由麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)和馬薩諸塞州總醫(yī)院（MGH）的科學(xué)家開發(fā)了一種新的成像技術(shù)，旨在闡明深層組織結(jié)構(gòu)和其他致密不透明材料的細胞結(jié)構(gòu)。他們的方法使用嵌入在材料中的微小顆粒，進行發(fā)射激光。
研究小組把這些“激光粒子”合成一種微小筷子的形態(tài)，每一個測量頭發(fā)寬度的一小部分。粒子是由碘化鉛鈣鈦礦，這種材料也用于太陽能電池板，并有效地吸收和捕獲光。當(dāng)研究人員在粒子處發(fā)出激光束時，粒子照亮，發(fā)出正常的彌漫性的熒光。但是，如果他們將入射激光的功率調(diào)整到一定的“激光閾值”，粒子將立即產(chǎn)生激光。
研究人員，由麻省理工學(xué)院的研究生Sangyeon Cho領(lǐng)導(dǎo)下，證明他們能夠激發(fā)粒子發(fā)射激光，并創(chuàng)建出了分辨率高于目前的基于熒光顯微鏡六倍的圖像。
“這意味著，如果一個熒光顯微鏡的分辨率設(shè)置為2微米，我們的技術(shù)可以有300納米分辨率，這比普通顯微鏡有6倍的改善，”Cho說。“這個想法很簡單，但非常強大，可以在許多不同的成像應(yīng)用中是有用的。”
Cho和他的同事們在《物理評論快報》雜志上發(fā)表了他們的研究成果。他的合作者包括哈佛大學(xué)的教授Seok Hyun Yun；哈佛和麻省總醫(yī)院Wellman影像醫(yī)學(xué)中心研究員Nicola Martino；約瑟夫斯特凡研究所的研究員Matja? Humar。這一研究部分是在哈佛麻省理工學(xué)院健康科學(xué)與技術(shù)學(xué)院完成的。
黑暗中的光
當(dāng)你的光芒在黑暗的房間里，一個手電筒，那種光就是一個彌漫性的白色朦朧的光束，代表一大堆不同波長和顏色。形成鮮明對比的是，激光是有針對性地集中，單色光束，即有一個特定的頻率和顏色。
在傳統(tǒng)的熒光顯微鏡中，科學(xué)家可以注射一個充滿熒光染料的顆粒到生物組織樣本中。然后，他們通過一個透鏡指向一個激光束，通過該透鏡引導(dǎo)光束穿過組織，使其路徑上的任何熒光粒子被照亮。
但在這些粒子中，像微小的手電筒，產(chǎn)生一個相對模糊的，模糊的光芒。如果這樣的粒子發(fā)射出更多的聚焦，激光像光一樣，他們可能會產(chǎn)生更清晰的圖像，從而深部組織和細胞中。近年來，研究人員已經(jīng)開發(fā)了激光發(fā)射粒子，但Cho的工作是第一個應(yīng)用到這些獨特的粒子成像應(yīng)用中的。
“筷子”激光器
研究團隊首先利用碘化鉛鈣鈦礦合成微小的，6微米長度的納米線，這種材料對于捕捉和集中熒光來說是很合適的。粒子棒狀幾何形狀被CHO描述為“筷子”，可以讓特定波長的光來沿顆粒的長度來回傳播，產(chǎn)生駐波，或產(chǎn)生很規(guī)則的光集中模式，類似于激光。
然后研究人員建立了一個簡單的光學(xué)裝置，類似于傳統(tǒng)的熒光顯微鏡，其中一個激光束從光源泵浦開始，通過一個鏡頭，到達一個包含激光粒子的樣品平臺。
在大多數(shù)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，在低泵浦功率下，與傳統(tǒng)的熒光染料相似的激光刺激，發(fā)射的粒子是發(fā)射散射性熒光。然而，當(dāng)他們調(diào)整激光的功率到一定的閾值時，相當(dāng)數(shù)量的粒子被照亮，從而發(fā)射更多的激光。
Cho說，這種新的光學(xué)技術(shù)，他們已經(jīng)命名為激光粒子受激發(fā)射（激光）顯微鏡，可用于圖像的特定焦平面，或一個特定的生物組織層。他說，從理論上講，科學(xué)家可以將激光束注入激光粒子的三維樣本中，并用一個透鏡聚焦在一個特定的深度。只有在光束的焦點中的那些粒子將吸收足夠的光或能量來打開激光器本身。在路徑的上游的所有其他粒子應(yīng)吸收較少的能量，只發(fā)射熒光。
“我們可以收集所有這些受激發(fā)射，并且可以很容易地用光譜儀區(qū)分激光和熒光，”Cho說。“我們預(yù)計這將是非常有用的，將應(yīng)用于生物組織成像并解決了分辨率問題，在這種組織中光通常是散射在周圍的。但是，如果我們使用激光粒子，它們將是發(fā)射激光的窄點。因此，我們可以區(qū)分的背景，可以實現(xiàn)良好的分辨率。”
Giuliano Scarcelli是馬里蘭大學(xué)的助理教授，他表示該技術(shù)的成功將取決于成功地實施這一標(biāo)準(zhǔn)的熒光顯微鏡。一旦實現(xiàn)，激光成像的應(yīng)用是有希望的。
“事實上，相比熒光，激光可能意味著你可以測量更深的組織，因為你有更高的信噪比，”Scarcelli說，他沒有參與這項研究工作。“我們需要在實踐中看到，但在另一方面，利用光學(xué)，我們沒有更好的方法進行深層組織的成像。因此，對這個主題的任何研究都是一個受歡迎的補充。”
為了在活體組織中實現(xiàn)這種技術(shù)，Cho說，激光粒子將必須是生物相容的，這導(dǎo)致碘鈣鈦礦材料將不再適合。然而，該小組目前正在調(diào)查如何操縱細胞，使其自身像激光器一樣發(fā)光。
“我們的想法是，為什么不使用細胞作為一個內(nèi)部光源？”Cho說。“我們開始考慮這個問題了。”
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