[논문 리뷰] Bond-Selective Transient Phase Microscopy

Delong Zhang, Lu Lan외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 27.

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 라벨 프리 광학 기법인 결합 선택성 임시 위상(BSTP) 현미경을 소개한다. 이 기법은 맥동 인프라레드 자극과 정량적 위상 영상 기술을 융합하여 분자 진동을 1미크론 이하의 공간 해상도와 1마이크로초 이하의 시간 해상도로 감지할 수 있다. 특정 분자 결합의 흡수 특성을 맞춤형 위상 현미경을 통해 측정한 위상 이동과 연결함으로써, 높은 스펙트럼 정밀도를 확보한 스펙트럼 영상 기술을 가능하게 하여 생물학 및 재료 과학 분야에서 파손 없이 분자 특이적인 영상 촬영을 위한 새로운 길을 열어준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 정량적 위상 현미경이 화학적 정보를 제공하지 못하는 문제를 해결하기 위해, 구조적 정보는 제공하지만 화학적 정보는 제공하지 않는 문제를 해결하고자 한다.
• 투명하고 라벨이 없는 시료에서 분자 진동 모드를 측정 가능한 광학적 위상 변화와 연결하는 방법을 개발하고자 한다.
• 생물학적 및 재료 응용 분야에서 높은 스펙트럼 정밀도, 1미크론 이하의 공간 해상도, 1마이크로초 이하의 시간 해상도를 확보한 위상 영상 기술을 구현하고자 한다.
• 외부 라벨 없이도 인프라레드 영역 내 고유한 분자 흡수 특성을 활용하여 비파괴적 스펙트럼 영상 촬영을 가능하게 하고자 한다.

제안 방법

• 특정 인프라레드 주파수(예: C-H, C=O 등)에 맞춰 조절된 맥동 펌프 레이저를 사용하여 시료 내 목표 결합을 자극한다.
• 시간 지연이 발생하는 프로브 빔을 이용해, 자극된 분자 진동으로 인해 유도된 일시적 위상 이동을 맞춤형 정량적 위상 현미경으로 측정한다.
• 현장 전체의 각 픽셀에서 위상 이동을 정량화하여 결합 특이적 동역학의 공간 해상도 감지를 가능하게 한다.
• 고속 카메라를 사용하여 1초당 50프레임의 해상도를 확보하며, 이는 센서 속도에 의해 제한된다. 이로써 일시적 위상 변화의 실시간 관찰이 가능해진다.
• 특정 분자 결합을 선택적으로 자극하기 위해 협대역, 가변 주파수 인프라레드 펄스를 사용함으로써 스펙트럼 정밀도를 유지한다.
• 분자 진동이 굴절률을 변화시켜 측정 가능한 위상 이동을 유도하며, 이는 위상 대비 영상 기술로 감지할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 투명하고 라벨이 없는 시료에서 일시적 위상 이동을 이용해 분자 진동 모드를 선택적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 맥동 인프라레드 자극을 이용한 결합 선택성 위상 영상에서 확보 가능한 공간 해상도와 시간 해상도는 어느 정도인가?
• RQ3 외부 라벨 없이 정량적 위상 현미경에서 어떻게 분자 특이성을 달성할 수 있는가?
• RQ4 일시적 위상 반응이 C-H 또는 C=O와 같은 특정 분자 결합과 어느 정도 상관관계를 가지는가?
• RQ5 이 방법을 통해 생물학적 및 재료 시스템의 실시간 비파괴 스펙트럼 영상 촬영이 가능한가?

주요 결과

• BSTP 현미경은 카메라 센서 속도에 의해 제한되며, 1미크론 이하의 공간 해상도와 1마이크로초 이하의 시간 해상도를 확보하였다.
• 가변 인프라레드 펄스를 사용하여 C-H 및 C=O 결합과 같은 분자 진동을 선택적으로 감지함으로써 높은 스펙트럼 정밀도를 입증하였다.
• 정량적 위상 이동이 분자 결합 자극과 직접적으로 상관관계를 가지며, 이로써 라벨 프리, 분자 특이적 영상 촬영이 가능해졌다.
• 1초당 50프레임의 영상 촬영이 가능하여 일시적 위상 변화의 동적 실시간 관찰이 가능해졌다.
• 고유한 분자 흡수 특성을 측정 가능한 위상 변화와 연결함으로써, 새로운 스펙트럼 위상 영상 촬영 길을 열었다.
• 생물학적 및 재료 시료에서의 검증을 통해 비파괴적, 분자 해상도 영상 촬영의 잠재력을 입증하였다.