Авторами была разработана и продемонстрирована новая методика для высокопроизводительной параллельной записи полных спектров комбинационного рассеяния света (Рамановских спектров) от двумерного массива оптически захваченных частиц. Ключевым компонентом, обеспечивающим реализацию этого подхода, выступил пространственный световой модулятор (SLM). Лазерный пучок с длиной волны 785 нм направлялся на SLM, который, будучи запрограммированным с помощью алгоритма Гершберга-Сакстона, использовался для модуляции фазы падающего света для генерации голографического массива оптических пинцетов. В отличие от методов сканирования одним лучом, использование SLM позволило создать статичный двумерный массив из множества фокусов (в данной работе 4x5), одновременно и стабильно удерживающих частицы, что критически важно для длительных измерений и работы с живыми клетками.
Применение модуляции лазерного излучения и оптического пинцета для получения спектров рамановского сигнала
Сформированные SLM ловушки захватывали частицы полистирола и PMMA в водной среде. Возникающие от каждого фокуса рамановские сигналы одновременно проектировались в спектрометр, оснащенный многощелевой маской и ПЗС-камерой. Схема экспериментальной установки показана на Рисунке 1.
Рисунок 1. Схематичное изображение экспериментальной установки по измерению рамановских спектров от массива частиц.
В представленной работе использована экспериментальная схема, основанная на технологии быстро модулируемой многофокусной детекции для параллельного получения полных спектров комбинационного рассеяния света от двумерного массива оптически захваченных частиц. Ключевым элементом установки выступает пространственный световой модулятор (SLM) от Boulder Nonlinear Systems, который формирует голографические оптические пинцеты в виде двумерного массива. Лазерное излучение с длиной волны 785 нм и максимальной мощностью 1 Вт от диодного лазера Sacher Lasertechnik проходит через SLM, где модулируется по фазе с применением алгоритма Гершберга-Сакстона. Модулированный пучок направляется через дихроичное зеркало в иммерсионный объектив Olympus с увеличением 60X и числовой апертурой 1.2, создавая в образце стабильный массив оптических ловушек с средней мощностью на каждый фокус 5.5 мВт.
Для детекции Рамановских сигналов используется схема с многощелевой маской производства HTA Photomask, установленной на входе спектрометра Princeton Instruments LS78S. Маска состоит из пяти щелей шириной 100 мкм с межосевым расстоянием 350 мкм, что обеспечивает конфокальное детектирование и снижение фонового сигнала. Регистрация спектральных изображений осуществляется с помощью ПЗС-камеры PIXIS 100BR от Princeton Instruments, охлаждаемой термоэлектрическим элементом.
Из-за требования высокой спектральной разрешающей способности и широкого спектрального покрытия спектры от частиц, расположенных в одной строке массива, неизбежно накладывались друг на друга в горизонтальном направлении на детекторе. Для преодоления этого ограничения авторы установили в оптический путь детекции колесо фильтров на моторизированном вращателе Thorlabs FW102W. Набор из пяти масок был напечатанных на 3D-принтере UP! Start Plus v1.1s. Каждая маска блокировала Рамановский сигнал от одного определенного столбца частиц в массиве. Последовательно устанавливая эти маски, система регистрировала пять различных суперпозиций спектров. Изучаемый авторами массив частиц и полученные спектры рамановского сигнала показаны на Рисунке 2. Синхронизация переключения масок и захвата изображения осуществляется специализированной программой на платформе MATLAB.
Рисунок 2. Модулированное многофокусное детектирование для реконструкции индивидуальных спектров Рамана.
Собранные данные обрабатывались с помощью специально разработанного алгоритма, который решал систему линейных уравнений, позволяя восстановить индивидуальный спектр каждой частицы из набора перекрывающихся измерений без какого-либо перекрестного влияния (кросс-тока).
Для калибровки спектрометра использовались полистироловые микросферы диаметром 3.0 мкм от Duke Scientific Corporation и частицы полиметилметакрилата диаметром 1.14 мкм от Bangs Laboratories, Inc., помещенные в камеру Attofluor с кварцевым покровным стеклом.
Представленная схема демонстрирует возможность одновременного получения 20 индивидуальных Рамановских спектров с пространственным разрешением 5 см⁻¹/пиксель в спектральном диапазоне 200-2300 см⁻¹ и временем экспозиции 2 секунды на каждую маску, что в совокупности обеспечивает 4-кратное увеличение сигнала и улучшение отношения сигнал/шум в 1.5 раза по сравнению с традиционными методами.
Выводы
Разработанный авторами метод быстро модулируемой многофокусной детекции представляет собой качественный скачок в развитии лазерной пинцетной Рамановской спектроскопии. Ключевым достижением авторов является предложенный метод основанный на комбинации пространственного светового модулятора для создания стабильных двумерных оптических ловушек и оригинальной системы модуляции детекции с математической реконструкцией индивидуальных спектров. Этот подход не только позволяет одновременно регистрировать полные рамановские спектры от десятков частиц с сохранением высокого спектрального разрешения, но и обеспечивает 4-кратное увеличение сигнала при улучшении отношения сигнал/шум в 1.5 раза. Метод демонстрирует потенциал для масштабирования до 100 и более фокусов, открывая новые возможности для высокопроизводительного анализа в биомедицинских исследованиях и гиперспектральной микроскопии.
*На основе работы https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ac5012188
Компания INSCIENCE занимается поставкой решений в области фотоники и оптики. Ознакомиться с каталогом решений можно на сайте INSCIENCE.
Для подбора оптимальной конфигурации под Ваши задачи воспользуйтесь кнопкой запроса.