北理工團(tuán)隊(duì)發(fā)明激光差動共焦拉曼-布里淵光譜顯微新原理儀器
發(fā)布日期：2023-06-12 供稿：光電學(xué)院 邱麗榮 攝影：光電學(xué)院
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北京理工大學(xué)光電學(xué)院趙維謙教授課題組提出了具有高穩(wěn)定,、高分辨,、抗散射的激光差動共焦拉曼-布里淵圖譜成像新原理，研制成功了相應(yīng)的儀器,，實(shí)現(xiàn)了樣品三維形貌,、力學(xué)性能和化學(xué)組分的多維信息檢測，并與北京大學(xué)航天臨床醫(yī)學(xué)院（航天中心醫(yī)院）合作,，利用該研制儀器對腫瘤組織進(jìn)行了有效表征分析,。相關(guān)工作發(fā)表在Light: Science & Applications上 (Light: Science & Applications，12, 129 (2023)),。該研究工作以北京理工大學(xué)為第一通訊單位,，趙維謙教授為通訊作者，邱麗榮教授為論文的第一作者,。
癌變細(xì)胞和正常細(xì)胞在形態(tài),、化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)等方面有明顯差異,，腫瘤組織細(xì)胞化學(xué)和力學(xué)性能的檢測可為細(xì)胞及人體組織病變過程提供多維信息。現(xiàn)有組織細(xì)胞形態(tài),、力學(xué)性能,、化學(xué)性能的檢測方法中，共焦拉曼光譜顯微技術(shù)可對樣品微區(qū)化學(xué)性能進(jìn)行非接觸,、無標(biāo)記探測,，共焦布里淵光譜顯微技術(shù)可對樣品微區(qū)力學(xué)性能進(jìn)行非接觸、無損探測,，將共焦拉曼光譜與布里淵光譜檢測技術(shù)結(jié)合，來同時(shí),、同位檢測組織甚至亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的微區(qū)三維形貌,、化學(xué)性能和機(jī)械力學(xué)性能，有望為組織細(xì)胞多維病變信息的檢測提供新手段,。
現(xiàn)有共焦拉曼/布里淵光譜顯微成像技術(shù)由于缺少高精度實(shí)時(shí)定焦能力,，致使掃描過程中聚焦在樣品上的光斑大小隨著樣品的高低起伏而變化，從而制約了共焦光譜顯微系統(tǒng)理論空間分辨力的實(shí)現(xiàn),；其次,，由于拉曼和布里淵散射光譜強(qiáng)度較弱，成像積分時(shí)間較長,，共焦光譜顯微系統(tǒng)極易受系統(tǒng)漂移的影響而導(dǎo)致離焦,，進(jìn)而影響空間分辨力和成像質(zhì)量等；此外,，在對生物組織切片樣品進(jìn)行成像時(shí),，垂直入射產(chǎn)生的熒光信號會降低樣品拉曼光譜的信噪比，從而影響拉曼光譜和布里淵光譜探測的準(zhǔn)確性,，降低檢測精度,。
鑒于此，該團(tuán)隊(duì)在國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目“機(jī)械形態(tài)性能激光分光瞳差動共焦布里淵—拉曼光譜測量原理與傳感系統(tǒng)（51535002）”等項(xiàng)目支持下,，發(fā)明了圖1所示的高穩(wěn)定,、高分辨、抗散射分光瞳激光差動共焦拉曼-布里淵（Divided-aperture Laser Differential Confocal Raman-Brillouin,，DLDCRB）圖譜成像新方法（授權(quán)中國發(fā)明專利ZL 201410086366.5和歐洲發(fā)明專利EP 3118608 B1）,，該方法將分光瞳激光差動共焦顯微技術(shù)與拉曼光譜和布里淵光譜探測技術(shù)相結(jié)合，通過差動共焦測量技術(shù)進(jìn)行納米精度的樣品定焦,，來提高系統(tǒng)空間分辨力和穩(wěn)定性,；通過分光瞳斜向激發(fā)與探測技術(shù)進(jìn)行反射光和層間散射光等干擾光的抑制，來提高系統(tǒng)的光譜探測信噪比,；通過拉曼光譜與布里淵光譜的同源激光激發(fā)與高分辨分離探測,，來實(shí)現(xiàn)微區(qū)幾何形貌,、拉曼光譜和布里淵光譜的高穩(wěn)定、高分辨原位圖譜成像,。
圖1. DLDCRB光譜顯微成像原理
基于該方法研制了圖2所示的具有高空間分辨力和三維成像聚焦跟蹤能力的DLDCRB光譜顯微鏡,，其軸向定焦分辨力達(dá)1nm、光譜成像橫向分辨力達(dá)400nm,、拉曼光譜分辨力達(dá)0.7cm-1,、布里淵光譜探測分辨力達(dá)0.5GHz等。
圖2. DLDCRB光譜顯微鏡
利用研制的DLDCRB光譜顯微鏡,，對條形樣品進(jìn)行了清晰成像,，結(jié)果如圖3所示，驗(yàn)證了所提方法的抗漂移能力,；對PMMA/SiO2雙層樣品進(jìn)行了檢測,，結(jié)果如圖4所示，驗(yàn)證了所提方法抑制離焦層散射光干擾的能力,。
（a）經(jīng)典共焦光譜系統(tǒng)成像（模糊） (b) DLDCRB光譜系統(tǒng)成像（清晰）
圖3. 傳統(tǒng)共焦光譜系統(tǒng)與DLDCRB光譜顯微鏡結(jié)果對比
(a) 斜向激發(fā)與收集光路 (b) 壓縮了散射體軸向尺寸
圖4. 系統(tǒng)抗離焦噪聲干擾機(jī)制
利用研制的DLDCRB光譜顯微鏡,，對胃癌組織和癌旁正常組織進(jìn)行了拉曼-布里淵光譜成圖實(shí)驗(yàn)分析，證實(shí)了之前有關(guān)癌組織中蛋白質(zhì)物質(zhì)發(fā)生變化以及組織之粘彈性變化導(dǎo)致浸潤性增加的假設(shè),。
圖5給出了DLDCRB光譜顯微鏡對胃癌組織與癌旁正常組織的化學(xué)成像結(jié)果,，濃度由拉曼光譜特征峰的強(qiáng)度來表征。胃癌組織與癌旁正常組織化學(xué)成像結(jié)果相比：膠原蛋白濃度低且分布離散,；胃癌細(xì)胞的DNA物質(zhì)濃度高且分布范圍大,；胃癌組織細(xì)胞基質(zhì)內(nèi)的蛋白質(zhì)濃度低；胃癌組織的脂質(zhì)在基質(zhì)內(nèi)濃度高,，而正常組織的脂質(zhì)分布相對均勻,。
圖5.胃癌組織與癌旁正常組織化學(xué)成像結(jié)果
圖6給出了DLDCRB光譜顯微鏡對胃癌組織與癌旁正常組織的力學(xué)性能成像結(jié)果，布里淵光譜的頻移表征物質(zhì)的儲能模量（彈性性能）,，布里淵光譜的半高寬表征物質(zhì)的損耗模量（粘性性能）,。胃癌組織與癌旁正常組織力學(xué)成像結(jié)果相比，胃癌細(xì)胞和細(xì)胞間質(zhì)的彈性低于正常細(xì)胞和細(xì)胞間質(zhì),，癌細(xì)胞細(xì)胞核的彈性高于正常細(xì)胞,；胃癌細(xì)胞和細(xì)胞間質(zhì)的粘性低于正常細(xì)胞和細(xì)胞間質(zhì)，癌細(xì)胞細(xì)胞核的粘性高于正常細(xì)胞,。
圖6. 胃癌組織與癌旁正常組織的力學(xué)性能對比圖
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（51825501,、U22A6006）的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-023-01153-y
附作者簡介：
趙維謙,，北京理工大學(xué)光電學(xué)院教授,，國家級人才、全國創(chuàng)新爭先獎獲得者,。主要從事精密光電儀器技術(shù)研究工作,，主持國家自然基金科學(xué)儀器研制項(xiàng)目,、國家自然基金聯(lián)合基金集成項(xiàng)目、國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目,、國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目等20余項(xiàng),，在Photonics Research、J Anal Atom Spectrom,、Opt Laser Technol等期刊發(fā)表SCI論文90余篇,，授權(quán)發(fā)明專利150余項(xiàng)。兼任國務(wù)院學(xué)位委員會“儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科”學(xué)科評議組成員等,。榮獲1項(xiàng)國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎（排名2）,、1項(xiàng)國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎（排名1）、5項(xiàng)部級技術(shù)發(fā)明/科技進(jìn)步一等獎等,。
邱麗榮,，北京理工大學(xué)光電學(xué)院教授，國家杰出青年基金獲得者等,。從事光學(xué)精密成像/檢測方法、技術(shù)與裝備研究,，主持國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目,、儀器基金和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)等10余項(xiàng)項(xiàng)目。在Photonics Research,、J Anal Atom Spectrom,、Optics Express等期刊發(fā)表SCI論文80余篇，授權(quán)發(fā)明專利近百項(xiàng),。獲1項(xiàng)國家技術(shù)發(fā)明二等獎（序2）,、2項(xiàng)省部級技術(shù)發(fā)明一等獎和2項(xiàng)學(xué)會一等獎等6項(xiàng)科技獎項(xiàng)。
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