應(yīng)用案例

Moku:Pro簡(jiǎn)化雙色受激拉曼散射顯微鏡實(shí)驗(yàn)

介紹

在華盛頓大學(xué), 研究人員致力于雙色受激拉曼散射(SRS)顯微鏡技術(shù)研究開(kāi)發(fā)化學(xué)成像工具，用于早期癌癥檢測(cè)和了解神經(jīng)退行性疾病進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)裝置通常包括多個(gè)復(fù)雜的高性能儀器, 用于實(shí)時(shí)雙色 SRS 成像或兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的拉曼躍遷的同步成像。現(xiàn)在，他們正在使用Moku:Pro鎖相放大器和多儀器并行模式，僅通過(guò)Moku:Pro一臺(tái)緊湊的多通道設(shè)備進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)并捕捉低強(qiáng)度的SRS信號(hào)。

面臨挑戰(zhàn)

SRS是一種相干拉曼散射過(guò)程，可提供具有光譜和空間信息的化學(xué)成像。在典型的設(shè)置中,它使用兩個(gè)同步脈沖激光器, 即泵浦和斯托克斯(圖1), 以相干地激發(fā)分子的振動(dòng)。為了從嘈雜的背景中捕捉到非常小的SRS信號(hào), 高頻調(diào)制和相敏檢測(cè)方法是必要的。

圖1:檢測(cè)到由于SRS導(dǎo)致的Stokes到泵浦光束的振幅調(diào)制轉(zhuǎn)移。所展示的泵浦光束的重復(fù)率為80MHz，Stokes光束具有相同的80MHz重復(fù)率，但也在20MHz處調(diào)制。通過(guò)這個(gè)檢測(cè)方案，Δpump被提取出來(lái)。

為了進(jìn)行實(shí)時(shí)雙色SRS成像實(shí)驗(yàn), 研究人員必須運(yùn)用正交調(diào)制并檢測(cè)同相和正交信號(hào)分量。“在大多數(shù)SRS光譜實(shí)驗(yàn)中, 由于激光器總帶寬的限制, 光譜范圍被限制在300 cm-1左右,”華盛頓大學(xué)化學(xué)助理教授Dan Fu博士說(shuō)到。“避免這種情況的一種方法是使用可調(diào)諧激光器掃描波長(zhǎng), 但這很慢, 而且對(duì)于活細(xì)胞成像等對(duì)時(shí)間敏感的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)往往是不夠的。”

為了克服這些限制, 華盛頓大學(xué)的科研人員使用第三束激光束來(lái)同時(shí)對(duì)兩個(gè)間隔很寬的光譜區(qū)域進(jìn)行成像, 例如一個(gè)在指紋區(qū)域大小(比如. ～1600 cm-1應(yīng)對(duì)酰胺振動(dòng))和一個(gè)在C-H區(qū)域大小(比如. ～2900 cm-1應(yīng)對(duì)蛋白質(zhì)), 但這會(huì)增加實(shí)驗(yàn)設(shè)置的占用空間和復(fù)雜性。

圖2：用Moku:Pro多儀器并行模式設(shè)置在間隔較遠(yuǎn)的拉曼轉(zhuǎn)換處拍攝的HeLa細(xì)胞SRS圖像。

解決方案

在采用調(diào)制傳輸檢測(cè)方案的 SRS 顯微鏡實(shí)驗(yàn)中，高質(zhì)量的鎖相放大器是關(guān)鍵的硬件組件。Moku:Pro 的鎖相放大器為 SRS 顯微鏡實(shí)驗(yàn)中的自外差信號(hào)檢測(cè)提供了一種直觀、精確且可靠的解決方案，直觀的用戶(hù)界面為提取低強(qiáng)度 SRS 信號(hào)提供強(qiáng)大的操控性和靈活性。

圖3: Moku:Pro鎖相放大器的通道配置

Moku:Pro的鎖相放大器可以配置相位偏置,低通濾波器和設(shè)定增益用于優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。內(nèi)置的探測(cè)點(diǎn)功能可以在調(diào)整設(shè)置時(shí)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。X和Y輸出均可用于雙通道成像。

對(duì)于三路激光器的情況下, Moku:Pro 多儀器并行模式可以配置兩個(gè)鎖相放大器, 將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)設(shè)備而不需要任何妥協(xié)。這使得研究人員可以同時(shí)拍攝兩張波數(shù)差較大的 SRS 圖像, 利用一個(gè) Moku:Pro 來(lái)處理兩個(gè)光電二極管檢測(cè)器信號(hào)。

圖4: Moku:Pro多儀器并行模式配置多通道鎖相放大器

圖 4 演示了多儀器并行模式配置使用兩個(gè)鎖相放大器用于同步 SRS 顯微鏡實(shí)驗(yàn)。對(duì)于插槽 1 中的鎖相放大器, 輸入 In 1 是第一個(gè)光電二極管的檢測(cè)信號(hào), In 2 是參考信號(hào), 輸出Out 1是發(fā)送到外部數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào), Out 3被棄置。對(duì)于插槽2中的鎖相放大器, In 3是第二個(gè)光電二極管的檢測(cè)信號(hào), In 2再次作為參考信號(hào), Out 2是發(fā)送到外部數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào), Out 4被棄置。每個(gè)檢測(cè)到的信號(hào)(Out 1 和 Out 2)在被發(fā)送到數(shù)據(jù)采集卡之前通過(guò)調(diào)整它們各自的相位偏置來(lái)最大化。本例中的插槽 3 和 4 配置了示波器, 但還可以配置為Moku:Pro中的任意儀器功能。

圖5：Moku:Pro在多儀器模式下，配置了兩個(gè)鎖相放大器，有三個(gè)輸入通道和兩個(gè)輸出通道在使用。

結(jié)果

Moku:Pro的鎖相放大器為眾多SRS顯微鏡實(shí)驗(yàn)提供了出色的解決方案。“用戶(hù)界面可以對(duì)提取低強(qiáng)度SRS信號(hào)進(jìn)行直觀且強(qiáng)大的控制,僅需要使用Moku:Pro的多儀器并行模式就能在緊湊的系統(tǒng)上進(jìn)行復(fù)雜的成像實(shí)驗(yàn),” Fu博士說(shuō)道。從典型的單通道SRS成像到雙通道成像, 甚至是多儀器成像, 華盛頓大學(xué)的科研人員可以簡(jiǎn)化他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)置而不用作出妥協(xié)。

問(wèn)題和反饋