Kao tehnika snimanja bez markera, multimodalno nelinearno optičko snimanje (NLOI) postalo je moćno sredstvo za procjenu raka. Kako bi se izbjegli artefakti pokreta i optička oštećenja povezana s multimodalnim NLOI, jedno rješenje je korištenje jednog ultrabrzog lasera kao izvora pobude u kombinaciji s više kanala detekcije za prikupljanje signala iz različitih modaliteta za promatranje različitih biomolekula. Međutim, u ovom slučaju, svaki način rada ne može se optimizirati nezavisno i potreban je odgovarajući izvor pobude za pobuđivanje svih NLOI modova. Spontana fluorescentna multipleksirana (SLAM) mikroskopija bez oznaka, sa talasnom dužinom ekscitacije postavljenom na 1110 nm, omogućava istovremeno prikupljanje signala iz četiri moda pod jednim ekscitacionim uslovima kroz različite kanale detekcije signala, dobijajući dvofotonsku fluorescenciju (2PAF) za FAD , trofotonska fluorescencija (3PAF) za NADH, frekvencija od dvije oktave (SHG) za kolagene strukture i frekvencija od tri oktave (THG) za mutaciju indeksa refrakcije. frekvencijski (THG) signali pri mutacijama indeksa refrakcije. Trenutno, većina izvora svjetlosti koji se koriste za pokretanje SLAM mikroskopa moraju spojiti ultrakratke impulse u fotonska kristalna vlakna ili kristale kako bi se postigla konverzija valne dužine, što uključuje visoku cijenu, veliki otisak, komplikovan rad i nemogućnost dugotrajnog stabilnog rada.
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, širina impulsa od 34fs, i vršna snaga od skoro 3MW, izvor svjetlosti je kompaktan i stabilan dok postiže odličan kvalitet impulsa za pokretanje SLAM mikroskopa za medicinsko snimanje.
Slika 1 prikazuje šematski dijagram laserskog sistema dopiranog iterbijumom sa dvostrukim upravljanjem pred-čirpom i dobiti. Sastoji se od izvornog izvora, modula za pre-amplifikaciju, modula za pre-čirp, modula pojačanja sa upravljanjem pojačanjem (GMA) i modula za kompresiju. Izvor sjemena daje početni impuls sa centralnom talasnom dužinom od 1040 nm, energijom impulsa od 0,2 nJ i frekvencijom ponavljanja od 43 MHz. Začetni impuls je prethodno pojačan 40 cm dugim Yb-dopiranim vlaknom, a par rešetki je postavljen ispred GMA modula kako bi se uvela disperzija, a negativni ili pozitivni pred-cirp se dodaje na prethodno pojačani izlaz puls podešavanjem razmaka rešetki. Daljnji prethodno čipovani impulsi su pojačani u 3,1 m dugom Yb-dopiranom vlaknu za upravljanje pojačanjem. Drugi pojačani impuls je komprimiran kroz drugi par transmisionih rešetki. Utjecaj ovih parametara na kvalitet kompresije impulsa istražen je finim podešavanjem ulazne energije i pred-čirpa, a eksperimentalni rezultati su prikazani na sl. 2 i 3, koji pokazuju da se impulsi visokog kvaliteta kompresije mogu proizvesti u rasponu snage pumpe, ulazne energije i odgovarajućeg negativnog čirpa. Kada je snaga pumpe 9 W, ulazna energija impulsa je 0,6 nJ, a pred-cirp je -36000 fs2, impuls sa centralnom talasnom dužinom od 1110 nm, širinom impulsa od 34 fs, energijom od 92,2 nJ, a dobija se vršna snaga od blizu 3 MW, što je vrlo pogodno za pokretanje SLAM mikroskopa za medicinsko snimanje.
Slika Slika 2. Utjecaj različitih energija ulaznih impulsa na kompresiju GMA impulsa pri snazi pumpe od 9 W i pred-čirpu od -36000 fs2. (a) Širina impulsa kompresije i Strehl omjer pri različitim ulaznim energijama. (b) Izlazni spektri pri različitim ulaznim energijama. (c) Crvena kriva: izmjerena autokorelacija putanje komprimovanog impulsa, crna kriva: autokorelacija putanje transformiranog graničnog impulsa dobivenog spektralnim proračunom
Slika 3. Utjecaj različitih pred-čirpova na kompresiju GMA impulsa za ulaznu energiju impulsa od 0.6 nJ i snagu pumpe od 9 W. Rezultati su sažeti na sljedeći način (a) Kompresovana širina impulsa i Strehl omjer za različite pre-cvrkutanje. (b) Izlazni spektri na različitim pred-čirpovima. (c) Crvena kriva: izmjerena autokorelacija putanje komprimovanog impulsa, crna kriva: autokorelacija putanje transformisanog graničnog impulsa dobijenog spektralnim proračunom.
Tim je primijenio ovaj ultrabrzi izvor svjetlosti za proučavanje tumorske patologije u različitim tkivima, uključujući crijevni adenokarcinom, adenokarcinom pluća i tkiva jetre, kako bi istovremeno snimio ćelijske i ekstracelularne komponente SLAM tehnikom. SLAM slika tkiva adenokarcinoma crijeva prikazana je na slici 4, gdje zelena označava SHG, magenta označava THG, žuta označava 2PEF, a plava označava 3PEF. SLAM slika može pružiti mnogo bogatije ćelijske i tkivne detalje od konvencionalnih slika obojenih H&E, koje mogu pomažu u razumijevanju promjena biokomponenti u tumorima i normalnim tkivima, te u potrazi za biomarkerima za dijagnozu i prognozu raka.
Slika Slika 4. (a) SHG/THG/2PEF/3PEF snimanje tkiva adenokarcinoma crijeva. Različite regije od interesa su uvećane u (c) - (e) (bijeli isprekidani kvadrati). (b) Odgovarajuće slike H&E bojenja. (c) 2PEF/3PEF snimanje normalnog tkiva crevne sluzokože. (d) SHG/THG snimanje normalnog tkiva sluznice crijeva. (e) SHG snimanje intersticijalnih vlakana i masnih vakuola, crvena strelica: crijevna žlijezda, plava strelica: bazalna membrana, zelena strelica: sluz koju luče ćelije čašice, bijela strelica: makrofag, žuta strelica: intersticijska vlakna, ljubičasta strelica: masne vakuole. Skala bar: 200 μm
Sve u svemu, istraživački tim je postigao visokokvalitetno ultrabrzo generisanje impulsa kroz razvoj lasera sa vlaknima dopiranog Yb sa dvostrukim upravljanjem i dvostrukim upravljanjem, koji je uspješno primijenjen na SLAM snimanje, tehniku koja može pružiti bogatije ćelijske i tkivne detalje koji može pomoći u onkopatološkim studijama i dijagnostici raka. Osim toga, ultrabrzi izvor svjetlosti je kompaktan i robustan, što ga čini idealnim za upotrebu u kliničkom okruženju za brzu i sveobuhvatnu procjenu različitih fizioloških i patoloških procesa. Očekuje se da će inovativni rezultati ove studije unaprijediti područje medicinske dijagnostike i terapije pružanjem preciznijih i sveobuhvatnijih informacija za dijagnozu raka, procjenu efikasnosti i individualizirani tretman. Kako tehnologija nastavlja da napreduje i optimizuje se, očekuje se da će SLAM snimanje igrati važniju ulogu u kliničkoj praksi u budućnosti. Uređaj i osnovni uređaj povezan sa ovim napretkom primenjeni su za nacionalne patente za pronalaske.
Rezultati su objavljeni u nedavnom broju Biomedical Optics Express, časopisa Optical Society of America (10.1364/BOE.506915), a prvi autor rada je Yuting Xing, doktorand pod nadzorom istraživača Guoqing Changa.
Ovaj rad je podržan od strane Nacionalne fondacije za prirodne nauke Kine (br. grantova 92250307, 62227822 i 62175255) i Programa razvoja važnih instrumenata Kineske akademije nauka (grant br. YJKYYQ20190034). Istraživač Guoqing Chang i dr. Yaobing Chen iz bolnice Wuhan Tongji bili su odgovarajući autori, a doktorandi Runshi Chen, Lihao Zhang, Yang Liu, Xinzai Diao i istraživač Shu Zhang iz bolnice Wuhan Tongji, prof. Yishi Shi i istraživač Zhiyi Wei sa Univerziteta Kineske akademije nauka su također bili uključeni u dizajn i diskusiju o ovom radu.
