高灵敏度高速受激拉曼散射显微成像

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受激拉曼散射显微成像(Stimulated Raman scattering microscopy,SRS)是一种基于受激辐射原理的新兴的显微成像技术。SRS具有无标记和高化学特异性的特点,已经在生物医学成像领域获得了广泛的应用。但是,SRS的成像灵敏度和成像速度远逊于荧光显微镜,极大限制了SRS的进一步发展和应用。本文所叙研究发展了共轭聚合物的拉曼标签,实现了高灵敏的SRS生物显微成像;研制出具有每秒2000帧图像成像速度的超快SRS显微成像系统,实现了自由基聚合反应过程的化学成像。全文主要分为三部分详细讲述了SRS成像系统:高光谱SRS系统结合拓扑共轭聚合物对细胞器进行靶向成像;基于声光偏转器的共线多光束的超快SRS显微成像系统研制;使用超快SRS显微成像系统研究自由基聚合过程。(1)通过SF57玻璃棒引入线性啁啾的方式建立了频谱聚焦的高光谱SRS显微成像系统。分析了SRS系统的噪声组成,采用电光振幅调制器对斯托克斯光进行高频调制,并通过自制窄带射频放大电路对SRS信号进行滤波和放大,实现了散粒噪声极限探测的高光谱SRS系统。该系统结合具有超强生物正交拉曼信号的共轭聚合物,实现了溶酶体、线粒体和细胞核的活细胞靶向成像。(2)针对受激拉曼散射成像速度慢的问题,研制了基于声光偏转器的共线多光束的受激拉曼散射显微镜(Collinear multiple beam-based stimulated Raman scattering,COMB-SRS)。系统使用包含46种频率成分的射频信号对声光偏转器进行驱动,分别产生了46束均匀分布的泵浦光和斯托克斯光,并采用46路独立的窄带射频放大电路和解调电路对SRS信号进行了检测,最终实现了每秒2000帧的SRS并行成像。(3)通过对丙烯酰胺和聚丙烯酰胺的拉曼光谱进行分析,发现了分别属于丙烯酰胺和聚丙烯酰胺的3043 cm-1和2930 cm-1的C-H键拉曼峰,并应用SRS化学成像观察到了396 nm紫外光引发的聚合反应过程。最后使用COMB-SRS系统以每秒2000帧的成像速度对丙烯酰胺聚合反应的发生过程进行了高速成像和定量分析。通过对多种单体和相应聚合物的拉曼光谱分析,证明了应用SRS和COMB-SRS研究聚合反应的方法具有普适性。本文针对SRS系统的灵敏度和成像速度,搭建了散粒噪声极限探测的高光谱SRS和具有每秒2000帧图像成像速度的COMB-SRS,使SRS可以对高速的生物化学现象进行研究。
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