[논문 리뷰] Ultrafast Chemical Imaging by Widefield Photothermal Sensing of Infrared Absorption

Yeran Bai, Delong Zhang외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 18.

Spectroscopy Techniques in Biomedical and Chemical Research참고 문헌 34인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 펄스형 가시광선을 사용해 중간 적외선 펄스 흡수로 인한 일시적인 광열 효과를 감지하는 새로운 적외선 화학 영상 기술인 광역 광열 감지(와이드필드 포토열 센싱, WPS) 현미경을 소개한다. 정밀하게 시간 조절된 적외선과 가시광선 펄스와 동기화된 가상 락인 카메라를 통해, 이 방법은 1초당 1250 프레임까지의 초고속 화학 영상과 함께, 1초당 1250 프레임의 초고속 영상, 1미크론 이하의 공간 해상도 및 높은 스펙트럼 정밀도를 실현한다.

ABSTRACT

Infrared (IR) imaging has become a viable tool for visualizing various chemical bonds in a specimen. The performance, however, is limited in terms of spatial resolution and imaging speed. Here, instead of measuring the loss of the IR beam, we utilize a pulsed visible light for a high-throughput, widefield sensing of the transient photothermal effect induced by absorption of single mid-IR pulses. To extract such transient signals, we built a virtual lock-in camera synchronized to the visible probe and IR light pulses with precisely-controlled delays, allowing sub-microsecond temporal resolution determined by the probe pulse width. Our widefield photothermal sensing (WPS) microscope enabled chemical imaging at a speed up to 1250 frames per second, with high spectral fidelity, and offering sub-micron spatial resolution. With the capability of imaging living cells and nanometer-scale polymer films, WPS microscopy opens a new way for high-throughput characterization of biological and material specimens.

연구 동기 및 목표

• 공통적인 적외선 영상 기술의 공간 해상도 및 영상 속도에 한계를 극복하기 위해.
• 직접적인 적외선 빛의 감쇠 측정을 피하는 고처리량 화학 영상 방법을 개발하기 위해.
• 동적 생물학적 및 물질 표본에 대한 실시간, 레이블 프리 화학 영상 가능하게 하기 위해.
• 광역 영상에서 1미크론 이하의 공간 해상도와 1마이크로초 이하의 시간 해상도를 달성하기 위해.
• 생체세포 및 나노스케일 폴리머 필름에 대한 고정밀 화학 특성 분석에 적용 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 표본 내 분자의 진동을 자극하기 위해 펄스형 중간 적외선(중간 IR) 빛을 사용하여 일시적인 광열 효과를 유도한다.
• 광열 효과로 인한 국소 굴절률 변화를 감지하기 위해 펄스형 가시광선 프로브 빛을 활용한다.
• 약한 일시적 신호를 추출하기 위해 적외선 및 가시광선 펄스 열과 동기화된 가상 락인 카메라를 구현한다.
• 적외선과 가시광선 펄스 간의 시간 지연을 1마이크로초 이내의 정밀도로 제어하여 고시간 해상도를 달성한다.
• 전체 시야에서 병렬적으로 데이터를 확보함으로써 처리량을 향상시키기 위해 광역 조명을 활용한다.
• 프로브 펄스의 너비를 시간 해상도의 기본 한계로 삼아 1마이크로초 이하의 해상도를 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광역 광열 감지 기술이 화학 영상에서 1마이크로초 이하의 시간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 초고속 프레임 속도에서 작동할 때도 높은 스펙트럼 정밀도를 유지할 수 있는가?
• RQ3 복잡한 생물학적 및 물질 표본에서 1미크론 이하의 공간 특징을 해상할 수 있는가?
• RQ4 외부 레이블 없이 살아있는 세포의 동적 과정을 영상으로 촬영할 수 있는가?
• RQ5 높은 화학 특이성과 공간 해상도로 나노미터 수준의 폴리머 필름을 영상 촬영할 수 있는가?

주요 결과

• WPS 현미경은 기존의 적외선 영상 기술보다 뛰어난 1초당 최대 1250 프레임의 영상 속도를 달성했다.
• 1미크론 이하의 공간 해상도가 입증되어 표본의 미세한 구조적 세부 사항을 시각화할 수 있었다.
• 시스템은 1마이크로초 이하의 시간 해상도를 확보했으며, 이는 가시광선 프로브 펄스 너비에 의해 결정되는 한계에만 국한되었다.
• 높은 스펙트럼 정밀도가 유지되어 화학 결합 및 기능기의 정확한 식별이 가능했다.
• 생체세포 및 나노미터 수준의 폴리머 필름 영상 촬영에 성공하여, 이 기술이 동적 및 나노스케일 연구에 유용함을 확인했다.
• 낮은 프레임당 적외선 노출로 인해 광손상이 최소화되는 바탕으로, 레이블 프리 광역 화학 영상이 가능했다.