Применение лазеров NKT Photonics в биовизуализации

Дата публикации: 23.10.2019 10:00

Биовизуализация

Несколько сотен лет исследования биоматериалов проводились с помощью источников белого света. Люди использовали для подсветки и возбуждения атомов вещества обыкновенные лампы накаливания или газоразрядные источники. С развитием технологий появились светодиоды и более эффективные источники подсветки. Однако и те, и другие по-прежнему имеют ограниченные пределы выходной мощности и пропускательной способности.

Отличительные свойства лазерных пучков – их высокое качество и выходная мощность. Большинство лазеров работает только на одной длине волны, добавление других диапазонов неизбежно приводит к повышению стоимости и усложнению прибора. Нужно отметить также, что набор длин волн, на которых работает лазер, всегда строго дискретен.

Суперконтинуум лазеры белого света – это сочетание широкого диапазона лампы накаливания с мощностью и стабильностью лазерного источника. Такие лазеры применяются в биофотонике с 2003 года, когда компания NKT Photonics запустила их первое массовое производство. Выходной диапазон непрерывного сигнала суперконтинуум лазеров составляет 400 – 2400 нм, с помощью фильтрации можно выделять также какую-либо одну часть спектра. Вывод с ограничением по дифракции представляет собой волокно со спектральной плотностью в несколько мВт/нм, что на много порядков выше, чем у обычных ламп. Поскольку суперконтинуум лазеры создаются из монолитного волокна, источники не требуют дополнительной юстировки и выравнивания, а также способны работать без сервисного обслуживания более 1000 часов.

Оптическая когерентная томография

Оптическая когерентная томография (ОКТ) сверхвысокого разрешения – лучший инструмент для получения микроснимков поперечного среза или 3D-визуализации объекта. Визуализация поперечного сечения и трехмерная модель образца полезны при решении многих задач: от анализа биотканей в медицине до отображения субмикронных структур в промышленности.

Принципиально метод ОКТ впервые продемонстрирован в 1991 году. Наиболее исчерпывающим считается описание технологии и приложений ОКТ, данное Дрекслером и Фудзимото. За последние 20 лет метод ОКТ обрел большую популярность в офтальмологических исследованиях. Оптическая когерентная томография – практически незаменимый инструмент при анализе роговицы и окружающих тканей.

Метод оптической когерентной томографии основан на интерференции, где свет отражается или рассеивается от исследуемого объекта, интерферируя с опорным пучком. Свет исходит от одного и того же источника света, следовательно, интерференционная картина будет наблюдаться, если разность хода пучков излучения в интерферометре находится в пределах длины когерентности оптического сигнала. Такое согласование позволяет системе распознавания различать отражения от близко расположенных отражателей, благодаря чему возможно получать изображения более высокого разрешения. Чувствительность ОКТ может быть высокой, что позволяет обнаруживать даже слабые сигналы, возникающие при подповерхностных отражениях. Таким образом, визуализация поперечного сечения испытуемого объекта может быть реализована аналогично ультразвуку, но с гораздо более высоким разрешением, можно достичь глубины изображения в ткани в несколько миллиметров.

Метод оптической когерентной томографии

Конечно, приложения ОКТ уже не ограничиваются одной только офтальмологией, ведь возможности метода по-прежнему не изучены полностью, а потому представляют большой интерес для исследователей.

Суперконтинуум лазеры SuperK от компании NKT Photonics обладают ключевыми параметрами, необходимыми для ОКТ сверхвысокого разрешения:

Широкие оптические полосы
Отличная пространственная когерентность
Высокая плотность оптической мощности

Существуют различные практические реализации ОКТ:

Пространсвенно-временная ОКТ: опорное зеркало движется, позволяя осуществлять когерентное стробирование при различных положениях глубины в плече. Подобная реализация была первой, однако по-прежнему является актуальной, например, для ОКТ полного поля, где интерференционная картина для полного двумерного массива обнаруживается одновременно с помощью двумерной матрицы детекторов (например, CCD или CMOS).

Спектральная ОКТ, также известная как Фурье ОКТ: опорное зеркало фиксируется, интерференционная картина обнаруживается спектрально и преобразуется в пространственную информацию с помощью преобразования Фурье. Спектральная реализация ОКТ делится на:

OКT на основе спектрометра, где широкополосный источник (например, источник SuperK от компании NKT Photonics) используется для генерации интерференционного спектра, который обнаруживается с помощью высокоскоростного спектрометра, обычно с несколькими тысячами пикселей и оптическим разрешением менее 1 нм.

OКT с перестраиваемым источником, где перестраиваемый источник быстро сканирует соответствующий спектральный диапазон, спектральный отклик интерферометра обнаруживается отдельным или сбалансированным детектором.

У каждого из этих методов есть свои преимущества и недостатки, которые делают их более или менее актуальными для конкретных применений.

Источники SuperK от компании NKT Photonics могут использоваться во всех вышеперечисленных реализациях.

Микроскопия, основанная на эффекте вынужденного подавления флуоресценции

Флуоресцентная микроскопия относится к неинвазивным методам выборочного анализа компонентов клеток. Снимки, полученные данным методом, отличаются высоким контрастом.

Однако разрешение обычных микроскопов довольно мало из-за дифракционного предела, и в последние десятилетия актуальной задачей являлся обход этого ограничения. Опыты показали, что наиболее эффективен метод включения и выключения отдельных флуорофоров – использование структурированного освещения, оптической флуктуации, либо создание условий для истощения возбужденных хромофоров в объеме.

В 1994 году Стефан В. Хелл представил краткий обзор метода флуоресцентной микроскопии. Лазеры SuperK и Onefive KATANA HP от компании NKT Photonics – идеальные инструменты для реализации гибкого импульсного возбуждения, также с помощью них легко осуществляется одновременное истощение хромофоров, возбуждаемых видимым излучением и излучением из ближнего ИК диапазона.

Флуоресцентная микроскопия широко используется для исследования люминесцентных образцов с высоким пространственным разрешением, намного ниже дифракционного предела, в областях биологии, медицины и материаловедения. Поэтому в конфокальном лазерном сканирующем микроскопе образец возбуждается импульсным лазером с дифракционно-ограниченным пучком, за которым следует второй лазерный импульс с распределением интенсивности в форме кольца, который смещен в красную область относительно спектра излучения хромофора. Это приводит к подавлению внешнего кольца конфокального объема возбуждения. Поэтому оставшаяся флуоресценция после подавляющего импульса испускается только из сжатой области в центре объема возбуждения.

Принцип флуоресцентной микроскопии: возбуждение дифракционно-ограниченным пучком (слева), подавляющий кольцевой пучок (в середине), сигнал флуоресценции со сверхразрешением после подавления (справа)

Временное поведение флуоресцентного сигнала: от центрального минимума кольца (сверху), внутри подавленной области в кольце (снизу)

Суперконтинуум лазеры SuperK от компании NKT Photonics обеспечивают непрерывный спектр в видимом и ближнем ИК диапазонах и обладают отличным одномодовым профилем пучка (M² < 1.1) и пикосекундной длительностью импульса. В сочетании с фильтрами он может быть преобразован в перестраиваемый лазерный источник, позволяющий оптимизировать возбуждение каждого хромофора, поглощающего в видимой и ближней ИК областях спектра.

Многолинейное пропускание света суперконтинуум лазера SuperK через фильтр SuperK SELECT от компании NKT Photonics

Лазеры Onefive KATANA HP от компании NKT Photonics доступны с различными длинами волн в видимом и ближнем ИК спектральном диапазоне и обеспечивают высокую энергию импульса при пикосекундной длительности импульса. Эти характеристики делают их идеальными источниками для реализации подавления во флуоресцентной микроскопии.

Спектральная плотность мощности SuperK EXTREME EXW-12 (синяя), доступная длина волны для лазеров Onefive KATANA HP (красная)

В дополнение к использованию надлежащей комбинации длин волн и уровней мощности лазера во флуоресцентной микроскопии также важно точно регулировать лазерные импульсы возбуждения и подавления для синхронизации эффективного подавления возбужденных хромофоров в начале каждого цикла флуоресценции.

Регулировка импульсов возбуждения и подавления для оптимизации подавления и получения лучшего разрешения

В эксперименте разрешение в основном ограничено фотофизикой используемого хромофора. В этом причина быстрого развития новых флуоресцентных меток. Следовательно, гибкость суперконтинуум лазера для свободного выбора длины волны возбуждения помогает подготовиться к появлению меток в видимой и ближней ИК областях спектра.

Комбинация платформы SuperK с семейством лазеров Onefive KATANA HP от компании NKT Photonics становится готовым решением для наиболее гибкого и модульного внедрения в проведение исследований флуоресцентной микроскопии.

Исследование компонентов клеток

Специализированные супреконтиннум лазеры также могут быть применены для подсветки малых компонентов (вплоть до клеточного уровня).

К методам селективного гистологического анализа также относятся:

Конфокальная микроскопия
Флуоресцентная микроскопия времени жизни / анализ передачи энергии флуоресцентного резонанса
Одномолекульная спектроскопия
ОКТ (в гистологии)
Синтез углеводродов
Флуоресцентная микроскопия
Проточная цитометрия
Мультифотонное возбуждение
Cпектроскопия когерентного антистоксова рамановского рассеяния

Доклинические исследования / визуализация мелких животных

Доклиническая визуализация – это визуализация в основном живых мелких лабораторных животных, наблюдение за изменениями на уровне органов, тканей, клеток или молекул у животных, реагирующих на физиологические изменения или изменения окружающей среды. Этот метод важен для исследовательских целей, например, при разработке лекарств, и по-прежнему остается ключевым в фармакологии.

Офтальмологическая визуализация

Офтальмологическая визуализация является разделом офтальмологии. С помощью данного метода изучается анатомия глаза, физиология, а также с высокой точностью диагностируются многие заболевания.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции NKT Photonics на территории РФ

Новые статьи

Характеристика свойств субхондральной кости человека с помощью спектроскопии в ближней инфракрасной области (БИК)

Дегенеративные заболевания суставов часто характеризуются изменениями свойств суставного хряща и субхондральной кости. Эти изменения часто связаны с толщиной субхондральной пластинки и морфологией трабекулярной кости. Таким образом, оценка целостности субхондральной кости может дать важные сведения для диагностики патологий суставов. В данном исследовании изучается потенциал оптической спектроскопии для характеристики свойств субхондральной кости человека. Образцы остеохондральной кости (n = 50 – количество образцов) были извлечены из коленного сустава трупа человека (n = 13) в четырех анатомических точках и подвергнуты БИК-спектроскопии(в ближней инфракрасной области). Затем образцы были исследованы с помощью микрокомпьютерной томографии для определения морфометрических характеристик субхондральной кости, включая: толщину пластинки (Sb.Th), толщину трабекул (Tb.Th), объемную долю (BV/TV) и индекс модели структуры (SMI). Связь между свойствами субхондральной кости и спектральными данными в 1-м (650 - 950 нм), 2-м (1100 - 1350 нм) и 3-м (1600-1870 нм) оптических окнах была исследована с помощью многомерного метода частичных наименьших квадратов (PLS) регрессии. Значимые корреляции (p < 0.0001) и относительно низкие ошибки прогнозирования были получены между спектральными данными в 1-м оптическом окне и Sb.Th (R²= 92.3%, ошибка = 7.1%), Tb.Th (R²= 88.4%, ошибка = 6.7%), BV/TV (R²= 83%, ошибка = 9.8%) и SMI (R²= 79.7%, ошибка = 10.8%). Таким образом, БИК-спектроскопия в 1-м тканевом оптическом окне способна характеризовать и оценивать свойства субхондральной кости и потенциально может быть адаптирована во время артроскопии.

Моделирование нервного волокна на основе оптического волновода

Миелинизированные аксоны являются многообещающими кандидатами для передачи нервных сигналов и света ввиду их волноводных структур. С другой стороны, с появлением таких заболеваний, как рассеянный склероз и нарушений формирования и передачи нервных сигналов из-за демиелинизации, понимание свойств миелинизированного аксона как волновода приобретает большую важность. Настоящее исследование направлено на то, чтобы показать, что профиль показателя преломления (ПП) миелинизированного аксона играет существенную роль в передаче лучей в нем.

Оптимизация обнаружения сверхслабых световых потоков

В ходе исследования, описанного в данной статье, были объединены статистическая модель, анализ шумов детектора и эксперименты по калибровке. Согласно результатам, видимый свет может быть обнаружен с помощью ПЗС камеры с электронным умножителем с соотношением сигнал/шум, равным 3, для потоков с количеством фотонов менее 30 фотонов с⁻¹ см⁻².

Диагностика импульсного плазменного потока

Импульсные плазменные потоки в плазменных ускорителях широко используются для решения ряда научных и практических задач. Особый интерес среди применений импульсных плазменных потоков представляют термоядерный синтез и астрофизические исследования, например, экспериментальное исследование взаимодействия импульсного плазменного потока с материалами.

Полные высокопроизводительные настольные системы сканирования HSI PUSH-BROOM

Применение гиперспектральной визуализации заметно расширилось за последние годы. Тем не менее, остается общая проблема, а именно: предоставление полного интегрированного решения для фиксации 2-D гиперспектральных изображений в компактном настольном формате, которое предоставляет подробную спектральную информацию для определения компонентов, количества и их распределения в плоскости сканирования.

Автофлуоресцентная микроскопия — идентификация бактериальных сигналов на образцах горных пород

Распространенным методом обнаружения микробов в жидких и нежидких образцах является окрашивание флуоресцентными красителями, при котором образцы окрашиваются флуорофором, возбуждаемым фотонами от источника света. Флуорофоры — это молекулы, которые проявляют флуоресценцию, и могут быть биомолекулами естественного происхождения (в этом случае флуоресценция называется автофлуоресценцией), флуоресцентными красителями (синтезированными молекулами) или минералами. Конкретные применения красителей включают обнаружение и перечисление бактерий, визуализацию экспрессии генов и обнаружение биомолекул, которые иначе невозможно было бы отследить.