma, SRS katkısını tespit etmeyi daha da zorlaştırır4. Dedektörden gelen elektronik gürültü gibi diğer tüm gürültü kaynakları bastırıldığında bile, lazer arka planındaki rastgele dalgalanmalar algılama hassasiyetine hala bir sınır getirir. Bu dalgalanmalara atış gürültüsü denir ve lazer ışınının ayrı ışık birimlerinden (fotonlar) oluşması gerçeğinden kaynaklanır. Atış gürültüsü, SRS sinyallerindeki gürültü miktarına gürültü tabanı olarak bilinen daha düşük bir sınır getirir. Modern SRS mikroskopisinin başarısı, lazer gürültüsünü bu sınıra kadar azaltma yeteneğine dayanmaktadır. Bununla birlikte, zayıf sinyaller gürültü tabanının altında gömülü kalır, bu da SRS mikroskobunun hassasiyetini sınırlar ve litre başına 1 milimolün altındaki konsantrasyonlarda moleküler hedefleri tespit etmeyi zorlaştırır.

Prensipte, SRS sinyal-gürültü oranı, lazer ışınlarındaki fotonların sayısı artırılarak geliştirilebilir. Ancak biyolojik örneklerin zarar görmeden tolere edebileceği aydınlatma dozunun bir sınırı vardır.5,6. SRS görüntüleme çalışmaları genellikle hasar eşiğinin hemen altındaki lazer yoğunluklarında çalışır ve iyileştirme için çok az pay bırakır. Ve gürültü tabanına göre SRS sinyal gücünü artıran basit önlemler, başka komplikasyonları ortaya çıkarmadan elde etmek zordur.

Casacio ve diğerleri SRS hassasiyetini kökten farklı bir şekilde iyileştirin. Sinyali yükseltmek yerine, arka plan gürültüsünü azaltarak, daha küçük SRS sinyallerinin, düşük gelgitte bir kumsalda maruz kalan kayalar gibi, gürültü tabanının üzerinde zirveye çıkmasına izin verirler. Bu fikri gerçekleştirmek için, uygulanan ışık demetini oluşturan fotonlar arasında kuantum korelasyonlar olduğunda gerçekleştirilebilecek olan atış gürültüsü tarafından belirlenen algılama sınırının üstesinden gelinmesi gerekir.7,8. Bu tür ‘klasik olmayan’ ışığın kullanımı, yerçekimi dalgalarını tespit etmek için kullanılanlar gibi interferometri deneylerinde atış gürültüsünü azaltmada özellikle başarılı olmuştur.9. SRS işlemi aynı zamanda iki ışık alanı arasındaki girişime de bağlıdır, bu da klasik olmayan ışığın kullanımının SRS görüntülemeye iyi bir şekilde çevrilmesi gerektiğini düşündürür.

Yazarlar, ‘sıkılmış genlik durumunda’ hazırlanmış bir lazer ışını kullandılar. Bu kuantum durumunda, Stokes fotonları artık tamamen bağımsız değildir – bu, ışındaki foton sayısındaki dalgalanmaların artık klasik lazer ışınlarında gözlemlenen istatistiksel dağılımı takip etmediği anlamına gelir. Gürültü tabanını atış-gürültü sınırının altına düşüren araştırmacılar, SRS görüntülemenin sinyal-gürültü oranında %35’lik bir iyileşme elde etti ve tespit edilebilecek minimum moleküler konsantrasyonu %14 oranında aşağı çekti. Bu iyileştirme, lazer ışınlarının yoğunluğunu arttırmadan elde edildi, böylece biyolojik numunelerin bütünlüğü korundu.

Şu anda bildirilen iyileştirmelerin mütevazı olduğu ve sonuçta ortaya çıkan performansın hala son teknoloji SRS sistemlerinin performansının altında olduğu belirtilmelidir. Dar bant lazer ışığını sıkıştırarak diğer tekniklerde etkileyici gürültü azaltma elde edilmiştir (örneğin bkz. ref. 9), ancak SRS için gerekli olan geniş bant lazer ışınlarını kullanarak benzer azalmaları elde etmek zor olabilir. Ayrıca, fotonlar arasında korelasyonlar üretmek için ışığı ‘sıkma’ süreci, zaten karmaşık olan SRS görüntüleme tekniğine fazladan bir adım ekler ve kullanıcıları bu gürültü azaltma yaklaşımını benimsemekten caydırabilir.

Yine de Casacio ve meslektaşlarının çalışması, optik görüntüleme tekniklerinde kuantum ışığı kullanmanın heyecan verici olasılıklarının altını çiziyor. Önümüzdeki zorluklara rağmen, kuantum ışığının SRS mikroskopisini daha iyi hale getirmesi muhtemeldir.

Rekabetçi İlgi Alanları

Yazar, rekabet eden çıkarlar beyan etmemektedir.

Profesör

Saç folikülü kök hücrelerinin kökeninin izlenmesi

Previous article

HRTEM’de perovskit ayrışması ve eksik kristal düzlemler

Next article

You may also like

Comments

Comments are closed.

More in Gündem