相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术及其在生物医学领域的应用.pdf

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1、第34卷第3期电子显微学报Vo1．34．No．32015年6月JournalofChineseElectronMicroscopySociety2O15—06文章编号：1000—6281(2015)03-o261．11相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术及其在生物医学领域的应用周前，袁景和，周卫，朱建华，方晓红(1．四川大学物理科学与技术学院高能量密度物理与技术教育部重点实验室，四川成都610064；2．中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术重点实验室，北京100190)摘要：相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)成像技术是一种具有高信号强度、高化学选择性、无需外源标记的

2、显微成像新技术。本文在简介CARS成像基本原理的基础上，综述了CARS显微成像技术的发展、与其它技术相结合等研究新方向，以及在生物医学领域的应用进展。关键词：相干反斯托克斯拉曼散射；CARS显微成像；生物医学应用；表面增强效应中图分类号：TH742；0433．54；Q336文献标识码：Adoi：10．3969／j．1000—6281．2015．03．013显微成像技术的进步推动了现代生物医学研究同样基于分子振动能级的相干反斯托克斯拉曼的不断发展，同时现代生物及医学技术的发展需求散射(coherentanti—StokesRamanscattering，CARS)也使得人

3、们对显微成像技术的要求不断提高。光学是一种三阶非线性光学过程，其产生的受激共振信成像技术具有非接触式测量、对样品无损伤、高时空号强于自发拉曼散射且具有一定的方向性，使得分辨率和高探测灵敏度等特点成为普遍采用的显微CARS信号的收集效率更高，与此同时CARS信号成像技术。其中荧光探针标记显微镜’的采集灵频率高于激发光频率，可以避开单光子荧光背景的敏度高，商品化荧光标记物种类多的优点，使其在生干扰。利用CARS光谱与传统共聚焦光学显微成像物医学领域得到了广泛地应用。特别在单分子定位技术相结合而产生的CARS显微成像技术，可以成像和单分子追踪等领域，荧光标记成像的方通过检测样

4、品分子特征振动光谱信号获取特定分子法发挥着重要作用。但荧光标记可能干扰生物分子的空间分布和分子间相互作用信息。上述这些优势功能，且荧光探针自身光致漂白导致成像探测时间使得CARS显微成像技术在生物和医学研究领域有短等问题，使得荧光标记显微镜在生物医学应用存着广泛的应用前景。在局限性。本文首先从CARS显微成像技术的原理出发，不同于荧光标记的方法，基于探测样品分子固比较了几种不同CARS显微成像系统的优缺点。然有振动频率的红外光谱和拉曼光谱显微成像技后介绍了CARS显微成像技术的发展过程以及与其术有着无需对生物样品进行预先标记处理，以分他技术的综合应用，特别是与表面增强拉

5、曼技术相子固有特征振动能级产生的光谱信号作为成像对比结合的表面增强CARS(Surface—enhanceCARS，度，具有分子特征选择性等优点。但分子振动谱信SECARS)和针尖增强CARS(Tip-enhanceCARS，号通常情况下比荧光信号强度低得多，使得其在探TECARS)技术。之后介绍了CARS显微成像技术测灵敏度、数据采集时间、激光功率方面有着比较大在生物医学研究的进展和一些代表性的工作。最后的限制，极大地影响了其在活体组织和活细胞当中评述了CARS成像技术发展需解决的挑战性问题及的应用。其应用前景。收稿日期：2015一O1—03基金项目：国家自然科学基金

6、委重大仪器研制项目“高分辨多功能化学成像系统”(No．21127901)资助作者简介：周前(1988一)，男(汉族)，浙江人，博士研究生．E-mail：hp—zq@qq．con}通讯作者：朱建华(1970一)，男(汉族)，山东人，教授．E-mail：zhujh@SCt1．edu．cn方晓红(1968一)，女(汉族)，湖南人，研究员．E-mail：x~ng@icass．ac．cn第S期周前等：相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术及其在生物医学领域的应用265针尖增强CARS(tip-enhanceCARS，TECARS)信号，酶1的过表达过程，监测宿主和病毒位置及他们通过他

7、们的实验表明，利用放射状偏振光源激发对脂质表型的影响。SECARS，可比线性偏振激光激发的信号强度提高6除了基于c—H键振动的脂质以外，其他分子振倍。动特征谱也可以来完成CARS成像。例如蛋白质的分析探测当中通常利用氨基一I键的振动(1620～4CARS在生物医学方面的应用1710cm)谱，氨基-I键主要取决于蛋白质骨架肽生物体系当中广泛存在着不同种类官能团，这基当中C=O键的振动。除了利用氨基I等特征键些官能团通常包括了CH，NH，OH等化学键并且具来定位特定蛋白质(比如基于1615cm的有一些明显拉曼特征振动谱。通过对这些特征谱线GF