Som en markörlös avbildningsteknik har multimodal icke-linjär optisk avbildning (NLOI) blivit ett kraftfullt verktyg för cancerutvärdering. För att undvika rörelseartefakter och optisk skada associerad med multimodal NLOI, är en lösning att använda en enda ultrasnabb laser som en excitationskälla kombinerat med flera detektionskanaler för att samla in signaler från olika modaliteter för att observera olika biomolekyler. I detta fall kan dock inte varje läge optimeras oberoende och en lämplig exciteringskälla behövs för att excitera alla NLOI-lägen. Märkningsfri spontan fluorescensmultiplex (SLAM) mikroskopi, med excitationsvåglängden inställd på 1110 nm, möjliggör samtidig insamling av signaler från fyra lägen under ett enda excitationsförhållande genom olika signaldetektionskanaler, och förvärvar två-fotonfluorescens (2PAF) för FAD 3-fotonfluorescens (3PAF) för NADH, tvåoktavfrekvens (SHG) för kollagenstrukturer och treoktavfrekvens (THG) för brytningsindexmutationen. frekvens (THG) signaler vid brytningsindexmutationer. För närvarande behöver de flesta av ljuskällorna som används för att driva SLAM-mikroskop koppla ultrakorta pulser till fotoniska kristallfibrer eller kristaller för att uppnå våglängdsomvandling, vilket innebär höga kostnader, stort fotavtryck, komplicerad drift och oförmågan till långtidsstabil 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 pulsbredd på 34fs och en toppeffekt på nästan 3MW, är ljuskällan kompakt och stabil samtidigt som den uppnår utmärkt pulskvalitet för att driva SLAM-mikroskop för medicinsk bildbehandling.
Figur 1 visar det schematiska diagrammet över det ytterbiumdopade fiberlasersystemet med för-chirp och dubbel hantering. Den består av en frökälla, pre-amplifieringsmodul, pre-chirp-modul, gain-managed amplification (GMA)-modul och kompressionsmodul. Frökällan ger en fröpuls med en centrumvåglängd på 1040 nm, en pulsenergi på 0,2 nJ och en repetitionsfrekvens på 43 MHz. Fröpulsen förförstärks av en 40 cm lång Yb-dopad fiber, och ett par gitter placeras framför GMA-modulen för att införa dispersion, och ett negativt eller positivt för-chirp läggs till den förförstärkta utgången pulsera genom att justera galleravståndet. Ytterligare för-chirpade pulser förstärks i en 3,1 m lång Yb-dopad fiber för förstärkningshantering. Den andra förstärkta pulsen komprimeras genom ett annat par transmissionsgitter. Effekten av dessa parametrar på pulskompressionskvaliteten utforskas genom att finjustera ingångsenergin och pre-chirp, och de experimentella resultaten visas i Fig. 2 och 3, vilka visar att pulser med hög kompressionskvalitet kan alstras vid ett intervall av pumpeffekt, ingångsenergi och lämplig negativ chirp. När pumpeffekten är 9 W, är ingångspulsenergin 0,6 nJ, och pre-chirp är -36000 fs2, en puls med en mittvåglängd på 1110 nm, en pulsbredd på 34 fs, en energi på 92,2 nJ, och en toppeffekt på nära 3 MW erhålls, vilket är mycket lämpligt för att driva SLAM-mikroskop för medicinsk avbildning.
Bild Fig. 2. Effekt av olika ingångspulsenergier på GMA-pulskompression vid en pumpeffekt på 9 W och ett pre-chirp på -36000 fs2. (a) Kompressionspulsbredd och Strehl-förhållande vid olika ingångsenergier. (b) Utgångsspektra vid olika ingångsenergier. (c) Röd kurva: uppmätt autokorrelationsbana för den komprimerade pulsen, svart kurva: autokorrelationsbana för den transformerade gränspulsen erhållen genom spektralberäkning
Fig. 3. Effekt av olika pre-chirps på GMA-pulskompression för en ingångspulsenergi på 0,6 nJ och en pumpeffekt på 9 W. Resultaten sammanfattas enligt följande (a) Komprimerad pulspulsbredd och Strehl-förhållande för olika pre-chirps. (b) Utgångsspektra vid olika pre-chirps. (c) Röd kurva: uppmätt autokorrelationsbana för den komprimerade pulsen, svart kurva: autokorrelationsbana för den transformerade gränspulsen erhållen genom spektralberäkning.
Teamet använde denna ultrasnabba ljuskälla för att studera tumörpatologi i olika vävnader, inklusive intestinalt adenokarcinom, lungadenokarcinom och levervävnader, för att samtidigt avbilda cellulära och extracellulära komponenter med SLAM-teknik. En SLAM-bild av intestinal adenokarcinomvävnad visas i figur 4, där grönt indikerar SHG, magenta indikerar THG, gult indikerar 2PEF och blått indikerar 3PEF. SLAM-avbildning kan ge mycket rikare cell- och vävnadsdetaljer än konventionella H&E-färgade bilder, som kan hjälpa till att förstå förändringar av biokomponenter i både tumörer och normala vävnader, och att söka efter biomarkörer för cancerdiagnos och prognos.
Bild Figur 4. (a) SHG/THG/2PEF/3PEF avbildning av intestinal adenokarcinomvävnad. Olika områden av intresse förstoras i (c) - (e) (vita streckade rutor). (b) Motsvarande H&E-färgningsbilder. (c) 2PEF/3PEF-avbildning av normal tarmslemhinnavävnad. (d) SHG/THG-avbildning av normal tarmslemhinnavävnad. (e) SHG-avbildning av mellanliggande fibrer och fettvakuoler, röd pil: tarmkörtel, blå pil: basalmembran, grön pil: slem som utsöndras av koppceller, vit pil: makrofager, gul pil: mellanliggande fibrer, lila pil: fettvakuoler. Skalstång: 200 μm
Sammantaget uppnådde forskargruppen högkvalitativ ultrasnabb pulsgenerering genom utvecklingen av en pre-chirped och vinst dual-managed Yb-dopad fiberlaser, som framgångsrikt tillämpades på SLAM-avbildning, en teknik som kan ge rikare cellulära och vävnadsdetaljer som kan hjälpa till vid onkopatologiska studier och cancerdiagnostik. Dessutom är den ultrasnabba ljuskällan kompakt och robust, vilket gör den idealisk för användning i en klinisk miljö för snabb och omfattande utvärdering av olika fysiologiska och patologiska processer. De innovativa resultaten av denna studie förväntas främja området medicinsk diagnostik och terapeutik genom att tillhandahålla mer exakt och heltäckande information för cancerdiagnos, effektbedömning och individualiserad behandling. Eftersom tekniken fortsätter att utvecklas och optimeras, förväntas SLAM-avbildning spela en viktigare roll i klinisk praxis i framtiden. Anordningen och kärnanordningen förknippade med detta framsteg har ansökts för nationella uppfinningspatent.
Resultaten publicerades i ett färskt nummer av Biomedical Optics Express, en tidskrift från Optical Society of America (10.1364/BOE.506915), och den första författaren till artikeln är Yuting Xing, en doktorand under handledning av forskaren Guoqing Chang.
Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation of China (anslag nr. 92250307, 62227822 och 62175255) och det kinesiska vetenskapsakademins viktiga instrumentutvecklingsprogram (bidrag nr. YJKYYQ20190034). Forskaren Guoqing Chang och Dr Yaobing Chen från Wuhan Tongji Hospital var motsvarande författare, och doktoranderna Runshi Chen, Lihao Zhang, Yang Liu, Xinzai Diao och forskaren Shu Zhang från Wuhan Tongji Hospital, Prof. Yishi Shi och forskaren Zhiyi Wei från universitetet från Chinese Academy of Sciences var också involverade i utformningen och diskussionen av detta arbete.
