Kimyasal Görüntüleme için Hiperspektral Uyarılmış Raman Saçılması ve Tutarlı Anti-Stokes Raman Saçılma Mikroskobunun Doğrudan Karşılaştırılması

Raman saçılma fenomeni ilk olarak 1928’de C. V. Raman¹ tarafından gözlemlenmiştir. Bir olay fotonu bir örnekle etkileşime girdiğinde, fotonun enerji değişiminin analiz edilen kimyasal türlerin titreşimsel geçişiyle eşleştiği elastik olmayan bir saçılma olayı kendiliğinden meydana gelebilir. Bu işlem kimyasal etiket kullanımını gerektirmez, bu da onu numune bozulmasını en aza indirirken kimyasal analiz için çok yönlü, etiketsiz bir araç haline getirir. Avantajlarına rağmen, spontan Raman saçılması, analiz² için uzun edinme süreleri gerektiren düşük bir saçılma kesitinden (tipik olarak kızılötesi [IR] absorpsiyon kesitinden 10¹¹ daha düşük) muzdariptir. Bu nedenle, Raman saçılma işleminin hassasiyetini artırma arayışı, Raman teknolojilerini gerçek zamanlı görüntüleme için zorlamak için çok önemlidir.

Raman saçılmasının hassasiyetini büyük ölçüde arttırmanın etkili bir yolu, moleküler titreşimsel geçişleri uyarmak için tipik olarak iki lazer darbesinin kullanıldığı tutarlı Raman saçılma (CRS) işlemleridir ^3,4. İki lazer arasındaki foton enerji farkı, örnek moleküllerin titreşim modlarıyla eşleştiğinde, güçlü Raman sinyalleri üretilecektir. Görüntüleme için en sık kullanılan iki CRS işlemi, tutarlı anti-Stokes Raman saçılması (CARS) ve uyarılmış Raman saçılmasıdır (SRS)⁵. Son yirmi yılda, teknolojik gelişmeler, biyolojik numunelerdeki kimyasal değişikliklerin etiketsiz nicelleştirilmesi ve aydınlatılması için güçlü araçlar haline gelmek üzere CARS ve SRS mikroskopi tekniklerini geliştirmiştir.

CARS mikroskobu ile kimyasal görüntüleme, Duncan ve ark.⁶ tarafından gösterilen CARS görüntülerini elde etmek için lazer taramanın ilk kez uygulandığı 1982 yılına tarihlenebilir. CARS mikroskobunun modernizasyonu, lazer taramalı multifoton floresan mikroskopi^7’nin geniş uygulamalarından sonra büyük ölçüde hızlandırılmıştır. Xie grubunun yüksek tekrarlama oranlı lazerler kullanan erken çalışmaları, CARS’ı biyolojik örneklerdeki moleküllerin karakterizasyonu için yüksek hızlı, etiketsiz, kimyasal bir görüntüleme platformu haline getirdi ^8,9,10. CARS görüntüleme için en önemli sorunlardan biri, görüntü kontrastını azaltan ve Raman spektrumunu bozan rezonans olmayan bir arka planın varlığıdır. Rezonans olmayan arka plan 11,12,13,14,15’i azaltmak veya CARS spektrumu ^16,17’den rezonans Raman sinyallerini çıkarmak için birçok çaba sarf edilmiştir. Alanı büyük ölçüde geliştiren bir diğer gelişme, her görüntü pikselinde gelişmiş kimyasal seçicilik^18,19,20,21 ile spektral haritalamaya izin veren hiperspektral CARS görüntülemedir^.

Uyarılmış Raman saçılması (SRS),²² yıl önce keşfedilmesine rağmen, CARS’tan daha genç bir görüntüleme teknolojisidir. 2007 yılında, SRS mikroskobu düşük tekrarlama oranlı lazer kaynağı²³ kullanılarak rapor edilmiştir. Kısa süre sonra, birkaç grup yüksek tekrarlama oranlı lazerler kullanarak yüksek hızlı SRS görüntüleme gösterdi^24,25,26. SRS mikroskopisinin CARS üzerindeki en büyük avantajlarından biri, rezonans olmayan arka plan^27’nin olmamasıdır, ancak çapraz faz modülasyonu (XPM), geçici absorpsiyon (TA), iki foton absorpsiyonu (TPA) ve fototermal (PT) etkisi gibi diğer arka planlar SRS²⁸ ile ortaya çıkabilir. Ek olarak, SRS sinyali ve numune konsantrasyonu, ikinci dereceden bir sinyal-konsantrasyon bağımlılığına sahip olan CARS’ın aksine doğrusal ilişkilere sahiptir²⁹. Bu, kimyasal niceliği ve spektral karıştırmayı basitleştirir. Çok renkli ve hiperspektral SRS, 30,31,32,33,34,35,36 farklı formlarda evrimleşmiştir ve spektral odaklama kimyasal görüntüleme için en popüler yaklaşımlardan biridir ^37,38.

Hem CARS hem de SRS, sinyal uyarımı için moleküllerin titreşimsel geçişine uymak için pompanın ve Stokes lazer ışınlarının numuneye odaklanmasını gerektirir. CARS ve SRS mikroskopları da birçok ortak noktayı paylaşır. Bununla birlikte, bu iki sürecin altında yatan fizik ve bu mikroskopi teknolojilerinde yer alan sinyal tespitleri^3,39 eşitsizliklere sahiptir. CARS, net foton-molekül enerji kuplajına sahip olmayan parametrik bir işlemdir³. Bununla birlikte, SRS, parametrik olmayan bir süreçtir ve fotonlar ile moleküler sistemler arasındaki enerji transferine katkıda bulunur²⁷. CARS’da, anti-Stokes frekansında yeni bir sinyal üretilirken, SRS, pompa ve Stokes lazer ışınları arasındaki enerji transferi olarak kendini gösterir.

CARS sinyali Eq (1)^28’i tatmin eder.

(1)

Bu arada SRS sinyali Eq (2)28 olarak yazılabilir.

(2)

Burada, I _p, I _s, I CARS ve ΔI_SRS, sırasıyla pompa ışınının, Stokes ışınının, _CARS sinyalinin ve SRS sinyallerinin yoğunluklarıdır. χ^(3), numunenin üçüncü dereceden doğrusal olmayan optik duyarlılığıdır ve gerçek ve hayali parçalardan oluşan karmaşık bir değerdir.

Bu denklemler, CARS ve SRS’nin spektral profillerini ve sinyal-konsantrasyon bağımlılığını ifade eder. Fizikteki farklılıklar, bu iki mikroskopi teknolojisi için farklı algılama şemalarına neden olur. CARS’ta sinyal algılama genellikle yeni üretilen fotonların spektral olarak ayrılmasını ve bir fotoçarpan tüpü (PMT) veya şarj bağlantılı cihaz (CCD) kullanılarak algılanmasını içerir; SRS için, pompa ve Stokes ışınları arasındaki enerji alışverişi genellikle bir optik modülatör kullanılarak yüksek hızlı yoğunluk modülasyonu ve kilitli bir amplifikatör ile eşleştirilmiş bir fotodiyot (PD) kullanılarak demodülasyon ile ölçülür.

Son yıllarda hem CARS hem de SRS alanlarında birçok teknolojik gelişme ve uygulama yayınlanmış olmasına rağmen, özellikle hiperspektral CARS ve SRS mikroskopisi için iki CRS tekniğinin sistematik bir karşılaştırması aynı platformda yapılmamıştır. Hassasiyet, uzamsal çözünürlük, spektral çözünürlük ve kimyasal ayırma yeteneklerindeki doğrudan karşılaştırmalar, biyologların kimyasal niceleme için en iyi yöntemi seçmelerine izin verecektir. Bu protokolde, femtosaniye lazer sistemine ve spektral odaklamaya dayalı hem hiperspektral CARS hem de SRS modaliteleri ile multimodal bir görüntüleme platformu oluşturmak için ayrıntılı adımlar sağlanmaktadır. İki teknik, spektral çözünürlük, algılama duyarlılığı, uzamsal çözünürlük ve hücrelerin görüntüleme kontrastları için ileri yönde karşılaştırılmıştır.