[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出宽场光热传感（WPS）显微技术，这是一种新型红外化学成像方法，利用脉冲可见光检测中红外脉冲吸收引起的瞬态光热效应。通过将虚拟锁相相机与精确同步的红外和可见光脉冲配合，该方法实现了亚微秒级时间分辨率，能够在高达1250帧/秒的速度下实现亚微米空间分辨率和高光谱保真度的超快化学成像。

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.

研究动机与目标

• 克服传统红外成像在空间分辨率和成像速度方面的局限性。
• 开发一种高通量的化学成像方法，避免直接测量红外光束的衰减。
• 实现实时、无标记的动态生物和材料样品的化学成像。
• 在宽场成像中实现亚微米空间分辨率和亚微秒时间分辨率。
• 证明该技术在活细胞和纳米尺度聚合物薄膜中进行高保真化学表征的适用性。

提出的方法

• 利用脉冲中红外（mid-IR）光激发样品中的分子振动，引发瞬态光热效应。
• 采用脉冲可见光探测束，感知由光热效应引起的局部折射率变化。
• 实施与红外和可见光脉冲列同步的虚拟锁相相机，以提取微弱的瞬态信号。
• 以亚微秒级精度控制红外与可见光脉冲之间的时间延迟，实现高时间分辨率。
• 采用宽场照明，实现在整个视场内的并行采集，提升通量。
• 利用探测脉冲宽度作为时间分辨率的基本极限，实现亚微秒级分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 宽场光热传感能否在化学成像中实现亚微秒级时间分辨率？
• RQ2 该方法在超高速帧率下能否保持高光谱保真度？
• RQ3 该技术能否分辨复杂生物和材料样品中的亚微米空间特征？
• RQ4 该方法能否在无需外源标记的情况下对活细胞中的动态过程进行成像？
• RQ5 该系统能否以高化学特异性和空间分辨率对纳米尺度聚合物薄膜进行成像？

主要发现

• WPS显微镜实现了高达1250帧/秒的成像速度，显著超过传统红外成像方法。
• 实现了亚微米空间分辨率，能够清晰呈现样品的精细结构细节。
• 系统实现了亚微秒时间分辨率，其极限仅由可见光探测脉冲宽度决定。
• 保持了高光谱保真度，可准确识别化学键和官能团。
• 该技术成功实现了对活细胞和纳米尺度聚合物薄膜的成像，证实其在动态和纳米尺度研究中的实用性。
• 该方法实现了无标记、宽场化学成像，且由于每帧红外曝光量极低，光损伤极小。