北理工團隊發(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：光電學院 邱麗榮 攝影：光電學院
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北京理工大學光電學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，研制成功了相應的儀器，實現了樣品三維形貌、力學性能和化學組分的多維信息檢測,，并與北京大學航天臨床醫(yī)學院（航天中心醫(yī)院）合作，利用該研制儀器對腫瘤組織進行了有效表征分析,。相關工作發(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。
癌變細胞和正常細胞在形態(tài),、化學性質和力學性質等方面有明顯差異,，腫瘤組織細胞化學和力學性能的檢測可為細胞及人體組織病變過程提供多維信息。現有組織細胞形態(tài),、力學性能、化學性能的檢測方法中,，共焦拉曼光譜顯微技術可對樣品微區(qū)化學性能進行非接觸,、無標記探測，共焦布里淵光譜顯微技術可對樣品微區(qū)力學性能進行非接觸,、無損探測,，將共焦拉曼光譜與布里淵光譜檢測技術結合，來同時,、同位檢測組織甚至亞細胞結構的微區(qū)三維形貌,、化學性能和機械力學性能，有望為組織細胞多維病變信息的檢測提供新手段,。
現有共焦拉曼/布里淵光譜顯微成像技術由于缺少高精度實時定焦能力,，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現；其次,，由于拉曼和布里淵散射光譜強度較弱,，成像積分時間較長，共焦光譜顯微系統(tǒng)極易受系統(tǒng)漂移的影響而導致離焦,，進而影響空間分辨力和成像質量等,；此外，在對生物組織切片樣品進行成像時,，垂直入射產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確性，降低檢測精度,。
鑒于此,，該團隊在國家自然基金重點項目“機械形態(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與拉曼光譜和布里淵光譜探測技術相結合,，通過差動共焦測量技術進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)與探測技術進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,，來實現微區(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1nm、光譜成像橫向分辨力達400nm,、拉曼光譜分辨力達0.7cm-1,、布里淵光譜探測分辨力達0.5GHz等。
圖2. DLDCRB光譜顯微鏡
利用研制的DLDCRB光譜顯微鏡,，對條形樣品進行了清晰成像,，結果如圖3所示，驗證了所提方法的抗漂移能力,；對PMMA/SiO2雙層樣品進行了檢測,，結果如圖4所示，驗證了所提方法抑制離焦層散射光干擾的能力。
（a）經典共焦光譜系統(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行了拉曼-布里淵光譜成圖實驗分析,，證實了之前有關癌組織中蛋白質物質發(fā)生變化以及組織之粘彈性變化導致浸潤性增加的假設。
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成像結果,，濃度由拉曼光譜特征峰的強度來表征,。胃癌組織與癌旁正常組織化學成像結果相比：膠原蛋白濃度低且分布離散；胃癌細胞的DNA物質濃度高且分布范圍大,；胃癌組織細胞基質內的蛋白質濃度低,；胃癌組織的脂質在基質內濃度高，而正常組織的脂質分布相對均勻,。
圖5.胃癌組織與癌旁正常組織化學成像結果
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性能成像結果,，布里淵光譜的頻移表征物質的儲能模量（彈性性能），布里淵光譜的半高寬表征物質的損耗模量（粘性性能）,。胃癌組織與癌旁正常組織力學成像結果相比,，胃癌細胞和細胞間質的彈性低于正常細胞和細胞間質，癌細胞細胞核的彈性高于正常細胞,；胃癌細胞和細胞間質的粘性低于正常細胞和細胞間質,，癌細胞細胞核的粘性高于正常細胞。
圖6. 胃癌組織與癌旁正常組織的力學性能對比圖
該研究工作得到了國家自然科學基金（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，北京理工大學光電學院教授,，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研究工作,，主持國家自然基金科學儀器研制項目,、國家自然基金聯(lián)合基金集成項目、國家自然基金重點項目,、國家重大科學儀器設備開發(fā)專項項目等20余項,，在Photonics Research、J Anal Atom Spectrom,、Opt Laser Technol等期刊發(fā)表SCI論文90余篇,，授權發(fā)明專利150余項。兼任國務院學位委員會“儀器科學與技術學科”學科評議組成員等,。榮獲1項國家技術發(fā)明獎一等獎（排名2）,、1項國家技術發(fā)明獎二等獎（排名1）,、5項部級技術發(fā)明/科技進步一等獎等,。
邱麗榮，北京理工大學光電學院教授，國家杰出青年基金獲得者等,。從事光學精密成像/檢測方法,、技術與裝備研究，主持國家自然基金重點項目,、儀器基金和國家重點研發(fā)計劃重大科學儀器設備開發(fā)專項等10余項項目,。在Photonics Research、J Anal Atom Spectrom,、Optics Express等期刊發(fā)表SCI論文80余篇,，授權發(fā)明專利近百項。獲1項國家技術發(fā)明二等獎（序2）,、2項省部級技術發(fā)明一等獎和2項學會一等獎等6項科技獎項,。
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