Moku:Pro简化双色受激拉曼散射显微镜实验

介绍

在华盛顿大学, 研究人员致力于双色受激拉曼散射(SRS)显微镜技术研究开发化学成像工具，用于早期癌症检测和了解神经退行性疾病进展。实验装置通常包括多个复杂的高性能仪器, 用于实时双色 SRS 成像或两个相距较远的拉曼跃迁的同步成像。现在，他们正在使用Moku:Pro锁相放大器和多仪器并行模式，仅通过Moku:Pro一台紧凑的多通道设备进行多种实验并捕捉低强度的SRS信号。

面临挑战

SRS是一种相干拉曼散射过程，可提供具有光谱和空间信息的化学成像。在典型的设置中,它使用两个同步脉冲激光器, 即泵浦和斯托克斯(图1), 以相干地激发分子的振动。为了从嘈杂的背景中捕捉到非常小的SRS信号, 高频调制和相敏检测方法是必要的。

图1: 检测到由于SRS导致的Stokes到泵浦光束的振幅调制转移。所展示的泵浦光束的重复率为80MHz，Stokes光束具有相同的80MHz重复率，但也在20MHz处调制。通过这个检测方案，Δpump被提取出来。

为了进行实时双色SRS成像实验, 研究人员必须运用正交调制并检测同相和正交信号分量。“在大多数SRS光谱实验中, 由于激光器总带宽的限制, 光谱范围被限制在300 cm-1左右,” 华盛顿大学化学助理教授Dan Fu博士说到。“避免这种情况的一种方法是使用可调谐激光器扫描波长, 但这很慢, 而且对于活细胞成像等对时间敏感的实验来说往往是不够的。”

为了克服这些限制, 华盛顿大学的科研人员使用第三束激光束来同时对两个间隔很宽的光谱区域进行成像, 例如一个在指纹区域大小(比如. ～1600 cm-1应对酰胺振动)和一个在C-H区域大小(比如. ～2900 cm-1应对蛋白质), 但这会增加实验设置的占用空间和复杂性。

图2：用Moku:Pro多仪器并行模式设置在间隔较远的拉曼转换处拍摄的HeLa细胞SRS图像。

解决方案

在采用调制传输检测方案的 SRS 显微镜实验中，高质量的锁相放大器是关键的硬件组件。 Moku:Pro 的锁相放大器为 SRS 显微镜实验中的自外差信号检测提供了一种直观、精确且可靠的解决方案，直观的用户界面为提取低强度 SRS 信号提供强大的操控性和灵活性。

图3: Moku:Pro 锁相放大器的通道配置

Moku:Pro的锁相放大器可以配置相位偏置,低通滤波器和设定增益用于优化实验。内置的探测点功能可以在调整设置时用于实时监测。X和Y输出均可用于双通道成像。

对于三路激光器的情况下, Moku:Pro 多仪器并行模式可以配置两个锁相放大器, 将系统简化为一个设备而不需要任何妥协。这使得研究人员可以同时拍摄两张波数差较大的 SRS 图像, 利用一个 Moku:Pro 来处理两个光电二极管检测器信号。

图4: Moku:Pro 多仪器并行模式配置多通道锁相放大器

图 4 演示了多仪器并行模式配置使用两个锁相放大器用于同步 SRS 显微镜实验。对于插槽 1 中的锁相放大器, 输入 In 1 是第一个光电二极管的检测信号, In 2 是参考信号, 输出Out 1是发送到外部数据采集卡的信号, Out 3被弃置。对于插槽2中的锁相放大器, In 3是第二个光电二极管的检测信号, In 2再次作为参考信号, Out 2是发送到外部数据采集卡的信号, Out 4被弃置。每个检测到的信号(Out 1 和 Out 2)在被发送到数据采集卡之前通过调整它们各自的相位偏置来最大化。本例中的插槽 3 和 4 配置了示波器, 但还可以配置为Moku:Pro中的任意仪器功能。

图5：Moku:Pro在多仪器模式下，配置了两个锁相放大器，有三个输入通道和两个输出通道在使用。

结果

Moku:Pro的锁相放大器为众多SRS显微镜实验提供了出色的解决方案。“用户界面可以对提取低强度SRS信号进行直观且强大的控制,仅需要使用Moku:Pro的多仪器并行模式就能在紧凑的系统上进行复杂的成像实验,” Fu博士说道。从典型的单通道SRS成像到双通道成像, 甚至是多仪器成像, 华盛顿大学的科研人员可以简化他们的实验设置而不用作出妥协。