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贝塞尔光束照明拉曼显微

发布时间:2022-07-01 11:30:37 浏览量:2023 作者:Leon

摘要

样品的无标签评价在制药和医疗领域有着各种应用,3D细胞样品的荧光染色经常由于荧光探针无法渗透到组织中而失败。但是可通过在狭缝扫描拉曼显微镜中使用贝塞尔束照明来实现对细胞球体的无标记观察和分析,其中贝塞尔束从侧面照射样品,在分光光度计的入口狭缝共轭位置产生拉曼散射,用于高光谱拉曼检测。

正文


贝塞尔光束照明拉曼显微


拉曼显微镜的光学系统可使用贝塞尔光束进行侧照明,如图1所示。532 nm的激光器和轴锥棱镜产生贝塞尔光束,该光束通过NA为0.6的水浸物镜从样品侧面引入。通过NA-0.8水浸物镜在分光光度计入口狭缝上成像样品沿贝塞尔光束产生的拉曼散射,通过冷却ccd相机获得光谱线图像,实现高速拉曼成像,沿y轴平行检测400个拉曼光谱。物镜的组合和选择在一定程度上受到了物理上是否可能将它们放置在装置中以及可以放置的被观察样本的大小的限制。另外一个光路来诱导拉曼散射外延线照明,使用一个线形焦点,以能够比较贝塞尔和传统外延线照明模式之间的成像特性。使用图1(a)中的倒立镜可以切换两种成像模式。贝塞尔照明的偏振方向设置为x方向,使探测物镜能够有效地收集诱导拉曼散射。分光光度计的狭缝宽度设为1 Airy单位,使狭缝共聚焦效应也可实现z向的空间分辨率。光学装置的细节如图1所示。


图一


该显微镜的有效点扩散函数(PSF)是光学照明点扩散函数和检测点扩散函数的乘积。如图1(b)-(e)所示,与外线照明相比,贝塞尔光束照明有效地降低了z方向PSF的延伸,表明贝塞尔照明可以提高轴向分辨率和背消除。在贝塞尔束成像中,旁瓣可能是一个问题,但在该照明模式中,入口狭缝减少了旁瓣对成像的影响,因此是实现各向同性空间分辨率的关键因素。但是在贝塞尔照明时,较低的照度物镜NA导致了较低的x方向空间分辨率。


在狭缝扫描拉曼显微镜中使用贝塞尔束照明来观察厚的生物样品,并证明了与传统外延线照明拉曼显微镜相比,在观察球体时,图像对比度和实际分辨率的提高。贝塞尔照明和狭缝共聚焦检测相结合的背景还原和各向同性空间分辨率大大提高了拉曼显微镜在厚细胞样品观测中的成像性能。


除了扩大拉曼显微镜观察到的样品范围之外,考虑到拉曼散射是一种低效的物理相互作用,通常需要相对较高的激发光量,这种技术还有其他优势。特别是在活体生物标本中,非侵入性是至关重要的,设计出减少光损伤的方法是很重要的。在外延照明下,贝塞尔照明需要更少的照明功率来获得相同数量的拉曼信号。这有利于减少三维活细胞成像中的光损伤,在某些方面,类似于光片荧光显微镜所取得的成果。


高斯光束相比,贝塞尔光束表现出较强的旁瓣,这使得贝塞尔光束用于侧照时轴向分辨率降低。然而,结合狭缝扫描拉曼显微镜,狭缝检测的共聚焦效应可以降低旁瓣对有效PSF的影响,如图1(c)所示。除了旁瓣外,贝塞尔光束在光束传播方向的光分布长度和均匀性方面都比高斯光束有优势。因此,狭缝共聚焦检测可以成功地将高斯光束的上述优点引入到侧光显微镜中。


贝塞尔照明拉曼显微镜也有利于提高低浓度样品的灵敏度,因为背景信号的存在在本质上限制了微弱信号的检测能力。侧边照明有效地降低了离焦平面的背景信号,能检测出背景贡献较大时可能被镜头噪声隐藏的微弱信号。由于这种效应,灵敏度的提高足以扩大使用拉曼标签和探针的小分子成像、超多重成像和代谢成像的应用范围,这些领域的目标往往由于灵敏度低而受到限制。作为一种更通用的原理,低背景拉曼显微镜可以在较深的样品中保持足够的光谱和空间分辨率,可以扩大拉曼光谱在材料、生物、制药和医疗等众多研究和工业领域的多功能性。


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