二次谐波在生物医学成像中的应用
发布时间：2021-10-23 06:46
二次谐波成像是近年来发展的一种新的光学成像技术,作为生物结构检测和耐久追踪标记的新工具已经受到广泛的关注。二次谐波成像技术避免了经典荧光探针会遇到的许多固有缺点,是一种理想的活体成像方法,具有很好的生物医学应用前景。本文系统介绍了二次谐波原理及其成像装置,二次谐波介质分类及特点,二次谐波在生物医学成像中的应用,最后对二次谐波成像未来的机遇和将要面对的挑战进行了展望。
【文章来源】：中国激光. 2020,47(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
单光子荧光、双光子荧光和二次谐波的原理示意图。(a)单光子荧光和双光子荧光;(b)二次谐波产生[4]
二次谐波成像的基本装置要求配备有飞秒激光器作为激发光源的扫描共聚焦显微镜。目前有许多商用的多光子共聚焦显微镜可以用于SHG成像,也有自主组装的SHG成像实验装置,这些装置一般都会使用如图2类似的系统[13]。最常使用的激光器是Nd\:YVO4(532 nm; 5～18 W)泵浦Ti\:蓝宝石振荡器,调谐范围约在700～1000 nm,平均功率为1～2 W,脉冲宽度约为100 fs,并通过λ/2和λ/4波片对入射光的相位进行调节。SHG信号的收集方法可分为前向检测和后向检测两种方法,普遍被使用的是后向检测。为了避免其他波段光的影响,保证收集的信号为SHG信号,必须使用滤光片过滤掉干扰信号。偏振方向对于成像结果会产生影响,Chen等[14]对比了线偏振光和圆偏振光对胶原蛋白纤维激发得到的SHG图像,发现圆偏振光可以均匀地激发所有方向,而线偏振光更适用于研究纤维的排列方向。3 二次谐波的产生介质及其成像特点
在生物医学成像研究中,满足以上要求且能产生二次谐波信号的介质主要分为两大类:生物材料和外源探针。生物结构蛋白通常会组装成大面积有序的且非中心对称的结构,如胶原蛋白、肌动蛋白和微管蛋白,这些结构高度极化,因而能产生SHG信号。在动物体中,胶原蛋白家族作为细胞外基质的主要成分,是最丰富的蛋白质种类。纤维状的胶原蛋白(I型和II型)是高度各向异性的,由胶原三螺旋重复结构紧密排列,其产生的二次谐波为研究学者提供了相关结构信息。二次谐波是偏振敏感的,对于许多SHG信号源的结构蛋白来说,产生的信号量与入射激光的偏振状态有关。若光平行于纤维结构(z轴)偏振,则观察到的SHG信号最强;若垂直于纤维结构(x轴)偏振,则观察到的SHG信号最弱:如图3所示。这一特点意味着,可以通过测量SHG信号的偏振依赖性来研究组织内结构蛋白的排列取向。除了生命体中部分组织和结构能受激产生内源性二次谐波信号,大多数体内组织和细胞均无法产生足够强度以供检测的二次谐波。为了增强信号,采用一些纳米探针对细胞进行标记,这是目前二次谐波活细胞及活体组织成像的一种通行办法。基于二次谐波产生介质的特点,已开发了各种无机二次谐波纳米晶,如KNbO3、BaTiO3和BiFeO3等[15-19]。无机纳米晶体的SHG信号光谱带宽窄,易于辨析。除了无机材料外,有机材料也显现出极好的二次谐波性质[20-24]。用于SHG成像的有机染料在设计时需要微调分子性质,使其发色团在激发波长下具有较高的极化率。有机化合物的非线性效应是由于非局域的π电子受激发所致,因此强极性的π共轭体系组成的分子表现出最高的二次超极化率。此外,分子的排序也很重要,如在生物膜上规则的分子排列能增强染料的SHG信号强度。表1 中列举了应用于生物医学成像研究的二次谐波探针,及其二阶极化率χ(2)=β和二阶极化率最大波长λmax,表中esu为高斯单位制,其表示二阶极化率的单位为(107 cm3·J-1)1/2。
本文编号：3452682
【文章来源】：中国激光. 2020,47(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
单光子荧光、双光子荧光和二次谐波的原理示意图。(a)单光子荧光和双光子荧光;(b)二次谐波产生[4]
二次谐波成像的基本装置要求配备有飞秒激光器作为激发光源的扫描共聚焦显微镜。目前有许多商用的多光子共聚焦显微镜可以用于SHG成像,也有自主组装的SHG成像实验装置,这些装置一般都会使用如图2类似的系统[13]。最常使用的激光器是Nd\:YVO4(532 nm; 5～18 W)泵浦Ti\:蓝宝石振荡器,调谐范围约在700～1000 nm,平均功率为1～2 W,脉冲宽度约为100 fs,并通过λ/2和λ/4波片对入射光的相位进行调节。SHG信号的收集方法可分为前向检测和后向检测两种方法,普遍被使用的是后向检测。为了避免其他波段光的影响,保证收集的信号为SHG信号,必须使用滤光片过滤掉干扰信号。偏振方向对于成像结果会产生影响,Chen等[14]对比了线偏振光和圆偏振光对胶原蛋白纤维激发得到的SHG图像,发现圆偏振光可以均匀地激发所有方向,而线偏振光更适用于研究纤维的排列方向。3 二次谐波的产生介质及其成像特点
在生物医学成像研究中,满足以上要求且能产生二次谐波信号的介质主要分为两大类:生物材料和外源探针。生物结构蛋白通常会组装成大面积有序的且非中心对称的结构,如胶原蛋白、肌动蛋白和微管蛋白,这些结构高度极化,因而能产生SHG信号。在动物体中,胶原蛋白家族作为细胞外基质的主要成分,是最丰富的蛋白质种类。纤维状的胶原蛋白(I型和II型)是高度各向异性的,由胶原三螺旋重复结构紧密排列,其产生的二次谐波为研究学者提供了相关结构信息。二次谐波是偏振敏感的,对于许多SHG信号源的结构蛋白来说,产生的信号量与入射激光的偏振状态有关。若光平行于纤维结构(z轴)偏振,则观察到的SHG信号最强;若垂直于纤维结构(x轴)偏振,则观察到的SHG信号最弱:如图3所示。这一特点意味着,可以通过测量SHG信号的偏振依赖性来研究组织内结构蛋白的排列取向。除了生命体中部分组织和结构能受激产生内源性二次谐波信号,大多数体内组织和细胞均无法产生足够强度以供检测的二次谐波。为了增强信号,采用一些纳米探针对细胞进行标记,这是目前二次谐波活细胞及活体组织成像的一种通行办法。基于二次谐波产生介质的特点,已开发了各种无机二次谐波纳米晶,如KNbO3、BaTiO3和BiFeO3等[15-19]。无机纳米晶体的SHG信号光谱带宽窄,易于辨析。除了无机材料外,有机材料也显现出极好的二次谐波性质[20-24]。用于SHG成像的有机染料在设计时需要微调分子性质,使其发色团在激发波长下具有较高的极化率。有机化合物的非线性效应是由于非局域的π电子受激发所致,因此强极性的π共轭体系组成的分子表现出最高的二次超极化率。此外,分子的排序也很重要,如在生物膜上规则的分子排列能增强染料的SHG信号强度。表1 中列举了应用于生物医学成像研究的二次谐波探针,及其二阶极化率χ(2)=β和二阶极化率最大波长λmax,表中esu为高斯单位制,其表示二阶极化率的单位为(107 cm3·J-1)1/2。
本文编号：3452682
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