Като техника за изобразяване без маркери, мултимодалното нелинейно оптично изобразяване (NLOI) се превърна в мощен инструмент за оценка на рака. За да се избегнат артефакти на движение и оптични повреди, свързани с мултимодални NLOI, едно решение е да се използва един ултрабърз лазер като източник на възбуждане, комбиниран с множество канали за откриване за събиране на сигнали от различни модалности за наблюдение на различни биомолекули. В този случай обаче всеки режим не може да бъде оптимизиран независимо и е необходим подходящ източник на възбуждане за възбуждане на всички режими на NLOI. Микроскопията със спонтанна мултиплексирана флуоресценция без етикет (SLAM), с дължина на вълната на възбуждане, зададена на 1110 nm, позволява едновременното събиране на сигнали от четири режима при едно условие на възбуждане през различни канали за откриване на сигнала, придобивайки двуфотонна флуоресценция (2PAF) за FAD , трифотонна флуоресценция (3PAF) за NADH, двуоктавна честота (SHG) за колагенови структури и триоктавна честота (THG) за мутация на индекса на пречупване. честотни (THG) сигнали при мутации на индекса на пречупване. Понастоящем повечето от източниците на светлина, използвани за задвижване на микроскопи SLAM, трябва да свързват ултракъси импулси във фотонни кристални влакна или кристали, за да постигнат преобразуване на дължината на вълната, което включва висока цена, голям отпечатък, сложна работа и невъзможност за дългосрочна стабилна работа.
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, ширина на импулса от 34fs и пикова мощност от близо 3MW, източникът на светлина е компактен и стабилен, като същевременно постига отлично качество на импулса за управление на SLAM микроскопи за медицински изображения.
Фигура 1 показва схематичната диаграма на легирана с итербий влакнеста лазерна система с двойно управление на предварително чирпване и усилване. Състои се от начален източник, модул за предварително усилване, модул за предварително чирпване, модул за управлявано усилване (GMA) и модул за компресия. Зародишният източник осигурява начален импулс с централна дължина на вълната 1040 nm, импулсна енергия 0,2 nJ и честота на повторение 43 MHz. Зародишният импулс се усилва предварително от 40 cm дълго Yb-легирано влакно и чифт решетки се поставят пред GMA модула, за да се въведе дисперсия, и отрицателен или положителен предварителен чирп се добавя към предварително усиления изход импулс чрез регулиране на разстоянието между решетките. Допълнителни предварително чирпирани импулси се усилват в 3,1 m дълго легирано с Yb влакно за управление на усилването. Вторият усилен импулс се компресира през друга двойка предавателни решетки. Ефектът от тези параметри върху качеството на компресия на импулса се изследва чрез фина настройка на входната енергия и предварително чирпване, а експерименталните резултати са показани на фиг. 2 и 3, които показват, че импулси с високо качество на компресия могат да бъдат произведени при диапазон от мощност на помпата, входяща енергия и подходящ отрицателен чирп. Когато мощността на помпата е 9 W, енергията на входния импулс е 0,6 nJ, а предварителното чирпване е -36000 fs2, импулс с централна дължина на вълната 1110 nm, ширина на импулса 34 fs, енергия 92,2 nJ и се получава пикова мощност от близо 3 MW, което е много подходящо за задвижване на SLAM микроскопи за медицински изображения.
Изображение Фиг. 2. Ефект на различните енергии на входния импулс върху компресията на GMA импулса при мощност на помпата от 9 W и предварителен чирп от -36000 fs2. а ) Ширина на импулса на компресия и съотношение на Strehl при различни входни енергии. (b) Изходни спектри при различни входни енергии. (c) Червена крива: измерена автокорелационна траектория на компресирания импулс, черна крива: автокорелационна траектория на трансформирания граничен импулс, получена чрез спектрално изчисление
Фиг. 3. Ефект на различни предварителни чирпове върху GMA импулсна компресия за енергия на входния импулс от 0.6 nJ и мощност на помпата от 9 W. Резултатите са обобщени, както следва (a) Ширина на импулса на компресиран импулс и Коефициент на Strehl за различни предварителни чирпове. (b) Изходни спектри при различни предварителни чирпове. (c) Червена крива: измерена автокорелационна траектория на компресирания импулс, черна крива: автокорелационна траектория на трансформирания граничен импулс, получена чрез спектрално изчисление.
Екипът приложи този свръхбърз светлинен източник за изследване на туморна патология в различни тъкани, включително чревен аденокарцином, белодробен аденокарцином и чернодробни тъкани, за едновременно изобразяване на клетъчни и извънклетъчни компоненти чрез SLAM техника. SLAM изображение на чревна аденокарциномна тъкан е показано на Фигура 4, където зеленото показва SHG, магентата показва THG, жълтото показва 2PEF, а синьото показва 3PEF. SLAM изображенията могат да предоставят много по-богати клетъчни и тъканни детайли от конвенционалните H&E-оцветени изображения, които могат помагат да се разберат промените на биокомпонентите както в туморите, така и в нормалните тъкани и да се търсят биомаркери за диагностика и прогноза на рака.
Изображение Фигура 4. (a) SHG/THG/2PEF/3PEF изображение на чревна аденокарциномна тъкан. Различните региони на интерес са увеличени в (c) - (e) (бели пунктирани квадратчета). ( b ) Съответстващи H&E оцветяващи изображения. ( c ) 2PEF/3PEF изобразяване на нормална тъкан на чревната лигавица. ( d ) SHG / THG изобразяване на нормална тъкан на чревната лигавица. (д) SHG изобразяване на интерстициални влакна и мастни вакуоли, червена стрелка: чревна жлеза, синя стрелка: базална мембрана, зелена стрелка: слуз, секретирана от чашковидни клетки, бяла стрелка: макрофаг, жълта стрелка: интерстициални влакна, лилава стрелка: мастни вакуоли. Скала: 200 μm
Като цяло, изследователският екип постигна висококачествено ултрабързо генериране на импулси чрез разработването на предварително чирпнат и усилващ двойно управляван лазер с легирани Yb влакна, който беше успешно приложен за SLAM изображения, техника, която може да осигури по-богати клетъчни и тъканни детайли, които може да помогне при онкопатологични изследвания и диагностика на рак. Освен това свръхбързият светлинен източник е компактен и здрав, което го прави идеален за използване в клинични условия за бърза и цялостна оценка на различни физиологични и патологични процеси. Очаква се иновативните резултати от това проучване да напреднат в областта на медицинската диагностика и терапия чрез предоставяне на по-точна и изчерпателна информация за диагностика на рак, оценка на ефикасността и индивидуално лечение. Тъй като технологията продължава да напредва и да се оптимизира, SLAM изображенията се очаква да играят по-важна роля в клиничната практика в бъдеще. Устройството и основното устройство, свързани с този напредък, са били заявени за национални патенти за изобретения.
Резултатите бяха публикувани в скорошен брой на Biomedical Optics Express, списание на Оптичното общество на Америка (10.1364/BOE.506915), а първият автор на статията е Yuting Xing, докторант, ръководен от изследователя Guoqing Chang.
Тази работа беше подкрепена от Националната природонаучна фондация на Китай (Грантове № 92250307, 62227822 и 62175255) и Програмата за развитие на важни инструменти на Китайската академия на науките (Грант № YJKYYQ20190034). Изследователят Guoqing Chang и д-р Yaobing Chen от болницата Wuhan Tongji бяха съответните автори, а докторантите Runshi Chen, Lihao Zhang, Yang Liu, Xinzai Diao и изследователят Shu Zhang от болницата Wuhan Tongji, проф. Yishi Shi и изследователят Zhiyi Wei от университета от Китайската академия на науките също бяха включени в проектирането и обсъждането на тази работа.
