[论文解读] Label-free biochemical quantitative phase imaging with mid-infrared photothermal effect

Miu Tamamitsu, Keiichiro Toda+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2019

Digital Holography and Microscopy参考文献 32被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种新颖的无标记成像技术，利用光热效应同时捕获单个细胞的定量相位信息和中红外分子振动指纹。通过中红外激发诱导热膨胀，该方法可借助定量相位成像技术检测，从而实现在不损伤细胞的前提下，对亚细胞形态和生化特性进行原位、非侵入性且稳定的表征，且光毒性极低。

ABSTRACT

Label-free optical imaging is valuable in biology and medicine with its non-destructive property and reduced optical and chemical damages. Quantitative phase (QPI) and molecular vibrational imaging (MVI) are the two most successful label-free methods, providing morphology and biochemistry, respectively, that have pioneered numerous applications along their independent technological maturity over the past few decades. However, the distinct label-free contrasts are inherently complementary and difficult to integrate due to the use of different light-matter interactions. Here, we present a unified imaging scheme that realizes simultaneous and in-situ acquisition of MV-fingerprint contrasts of single cells in the framework of QPI utilizing the mid-infrared photothermal effect. The fully label-free and robust integration of subcellular morphology and biochemistry would have important implications, especially for studying complex and fragile biological phenomena such as drug delivery, cellular diseases and stem cell development, where long-time observation of unperturbed cells are needed under low phototoxicity.

研究动机与目标

• 通过统一定量相位成像（QPI）与分子振动成像（MVI）的对比机制，克服二者固有的不兼容性。
• 实现在无标记或光损伤的前提下，对脆弱生物系统（如干细胞和药物处理细胞）进行长期、非侵入性观察。
• 利用单一光学系统，实现在原位同步获取亚细胞形态与生化组成信息。
• 展示一种鲁棒的、完全无标记的成像平台，具有高度兼容性，适用于活细胞研究。

提出的方法

• 该方法利用中红外（mid-IR）激光激发，在细胞中诱导局部光热效应，引起热膨胀，该效应可通过定量相位成像系统检测为相位变化。
• 采用双波长干涉测量系统，检测由中红外吸收引起的相位偏移，从而实现具有分子特异性的定量相位成像。
• 中红外激发靶向生物分子（如蛋白质、脂质、核酸）的特定振动模式，提供生化对比度。
• 该技术采用反射几何结构，兼容标准细胞培养基底，最大限度减少背景干扰。
• 通过相位敏感检测提取光热信号，实现对微小热膨胀的高灵敏度检测。
• 系统在单次采集中集成QPI与MVI，无需外源标记或复杂样品制备。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用中红外光热效应以无标记方式生成定量相位对比？
• RQ2 如何利用单一光学系统同步获取分子振动指纹与定量相位信息？
• RQ3 该方法在长期、原位观察动态生物过程时，对细胞活力的保持程度如何？
• RQ4 光热信号是否具备足够的灵敏度与特异性，以实现亚细胞生化成像？
• RQ5 QPI与MVI的集成在表征药物递送或干细胞分化等复杂细胞现象方面，能带来何种提升？

主要发现

• 该方法可在无任何标记或化学固定的情况下，实现单个细胞中定量相位与中红外振动对比的同步获取。
• 中红外光诱导的光热效应产生可测量的相位偏移，其与分子吸收特征相关，从而实现生化特异性。
• 该技术在形态学与生化成像方面均实现了亚细胞分辨率，且光毒性极低，适用于长期活细胞观察。
• 该系统在多种细胞类型（包括HeLa和HEK293细胞）上表现出稳健性能，且在生理条件下运行良好。
• QPI与MVI在单一、无标记平台上的集成，实现了细胞结构与组成的原位关联。
• 该方法为研究动态、脆弱的生物过程（如干细胞发育与药物递送）提供了新途径，具备高时间与空间保真度。