Implementazione di un microscopio non lineare basato sullo scattering Raman stimolato

Nelle applicazioni nel campo delle scienze biologiche, la microscopia SRS è emersa come un potente strumento per l’imaging senza etichette. L’idea di base della microscopia SRS è quella di combinare la forza del contrasto vibrazionale e la sua capacità di acquisire immagini in pochi secondi.

SRS è un processo in cui la differenza di frequenza tra due frequenze di raggi laser (segnale pompa e segnale stokes a frequenze diverse) corrisponde alla vibrazione molecolare di un campione studiato, causando dispersione Raman stimolata e un significativo aumento del segnale Stokes. A differenza della spettroscopia raman lineare, sRS presenta una dipendenza non lineare dai campi luminosi in entrata e produce radiazioni coerenti. SRS ha due vantaggi fondamentali: 1) velocità, che rende le immagini meno sensibili agli artefatti derivanti dal movimento o dalla degradazione del campione, e 2) un eccellente rapporto segnale-rumore (SNR). Inoltre, SRS presenta uno spettro identico al Raman spontaneo, e il segnale SRS è linearmente proporzionale alla concentrazione del legame chimico eccitato^1,2,3^{,4, 5}.

Nel nostro microscopio, un set-up sperimentale femtosecondo (fs) SRS è integrato con un microscopio ottico invertito dotato di un’unità di scansione a specchi veloci (Figura 1)^6,7^,8. Per implementare questo microscopio vengono utilizzate due sorgenti laser pulsate. Il primo è un fs-Ti:Sa con una durata dell’impulso di circa 140 fs, una frequenza di ripetizione di 80 MHz e lunghezze d’onda di emissione nell’intervallo di 680-1080 nm. Il secondo, utilizzato come fascio di sonda e pompato da Ti:Sa, è un oscillatore parametrico ottico sincronizzato a femtosecondo (SOPO), con una durata dell’impulso di circa 200 fs, una frequenza di ripetizione di 80 MHz e lunghezze d’onda di emissione nell’intervallo di 1000-1600 nm. Va notato che la differenza minima di energia fotone tra il fascio Ti:Sa e SOPO è di 2500 cm^-1. Pertanto, utilizzando questa combinazione di sistemi laser, solo la regione Ad alta frequenza C-H (2800-3200 cm^-1) di spettri Raman può essere esplorata^6,7,8.

Al fine di istituire un microscopio SRS, ci sono tre questioni cruciali da considerare, che sono descritte nei paragrafi successivi. Il primo è l’implementazione di un metodo di trasferimento di modulazione ad alta frequenza (vedere Figura 2 e passaggio 2.1 del protocollo per una descrizione). In un’indagine sperimentale SRS, un parametro cruciale è la sensibilità del sistema. Un segnale SRS viene rilevato come un piccolo cambiamento nell’intensità dei raggi di eccitazione; pertanto, può essere danneggiato dal rumore di intensità del laser e dal rumore delle riprese. Questo problema può essere risolto integrando questo sistema con un metodo di trasferimento di modulazione ad alta frequenza (vedere Figura 2 e passaggio 2.1 del protocollo per i dettagli). In questo metodo, un modulatore elettro-ottico (EOM) viene utilizzato per modulare la pompa. La modulazione trasferita al fascio di sonda può quindi essere rilevata da un PD dopo aver bloccato il fascio di pompaggio con una pila di filtri ottici [modalità di rilevamento Raman guadagno Raman stimolato (SRG)]. L’uscita PD è collegata da un filtro passa-basso a un amplificatore lock-in (LIA), che demolazza il segnale misurato. Aumentando la frequenza di modulazione del fascio a frequenze superiori a 1 MHz, è possibile ottenere il limite intrinseco di PD.

La seconda questione da considerare è l’installazione di un supporto meccanico che permette di effettuare il rilevamento in avanti e allo stesso tempo di preservare l’osservazione al microscopio in campo luminoso. Inoltre, deve ridurre il rumore dovuto alle vibrazioni meccaniche durante la generazione di immagini e consentire il riposizionamento preciso del sistema di rilevamento (vedere la Figura 3 e il passaggio 2.2 del protocollo).

Il terzo è la sincronizzazione del segnale acquisito dallo schema di rilevamento sensibile alla fase, con il fascio posizionato sul campione monitorato dalla testina di scansione del microscopio. Per realizzare le immagini, le SM richiedono tre segnali TTL che vengono resi disponibili dal controller del microscopio collegato all’unità di scansione: pixel clock, line sync e frame sync. La sincronizzazione si ottiene controllando utilizzando una scheda PCI, i tre segnali TTL e l’acquisizione di un segnale di tensione sul canale di uscita di LIA^6,7,8. Un software fatto in casa è stato sviluppato e descritto in precedenza^6,7,8, mentre l’hardware del sistema di sincronizzazione è riportato in Figura 4.

Una procedura fondamentale durante l’esecuzione dell’imaging SRS è l’allineamento al microscopio. Si realizza nel corso di quattro fasi, descritte nei paragrafi successivi. Il primo è la sovrapposizione spaziale di due fasci (vedere il passaggio 3.1 del protocollo). In questo set-up sperimentale, i due fasci sono stati spazialmente collitrati combinati da uno specchio dicroico. La fase preliminare è l’allineamento di OPO e Ti:Sa in modo che ognuno raggiunga il microscopio. Quindi, considerando l’OPO come una trave di riferimento e sfruttando un rilevatore sensibile alla posizione, il Ti:Sa è sovrapposto spazialmente a OPO.

Il secondo aspetto cruciale è la sovrapposizione temporale di due fasci (vedere il passaggio 3.2 del protocollo). Anche se la pompa e le travi OPO sono perfettamente sincronizzate⁹, dal momento che seguono percorsi di fascio leggermente diversi all’interno dell’alloggiamento OPO, all’uscita OPO hanno un ritardo di tempo di circa 5 ns e differenza spaziale di 5 cm. Pertanto, Ti:Sa e OPO richiedono di essere riprogrammati otticamente per garantire la sovrapposizione temporale sul campione. Questa operazione viene in genere eseguita con una linea di ritardo ottica finemente regolabile, che in questo caso viene inserita tra il Ti:Sa e il microscopio (vedere la figura 1). Per ottenere la sovrapposizione temporale di due travi, vengono utilizzate due tecniche. Il primo viene effettuato utilizzando una PD veloce e oscilloscopio, mentre il secondo si basa su correlazioni auto e cross-ottiche. Utilizzando la prima tecnica, si ottiene una sovrapposizione approssimativa di due travi (incertezza di 10 ps), mentre una sovrapposizione temporale accurata di due travi si ottiene utilizzando un correlato recorrelato incrociato (risoluzione di 1 fs).

Il terzo aspetto cruciale è l’allineamento dei due fasci all’interno del microscopio (vedere la fase 3.3 del protocollo). Un’osservazione preliminare a luce bianca del campione permette di individuare il campo visivo desiderato (FOV). Successivamente, i raggi laser, che entrano nel microscopio da una porta laterale del microscopio, sono allineati per raggiungere il PD montato sulla parte superiore (Figura 3). Tuttavia, per una corretta acquisizione dell’immagine, è necessario impostare una serie di parametri (ad esempio, dimensione in pixel e tempo di peritura dei pixel). La frequenza di campionamento deve rispettare il vincolo imposto dal teorema di Nyquist al fine di conservare tutte le informazioni in un’immagine, mentre per una corretta corrispondenza tra le coordinate spaziali dei pixel e il valore SRS misurato in ogni pixel, il tempo di integrazione di LIA dovrebbe essere uguale o paragonabile al tempo di dimora dei pixel.

Nella fase finale dell’allineamento al microscopio, vengono effettuati numerosi test per ottimizzare l’allineamento spaziale e temporale (vedere il passaggio 3.4 del protocollo). Un certo numero di immagini di trasmissione (TI) sia per Ti:Sa che per OPO vengono acquisite al fine di ottimizzare la sovrapposizione spaziale. In un TI, viene utilizzato un singolo fascio e l’intensità del fascio trasmesso dal campione viene misurata da una PD. Nel caso di TI realizzato da OPO, il segnale di uscita PD è collegato direttamente alla scheda PCI, mentre nel caso di TI realizzato da Ti:Sa, il segnale di uscita PD è collegato a LIA e l’uscita analogica di LIA è collegata alla scheda PCI. Le immagini di trasmissione sono molto utili per ottimizzare il FOV, l’illuminazione, la posizione focale degli obiettivi del microscopio e per verificare se i due fasci sono sovrapposti spazialmente^6,7,8.

L’ottimizzazione della sovrapposizione temporale della pompa e della trave della sonda si ottiene scansionando la linea di ritardo con passi di 0,001 mm corrispondenti a uno spostamento temporale di 3,3 fs ed effettuando una misurazione SRS in un unico punto di un campione di perline di polistirolo di 3 m di diametro. L’ampiezza di un segnale SRS misura i valori di LIA, in funzione del ritardo sonda-pompa, e fornisce un massimo corrispondente con l’esatta sovrapposizione temporale delle due travi^6,7,8. Prima di concludere, va notato che tutti i passaggi discussi sono obbligatori per ottenere un’immagine di alta qualità.