[论文解读] Bond-Selective Transient Phase Microscopy

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

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques被引用 25

一句话总结

本文提出了一种无标记的光学技术——键选择性瞬态相位（BSTP）显微镜，该技术结合脉冲红外激发与定量相位成像，可实现亚微米空间分辨率和亚微秒时间分辨率，用于检测分子振动。通过将分子键特异性吸收与定制相位显微镜测得的相位移关联，该方法实现了高光谱保真度的光谱成像，为生物学和材料科学中的非破坏性、分子特异性成像提供了新途径。

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.

研究动机与目标

• 为克服传统定量相位显微镜缺乏分子特异性的问题，后者仅提供结构信息而无化学信息。
• 开发一种将分子振动模式与透明、未标记样品中的可测量光学相位变化关联的方法。
• 在生物和材料应用中实现高光谱保真度、亚微米空间分辨率和亚微秒时间分辨率的相位成像。
• 通过利用红外波段的内在分子吸收，实现无需外源标记的非破坏性光谱成像。

提出的方法

• 该方法使用波长调谐至对应于分子振动（如C-H、C=O）的特定红外频率的脉冲泵浦激光，激发样品中的目标化学键。
• 采用时间延迟的探测光束，利用定制的定量相位显微镜测量由激发分子振动引起的瞬态相位移。
• 在视场内每个像素处量化相位移，从而实现对键特异性动力学的空间分辨检测。
• 系统采用高速相机实现每秒50帧的成像速率，受限于传感器速度，可实现实时观察瞬态相位变化。
• 通过使用窄带可调谐红外脉冲，保持光谱保真度，选择性激发特定分子键。
• 该技术利用分子振动改变折射率，从而引起可检测的相位移，可通过相位对比成像技术探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过瞬态相位移在透明、未标记样品中选择性探测分子振动模式？
• RQ2 使用脉冲红外激发进行键选择性相位成像，其可实现的空间和时间分辨率如何？
• RQ3 如何在不使用外源标记的情况下，实现定量相位显微镜中的分子特异性？
• RQ4 瞬态相位响应在多大程度上与特定分子键（如C-H或C=O）相关？
• RQ5 该方法能否实现实时、非破坏性的生物和材料体系光谱成像？

主要发现

• BSTP显微镜实现了亚微米空间分辨率和亚微秒时间分辨率，仅受限于相机传感器速度。
• 通过使用可调谐红外脉冲选择性检测C-H和C=O等分子振动，系统展示了高光谱保真度。
• 定量相位移与分子键激发直接相关，实现了无标记、分子特异性的成像。
• 该技术实现了每秒50帧的成像速率，可实现实时动态观察瞬态相位变化。
• 该方法成功将内在分子吸收与可测量相位变化关联，为光谱相位成像提供了新途径。
• 该方法在生物和材料样品上均得到验证，展示了其在非破坏性、分子分辨成像方面的潜力。