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間。它可以在不使用染色劑的情況下，深入了解植物、動物和人類組織的生物化學成分。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，紅外顯微技術僅限用于研究。" 其原因在于必須投入大量的時間來進行光譜采集。盡管焦平面成像探測器有助于大幅縮短時間，但這項技術仍然非常耗時。
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和HYPERIONI的到來，終于迎來了轉(zhuǎn)機。由于紅外激光具有較高的能量密度，可以在很短的時間內(nèi)收集到高信噪比的光譜數(shù)據(jù)。其速度優(yōu)勢顯著，提升了幾個數(shù)量級。本應用說明詳細介紹了這項技術的應用。
有關激光紅外成像，用戶所必須了解的知識
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。紅外光譜實時成像實現(xiàn)了以視頻頓速率進行的實時化學成像，旨在找到感興趣區(qū)或跟蹤反應離散波數(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。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，但采集時間
與激光紅外成像之對比: 組織樣品
下面對比了速度最快的FT-IR成像顯微鏡(LUMOSI)與HYPERIONI激光紅外成像顯微鏡對分析組織樣品的情況。
帶 MCT 探測器的 HYPERION II 顯微鏡
使用HYPERIONII紅外激光成像比使用LUMOSIIFPAFTR測量速度快14倍以上。雖然使用紅外激光(QCL)僅可采集MIR 指紋區(qū)，但這對于HYPERIONI來說不是問題，因為它還配有FTHIR顯微鏡，可以根據(jù)需要掃描整個光譜范圍。圖1顯示了成像技術取得的另一個里程硅式進展。使用OPUS軟件的自適應K-means聚類算法，可根據(jù)原始數(shù)據(jù)自動生成紅外化學圖像。它根據(jù)光譜變化自動分析成分分布并評估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)評估。
圖1：利用自適應 K-means 聚類算法自動評估化學成像。根據(jù)360萬光譜的差異進行組分分布分析。
引領變革:空間相干性抑制技術
圖2顯示了布魯克已獲得專利的空間相干性抑制技術在采集激光紅外圖像時起到的改善作用。在左側(cè)的圖a和圖c中，可以看到激光束的干涉條紋對成像結果的影響。圖像看起來很模糊，有條紋和斑點。右側(cè)的圖b和圖d中相干性抑制技術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改善了使用QCL成像技術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I2，該成像未經(jīng)任何后期處理。
單波長成像的優(yōu)勢
紅外激光成像與傅立葉紅外相結合，使得HYPERIONII能夠以驚人的速度，采集離散波數(shù)的詳細化學圖像。如果樣本成分已知，則用戶可以選擇只采集相關波數(shù)。
在所選的示例中，RGB圖像由三個波數(shù)創(chuàng)建而成，這使得總測量時間減少到一分鐘，進一步提高了速度優(yōu)勢--超過兩個量級。
結果:無比清晰的成像圖
激光紅外成像是生命科學研究特別是組織分析的重要工具。結合HYPERIONII的FTR功能，它們提供了一個無所不能的全面解決方案，將生物組織成像推進到新的階段。
HYPERION II ILIM 和樣品倉（左）和焦點平面陣列成像探測器（右）
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