[論文レビュー] Ultrafast Chemical Imaging by Widefield Photothermal Sensing of Infrared Absorption

Yeran Bai, Delong Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2018

Spectroscopy Techniques in Biomedical and Chemical Research参考文献 34被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、中赤外パルス吸収に起因する一時的な光熱効果を検出するためにパルス状可視光を用いる、広視野光熱感受性（WPS）顕微鏡法を紹介する。正確にタイミングを合わせた中赤外光と可視光パルスに同期した仮想ロックインカメラを用いることで、1秒間に1250フレームまで達する高フレームレート（1250 fps）で、1マイクロ秒未塔の時間分解能を達成し、1マイクロメートル未塔の空間分解能と高いスペクトル忠実度を実現する。

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.

研究の動機と目的

• 空間分解能と撮影速度の点で従来の赤外線画像化法に見られる制限を克服すること。
• 赤外線ビームの減衰を直接測定しない高スルーレットの化学画像化法を開発すること。
• 動的生物学的および材料試料のリアルタイム、ラベルフリーの化学画像化を可能にすること。
• 広視野画像化において1マイクロメートル未塔の空間分解能と1マイクロ秒未塔の時間分解能を達成すること。
• 生きた細胞およびナノスケールのポリマー膜への適用可能性を実証し、高精度な化学的特徴化を可能にすること。

提案手法

• 試料中の分子振動を励起するために、パルス状の中赤外光（mid-IR）を用いる。
• 光熱効果によって生じる局所的屈折率変化を検出するために、パルス状可視プローブビームを用いる。
• 赤外光と可視光のパルス列に同期した仮想ロックインカメラを実装し、微弱な一時的信号を抽出する。
• 赤外光と可視光のパルス間の時間遅延を1マイクロ秒未塔の精度で制御することで、高い時間分解能を達成する。
• 全視野にわたる並列取得を可能にするために、広視野照明を用いることでスルーレットを向上させる。
• 時間分解能の基本的限界としてプローブパルス幅を活用し、1マイクロ秒未塔の分解能を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広視野光熱感受性は、化学画像化において1マイクロ秒未塔の時間分解能を達成できるか？
• RQ2 超高速フレームレートで動作させても、高いスペクトル忠実度を維持できるか？
• RQ3 複雑な生物学的および材料試料において、1マイクロメートル未塔の空間特徴を解像できるか？
• RQ4 本手法は、外部ラベルを用いずに生きた細胞の動的プロセスを画像化できるか？
• RQ5 ナノメートルスケールのポリマー膜を、高い化学的特異性と空間分解能で画像化できるか？

主な発見

• WPS顕微鏡は、従来の赤外線画像化法を著しく上回る、最大1250フレーム/秒の撮影速度を達成した。
• 1マイクロメートル未塔の空間分解能が実証され、試料の微細構造的詳細の可視化が可能になった。
• システムは1マイクロ秒未塔の時間分解能を達成し、時間分解能の上限は可視プローブパルス幅に限定された。
• 高いスペクトル忠実度が維持され、化学結合や機能基の正確な同定が可能になった。
• 本手法は生きた細胞およびナノメートルスケールのポリマー膜を成功裏に画像化し、動的およびナノスケールの研究への有用性を確認した。
• 低インパルス赤外線照射量により、最小限の光傷害でラベルフリーの広視野化学画像化が可能になった。