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相干反斯托克斯拉曼散射 (CARS)簡介

更新時間:2022-02-23  |  點擊率:3845

相干反斯托克斯拉曼散射 (CARS)

相干反斯托克斯拉曼散射 (CARS) 是一種非線性四波混合過程,用于增強弱(自發(fā))拉曼信號。在 CARS 過程中,泵浦激光束(在泵浦頻率)和斯托克斯激光束(在斯托克斯)相互作用,產生一個反斯托克斯信號,頻率為CARS = 2泵浦-斯托克斯。斯托克斯光束 ( Stokes ) 通常由來自 Nd:Vanadate 激光器的 1064nm 線提供,該激光器還充當光學參量振蕩器 (OPO) 的泵浦源,而來自 OPO (680-1010nm) 的輸出充當泵梁(泵)。當泵和斯托克斯光束之間的頻率差(拍頻)與(拉曼主動)振動模式的頻率相匹配時,例如~2800 cm -1處的 CH 2對稱拉伸模式,分子振蕩器被相干驅動。這導致增強的反斯托克斯(較短波長)拉曼信號,這是提高 CARS 顯微鏡振動對比度的基礎。

圖 1:相干反斯托克斯散射 (CARS) 能量圖和實驗裝置示意圖。
CARS 顯微鏡

從 CARS 顯微鏡的發(fā)展中受益匪淺的兩個領域是細胞生物學和組織成像。通常,細胞詢問是使用熒光顯微鏡進行的。借助 CARS,可以在亞微米級進行化學特異性、無標記成像。迄今為止,CARS 顯微鏡已顯示其在活組織中的脂質代謝、細胞器轉運和藥物擴散(藥代動力學)研究中的潛力。CARS 顯微鏡也已用于臨床應用,并且已經證明了健康腦組織中腫瘤塊的快速、視頻速率成像。

圖 2:來自固定組織樣本的棕櫚酸膽固醇的 CARS 顯微鏡圖像。

左側的圖像是使用 CARS 顯微鏡實驗中常用的發(fā)射濾光片獲得的。

右側的圖像是使用 Semrock 產品 FF01-625/90 獲得的,在相同的樣本 ROI 上顯示了增強的圖像對比度。獲取這些圖像時使用了相同的激光強度和 PMT 設置

受激拉曼散射 (SRS)

在 SRS 顯微鏡中,與 CARS 顯微鏡一樣,泵浦光子和斯托克斯光子都入射到樣品上。如果頻率差SRS = pum p - Stokes匹配分子振動 ( vib) 發(fā)生振動過渡的受激激發(fā)。與 CARS 不同的是,在 SRS 中,沒有與激光激發(fā)波長不同的波長的信號。相反,泵浦波長處的散射光強度經歷受激拉損耗 (SRL),而斯托克斯波長處的散射光強度經歷受激拉增益 (SRG)。SRS 顯微鏡相對于 CARS 顯微鏡的主要優(yōu)勢在于它提供了具有改進圖像對比度的無背景化學成像,這兩者對于生物醫(yī)學成像應用都很重要,其中水代表樣品中非共振背景信號的主要來源。

圖 1:SRS 四波混頻過程的受激拉曼散射 (SRS) 能量圖(右)。無標記刺激拉獲得人類黑素細胞中脂質的成像。

表面增強拉曼散射 (SERS)

拉曼信號本質上很弱,尤其是在使用可見光激發(fā)時,因此可用于檢測的散射光子數量很少。放大弱拉曼信號的一種方法是采用表面增強拉曼散射 (SERS)。SERS 使用納米級粗糙金屬表面,通常由金 (Au) 或銀 (Ag) 制成。這些粗糙金屬納米結構的激光激發(fā)共振驅動表面電荷,產生高度局部化(等離子體)光場。當分子被吸收或靠近表面的增強場時,可以觀察到拉曼信號的大幅增強。比正常拉曼散射大幾個數量級的拉曼信號很常見,因此可以檢測低濃度 (10 -11) 無需熒光標記。當粗糙的金屬表面與與分子的吸收最大值匹配的激光結合使用時,拉曼信號可以被進一步放大。這種效應被稱為表面增強共振拉曼散射 (SERRS)

圖 1:SERS 的概念圖。

SERS 越來越多地用于各種應用,包括:

基本分析化學測試

藥物發(fā)現

法醫(yī)現場測試

檢測痕量的化學和生物威脅劑

即時 (POC) 醫(yī)療診斷設備

圖 2:SERS 示例:來自純白色念珠菌、純大腸桿菌和兩者混合物的 SERS 光譜。特征峰由陰影框表示

 

 

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