Som en markørløs avbildningsteknikk har multimodal ikke-lineær optisk avbildning (NLOI) blitt et kraftig verktøy for kreftevaluering. For å unngå bevegelsesartefakter og optisk skade forbundet med multimodal NLOI, er en løsning å bruke en enkelt ultrarask laser som en eksitasjonskilde kombinert med flere deteksjonskanaler for å samle signaler fra forskjellige modaliteter for å observere forskjellige biomolekyler. I dette tilfellet kan imidlertid ikke hver modus optimaliseres uavhengig, og en passende eksitasjonskilde er nødvendig for å eksitere alle NLOI-moduser. Merkefri spontan fluorescens multiplekset (SLAM) mikroskopi, med eksitasjonsbølgelengden satt til 1110 nm, muliggjør samtidig innsamling av signaler fra fire moduser under en enkelt eksitasjonsbetingelse gjennom forskjellige signaldeteksjonskanaler, og oppnår to-foton fluorescens (2PAF) for FAD , tre-foton fluorescens (3PAF) for NADH, to-oktav frekvens (SHG) for kollagene strukturer, og tre-oktav frekvens (THG) for brytningsindeks mutasjonen. frekvens (THG) signaler ved brytningsindeksmutasjoner. For tiden må de fleste lyskildene som brukes til å drive SLAM-mikroskoper koble ultrakorte pulser inn i fotoniske krystallfibre eller krystaller for å oppnå bølgelengdekonvertering, som innebærer høye kostnader, stort fotavtrykk, komplisert drift og manglende evne til langtidsstabil drift.
To address the above problems and difficulties, the L07 group of Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences/Beijing National Research Center for Condensed Matter Physics (NRCP), based on many years of research on ultrafast fiber lasers, proposed a Yb-doped fiber laser with dual management of pre-chirp and gain, and finally obtained a pulse with a wavelength of 1110 nm, an energy of more than 90 nJ, a pulse width of 34 fs, and peak power of close to 3 MW, by finely adjusting the input energy and pre-chirp. With a wavelength of >90nJ, en pulsbredde på 34fs, og en toppeffekt på nesten 3MW, er lyskilden kompakt og stabil samtidig som den oppnår utmerket pulskvalitet for å drive SLAM-mikroskoper for medisinsk bildebehandling.
Figur 1 viser skjematisk diagram av det ytterbium-dopte fiberlasersystemet med pre-chirp og forsterkningsdobbel styring. Den består av en frøkilde, pre-amplifikasjonsmodul, pre-chirp-modul, gain-managed amplification (GMA)-modul og kompresjonsmodul. Frøkilden gir en frøpuls med en senterbølgelengde på 1040 nm, en pulsenergi på 0,2 nJ og en repetisjonsfrekvens på 43 MHz. Frøpulsen forhåndsforsterkes av en 40 cm lang Yb-dopet fiber, og et par gitter plasseres foran GMA-modulen for å introdusere dispersjon, og en negativ eller positiv pre-chirp legges til den forhåndsforsterkede utgangen puls ved å justere ristavstanden. Ytterligere pre-chirped pulser forsterkes i en 3,1 m lang Yb-dopet fiber for gain management. Den andre forsterkede pulsen komprimeres gjennom et annet par overføringsgitter. Effekten av disse parameterne på pulskompresjonskvaliteten utforskes ved å finjustere inngangsenergien og pre-chirp, og de eksperimentelle resultatene er vist i fig. 2 og 3, som viser at pulser med høy kompresjonskvalitet kan produseres ved en rekke pumpeeffekter, inngangsenergi og passende negativ chirp. Når pumpeeffekten er 9 W, er inngangspulsenergien 0,6 nJ, og pre-chirpen er -36000 fs2, en puls med en senterbølgelengde på 1110 nm, en pulsbredde på 34 fs, en energi på 92,2 nJ, og det oppnås en toppeffekt på nær 3 MW, noe som egner seg meget godt til å drive SLAM-mikroskoper for medisinsk avbildning.
Bilde Fig. 2. Effekt av forskjellige inngangspulsenergier på GMA-pulskompresjon ved en pumpeeffekt på 9 W og en pre-chirp på -36000 fs2. (a) Kompresjonspulsbredde og Strehl-forhold ved forskjellige inngangsenergier. (b) Utgangsspektre ved forskjellige inngangsenergier. (c) Rød kurve: målt autokorrelasjonsbane for den komprimerte pulsen, svart kurve: autokorrelasjonsbane for den transformerte grensepulsen oppnådd ved spektralberegning
Fig. 3. Effekt av forskjellige pre-chirps på GMA-pulskompresjon for en inngangspulsenergi på 0,6 nJ og en pumpeeffekt på 9 W. Resultatene er oppsummert som følger (a) Komprimert pulspulsbredde og Strehl-forhold for forskjellige pre-chirps. (b) Utgangsspektra ved forskjellige pre-chirps. (c) Rød kurve: målt autokorrelasjonsbane for den komprimerte pulsen, svart kurve: autokorrelasjonsbane for den transformerte grensepulsen oppnådd ved spektralberegning.
Teamet brukte denne ultraraske lyskilden for å studere tumorpatologi i forskjellige vev, inkludert intestinalt adenokarsinom, lungeadenokarsinom og levervev, for samtidig å avbilde cellulære og ekstracellulære komponenter ved hjelp av SLAM-teknikk. Et SLAM-bilde av intestinalt adenokarsinomvev er vist i figur 4, der grønt indikerer SHG, magenta indikerer THG, gult indikerer 2PEF, og blått indikerer 3PEF. SLAM-avbildning kan gi mye rikere celle- og vevsdetaljer enn konvensjonelle H&E-fargede bilder, som kan bidra til å forstå endringene av biokomponenter i både svulster og normalt vev, og å søke etter biomarkører for kreftdiagnose og prognose.
Bilde Figur 4. (a) SHG/THG/2PEF/3PEF-avbildning av intestinalt adenokarsinomvev. Ulike områder av interesse forstørres i (c) - (e) (hvite stiplede firkanter). (b) Tilsvarende H&E-fargingsbilder. (c) 2PEF/3PEF-avbildning av normalt tarmslimhinnevev. (d) SHG/THG-avbildning av normalt tarmslimhinnevev. (e) SHG-avbildning av interstitielle fibre og fettvakuoler, rød pil: tarmkjertel, blå pil: basalmembran, grønn pil: slim utskilt av koppceller, hvit pil: makrofag, gul pil: interstitielle fibre, lilla pil: fettvakuoler. Målestokk: 200 μm
Totalt sett oppnådde forskerteamet høykvalitets ultrarask pulsgenerering gjennom utviklingen av en forhånds-kvitret og forsterket dobbeltstyrt Yb-dopet fiberlaser, som ble brukt på SLAM-avbildning, en teknikk som kan gi rikere cellulære og vevsdetaljer som kan hjelpe til med onkopatologiske studier og kreftdiagnose. I tillegg er den ultraraske lyskilden kompakt og robust, noe som gjør den ideell for bruk i en klinisk setting for rask og omfattende evaluering av ulike fysiologiske og patologiske prosesser. De innovative resultatene av denne studien forventes å fremme feltet medisinsk diagnostikk og terapeutikk ved å gi mer nøyaktig og omfattende informasjon for kreftdiagnose, effektvurdering og individualisert behandling. Ettersom teknologien fortsetter å utvikle seg og bli optimalisert, forventes SLAM-avbildning å spille en viktigere rolle i klinisk praksis i fremtiden. Enheten og kjerneenheten knyttet til dette fremskrittet har blitt søkt for nasjonale oppfinnelsespatenter.
Resultatene ble publisert i en fersk utgave av Biomedical Optics Express, et tidsskrift fra Optical Society of America (10.1364/BOE.506915), og den første forfatteren av artikkelen er Yuting Xing, en doktorgradsstudent under veiledning av forskeren Guoqing Chang.
Dette arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China (tilskudd nr. 92250307, 62227822 og 62175255) og programmet for utvikling av viktige instrumenter til det kinesiske vitenskapsakademiet (tilskudd nr. YJKYYQ20190034). Forsker Guoqing Chang og Dr. Yaobing Chen fra Wuhan Tongji sykehus var de tilsvarende forfatterne, og doktorgradsstudentene Runshi Chen, Lihao Zhang, Yang Liu, Xinzai Diao og forsker Shu Zhang fra Wuhan Tongji sykehus, prof. Yishi Shi og forsker Zhiyi Wei fra universitetet fra Chinese Academy of Sciences var også involvert i utformingen og diskusjonen av dette arbeidet.
