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激光紅外成像(QCL)用于分析生物組織
2023-11-21
傅立葉變換紅外光譜法在組織成像分析中正面臨僵局
紅外光譜法用于生物組織研究已有一段時(shí)間。它可以在不使用染色劑的情況下，深入了解植物、動(dòng)物和人類組織的生物化學(xué)成分。最令人興奮的一大發(fā)現(xiàn)是，它能夠根據(jù)紅外光譜數(shù)據(jù)，區(qū)分病變組織和健康組織。但到目前為止，紅外顯微技術(shù)僅限用于研究。" 其原因在于必須投入大量的時(shí)間來進(jìn)行光譜采集。盡管焦平面成像探測(cè)器有助于大幅縮短時(shí)間，但這項(xiàng)技術(shù)仍然非常耗時(shí)。
新成員加入: 激光紅外成像 (QCL)
現(xiàn)在，激光紅外成像等全新工具有望打破這一僵局。與傳統(tǒng)的中紅外光源相比，紅外激光器能夠提供更高的功率密度。因此，可以在較短的時(shí)間內(nèi)采集到較好的紅外光譜數(shù)據(jù)。隨著激光紅外成像技術(shù)和HYPERIONI的到來，終于迎來了轉(zhuǎn)機(jī)。由于紅外激光具有較高的能量密度，可以在很短的時(shí)間內(nèi)收集到高信噪比的光譜數(shù)據(jù)。其速度優(yōu)勢(shì)顯著，提升了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。本應(yīng)用說明詳細(xì)介紹了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。
有關(guān)激光紅外成像，用戶所必須了解的知識(shí)
激光紅外成像支持中紅外指紋區(qū)(1800-950cm1)內(nèi)的多種圖像采集模式。紅外光譜實(shí)時(shí)成像實(shí)現(xiàn)了以視頻頓速率進(jìn)行的實(shí)時(shí)化學(xué)成像，旨在找到感興趣區(qū)或跟蹤反應(yīng)離散波數(shù)成像聚焦于特定的波數(shù)，而不是全光譜，這可以大大加快采集過程。連續(xù)掃描，先選擇光譜范圍，然后通過激光的連續(xù)掃描生成譜圖。所得譜圖與FT-IR相當(dāng)。2離散掃描通過逐步調(diào)諧激光頻率，來記錄所選的光譜范圍，從而獲得更高的波數(shù)精度，但采集時(shí)間
與激光紅外成像之對(duì)比: 組織樣品
下面對(duì)比了速度最快的FT-IR成像顯微鏡(LUMOSI)與HYPERIONI激光紅外成像顯微鏡對(duì)分析組織樣品的情況。
帶 MCT 探測(cè)器的 HYPERION II 顯微鏡
使用HYPERIONII紅外激光成像比使用LUMOSIIFPAFTR測(cè)量速度快14倍以上。雖然使用紅外激光(QCL)僅可采集MIR 指紋區(qū)，但這對(duì)于HYPERIONI來說不是問題，因?yàn)樗€配有FTHIR顯微鏡，可以根據(jù)需要掃描整個(gè)光譜范圍。圖1顯示了成像技術(shù)取得的另一個(gè)里程硅式進(jìn)展。使用OPUS軟件的自適應(yīng)K-means聚類算法，可根據(jù)原始數(shù)據(jù)自動(dòng)生成紅外化學(xué)圖像。它根據(jù)光譜變化自動(dòng)分析成分分布并評(píng)估IR圖像，速度極快。即使是較大的樣品，如光譜張數(shù)超300萬(wàn)的扁桃體組織切片(圖1所示)，也僅需不到20分鐘即可完成分析，包括光譜數(shù)據(jù)評(píng)估。
圖1：利用自適應(yīng) K-means 聚類算法自動(dòng)評(píng)估化學(xué)成像。根據(jù)360萬(wàn)光譜的差異進(jìn)行組分分布分析。
引領(lǐng)變革:空間相干性抑制技術(shù)
圖2顯示了布魯克已獲得專利的空間相干性抑制技術(shù)在采集激光紅外圖像時(shí)起到的改善作用。在左側(cè)的圖a和圖c中，可以看到激光束的干涉條紋對(duì)成像結(jié)果的影響。圖像看起來很模糊，有條紋和斑點(diǎn)。右側(cè)的圖b和圖d中相干性抑制技術(shù)在光源處消除了空間相干現(xiàn)象，從而采集到無比清晰的圖像(未經(jīng)任何后期處理)。
圖2：布魯克的空間相干性抑制專利技術(shù)改善了使用QCL成像技術(shù)采集的紅外成像的質(zhì)量: 我們得到了(d)原本的紅外成像圖，而不是(c)中干擾的傷偽影、條紋和斑點(diǎn)I2，該成像未經(jīng)任何后期處理。
單波長(zhǎng)成像的優(yōu)勢(shì)
紅外激光成像與傅立葉紅外相結(jié)合，使得HYPERIONII能夠以驚人的速度，采集離散波數(shù)的詳細(xì)化學(xué)圖像。如果樣本成分已知，則用戶可以選擇只采集相關(guān)波數(shù)。
在所選的示例中，RGB圖像由三個(gè)波數(shù)創(chuàng)建而成，這使得總測(cè)量時(shí)間減少到一分鐘，進(jìn)一步提高了速度優(yōu)勢(shì)--超過兩個(gè)量級(jí)。
結(jié)果:無比清晰的成像圖
激光紅外成像是生命科學(xué)研究特別是組織分析的重要工具。結(jié)合HYPERIONII的FTR功能，它們提供了一個(gè)無所不能的全面解決方案，將生物組織成像推進(jìn)到新的階段。
HYPERION II ILIM 和樣品倉(cāng)（左）和焦點(diǎn)平面陣列成像探測(cè)器（右）
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