[論文レビュー] Bond-Selective Transient Phase Microscopy

Delong Zhang, Lu Lan+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2018

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques被引用数 25

ひとこと要約

本論文では、パルス状赤外励起と定量的位相イメージングを組み合わせることで、サブミクロン空間分解能およびサブマイクロ秒時間分解能で分子振動を検出する、ラベルフリーな光学的手法であるボンド選択的一時位相（BSTP）顕微鏡を紹介する。分子結合固有の吸収と、カスタム化された位相顕微鏡で測定された位相シフトを結びつけることで、高いスペクトル忠実度を実現する分光的イメージングが可能となり、生物学および材料科学分野における破壊的でない分子特異的イメージングの新たな道筋を提供する。

ABSTRACT

Phase-contrast microscopy converts the optical phase introduced by transparent, unlabeled specimens into modulation in the intensity image. Modern phase imaging techniques are capable of quantifying phase shift at each point in the field of view, enabling non-destructive applications in materials and life sciences. However, these attractive features come with the lack of molecular information. To fulfill this gap, we developed a bond-selective transient phase (BSTP) microscope using infrared absorption to excite molecular vibration, resulting in an optical phase change detected through a customized phase microscope. By using pulsed pump and probe lasers, we realized BSTP imaging with high spectral fidelity, sub-microsecond temporal resolution, submicron spatial resolution at 50 frames per second, limited only by the camera sensor. Our approach links the missing molecular bond information to the quantitative phase, which paves a new avenue for spectroscopic imaging in biology and materials science.

研究の動機と目的

• 従来の定量的位相顕微鏡には構造的情報しか提供しないが、化学的情報を得られないという欠点を克服すること。
• 透明でラベルフリーな試料において、分子振動モードと測定可能な光学的位相変化を結びつける手法を開発すること。
• 生物学的および材料応用分野において、高いスペクトル忠実度、サブミクロン空間分解能、およびサブマイクロ秒時間分解能を達成する位相イメージングを実現すること。
• 赤外領域における内在的分子吸収を活用することで、外部ラベルを用いずに破壊的でない分光的イメージングを可能とすること。

提案手法

• 特定の赤外周波数（例：C-H、C=O）に対応する分子振動に合わせてチューニングされたパルス状ポンプレーザーを用い、試料内の標的結合を励起する。
• 時間遅延を伴うプローブビームを用いて、励起された分子振動によって誘発された一時的位相シフトを、カスタム化された定量的位相顕微鏡で測定する。
• 画面上の各ピクセルで位相シフトを定量的に評価し、結合固有のダイナミクスの空間分解能検出を可能にする。
• システムは高速カメラを採用しており、センサ速度の制限により50フレーム/秒を達成し、一時的位相変化のリアルタイム観察を可能にする。
• 特定の分子結合を効果的に励起するために、狭帯域でチューナブルな赤外パルスを用いることで、スペクトル忠実度を維持する。
• 分子振動が屈折率を変化させ、それが位相コントラストイメージングで検出可能な測定可能な位相シフトを引き起こすという事実を応用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 透明でラベルフリーな試料において、一時的位相シフトを用いて分子振動モードを選択的にプローブできるか？
• RQ2 パルス状赤外励起を用いたボンド選択的位相イメージングの実現可能な空間分解能および時間分解能はどの程度か？
• RQ3 外部ラベルを用いずに、定量的位相顕微鏡で分子特異性をどのように達成できるか？
• RQ4 一時的位相応答が、C-H や C=O などの特定の分子結合とどの程度相関するか？
• RQ5 この手法は、生物学的および材料系のリアルタイムで破壊的でない分光的イメージングを可能にするか？

主な発見

• BSTP顕微鏡は、カメラセンサ速度に制限されながらも、サブミクロン空間分解能およびサブマイクロ秒時間分解能を達成した。
• チューナブルな赤外パルスを用いることで、C-H や C=O 結合のような分子振動を的確に選択的に検出でき、高いスペクトル忠実度を示した。
• 定量的位相シフトが直接的に分子結合の励起と相関しており、ラベルフリーで分子特異的なイメージングが可能となった。
• 50フレーム/秒のイメージングが可能となり、一時的位相変化の動的観察がリアルタイムで可能となった。
• 内在的分子吸収と測定可能な位相変化を効果的に結びつけることで、分光的位相イメージングの新たな道筋を提供した。
• 生物学的および材料試料の両方で手法の妥当性が検証され、破壊的でない分子分解能のイメージングへの応用可能性が示された。