Volumetric molecular vibrational imaging with mid-infrared photothermal diffraction tomography

中红外光热衍射断层扫描体积分子振动成像

• 批准号: 19J12981
• 负责人: 玉光 未侑
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J12981/
• 关键词: 非標識イメージング; 定量位相イメージング; デジタルホログラフィ; 光回折トモグラフィ; 分子振動イメージング; 中赤外イメージング; フォトサーマルイメージング

透明な生体試料を非標識に観察することは、ありのままの状態の細胞を長時間観察することが要求される様々な応用で重要である。特に、ラマン散乱や中赤外吸収に基づいて試料の化学情報を取得する分子振動イメージングと、屈折率分布に基づいて試料の形態情報を取得する定量位相イメージングと呼ばれる技術が、近年盛んに研究されている。しかし、これらの技術には、各々で相補的な情報しか得られないことや、高感度計測を行うために用いる高強度超短光パルスにより数分で細胞が死滅してしまうなどの問題が存在する。本研究では、中赤外フォトサーマル定量位相イメージングと呼ばれる新たな非標識光学イメージング技術を開発することで、これらの欠点の解消と、新たな非標識一細胞解析を開拓することを目的とした。本年度は、中赤外フォトサーマル定量位相イメージングの（１）感度向上、（２）分子振動および屈折率コントラストの相関解析、（３）空間分解能の向上を行った。（１）ナノ秒のパルス幅とマイクロジュールのパルスエネルギーを持つ、波長掃引可能な中赤外光パラメトリック発振器を構築し実装することで、中赤外フォトサーマル信号を４５倍増強した。通常より飽和電荷量が２桁大きいCMOSイメージセンサーを用いることで単位時間あたりに検出する可視光の光子数を増やし、定量位相イメージング系の量子ノイズを６倍低減した。これらにより、本技術の感度を２７０倍向上した。（２）高感度化した系を用いて得られる分子振動コントラストと屈折率コントラストを相関解析することで、既存技術では計測できない新たな生物学的量を抽出できる可能性を示した。（３）定量位相イメージングで頻繁に用いられる開口合成の原理を本技術に実装するための系の考案と構築を行った。これを用いることで、コヒーレントラマン顕微鏡などの最先端の分子振動イメージングを超えた空間分解能を実現できる可能性がある。

Transparent な raw body sample を non logo に 観 examine す る こ と は, あ り の ま ま の state の cells を long 観 examine す る こ と が requirements さ れ る others 々 な 応 with important で で あ る. に, ラ マ ン scattered red outside suck in や 収 に base づ い て sample の chemical intelligence を won す る molecular vibrations イ メ ー ジ ン グ と, inflectional rate distribution に づ い て sample の form intelligence を obtain す る quantitative phase イ メ ー ジ ン グ と shout ば れ る が technology, in recent years, sheng ん に research さ れ て い る. し か し, こ れ ら の technology に は, various 々 で phase of な intelligence し か have ら れ な い こ と や, Gao Gan measuring line を う た め に with い る high intensity ultrashort light パ ル ス に よ り several points が で cells die out し て し ま う な ど の が existence す る. In this study で は, red outside フ ォ ト サ ー マ ル quantitative phase イ メ ー ジ ン グ と shout ば れ る new た な non logo optical イ メ ー ジ ン グ technology を open 発 す る こ と で, こ れ ら の points less の と elimination, new た な not identify a cell parsing を pioneering す る こ と を purpose と し た. Red outside in this year's は, フ ォ ト サ ー マ ル quantitative phase イ メ ー ジ ン グ の upward, and (2) (1) sensitivity molecular vibrations お よ び inflectional rate コ ン ト ラ ス ト masato の phase analysis, (3) spatial decomposition can be の line up を っ た. (1) ナ ノ seconds の パ ル ス picture と マ イ ク ロ ジ ュ ー ル の パ ル ス エ ネ ル ギ ー を hold つ, leads may be な red outside light wavelength sweep パ ラ メ ト リ ッ ク 発 oscillator を build し be loaded す る こ と で, the red outside フ ォ ト サ ー マ ル signal を 45 times raised strong し た. Usually よ り saturation charge が 2 girder き い CMOS イ メ ー ジ セ ン サ ー を with い る こ と で 単 a time あ た り に 検 out す る visible light の photon number を raised や し, quantitative phase イ メ ー ジ ン グ is の quantum ノ イ ズ を 6 times lower reduction し た. The <s:1> sensitivity of this technology is を270 times higher than that of た. (2) Gao Gan degree melts し を た department with い て have ら れ る molecular vibrations コ ン ト ラ ス ト と inflectional rate コ ン ト ラ ス ト を phase analytical す masato る こ と で, existing technology で は measuring で き な い new た な biology quantity を spare で き を る possibility in し た. (3) the quantitative phase イ メ ー ジ ン グ で に frequently use い ら れ る opening principle of synthetic の を に this technology be loaded す る た め の is の test case と line build を っ た. こ れ を with い る こ と で, コ ヒ ー レ ン ト ラ マ ン 顕 micromirror な ど の most apex の molecular vibrations イ メ ー ジ ン グ を super え た space decomposition can を be presently で き る possibility が あ る.

项目成果

Quantitative phase imaging with molecular vibrational sensitivity

• DOI: 10.1364/ol.44.003729
• 发表时间: 2019-08-01
• 期刊: OPTICS LETTERS
• 影响因子: 3.6
• 作者: Tamamitsu, Miu;Toda, Keiichiro;Ideguchi, Takuro
• 通讯作者: Ideguchi, Takuro

Bioimaging by molecular-vibration-sensitive quantitative phase microscopy based on wide-field mid-infrared photothermal excitation

• DOI: 10.1117/12.2545728
• 发表时间: 2020-02
• 作者: Miu Tamamitsu;Keiichiro Toda;Yu Nagashima;R. Horisaki;T. Ideguchi

分子振動選択的な定量位相イメージング

分子振动选择性定量相位成像

• 发表时间: 2019
• 作者: 玉光未侑;戸田圭一郎;堀﨑遼一;井手口拓郎
• 通讯作者: 井手口拓郎

Vibrational imaging of single cells by wide-field phase-sensitive imaging of mid-infrared photothermal effect

中红外光热效应宽视场相敏成像单细胞振动成像

• 发表时间: 2019
• 作者: Miu Tamamitsu;Keiichiro Toda;Hiroyuki Shimada;Takaaki Honda;Masaharu Takarada;Kohki Okabe;Yu Nagashima;Ryoichi Horisaki and Takuro Ideguchi
• 通讯作者: Ryoichi Horisaki and Takuro Ideguchi

Label-free biochemical quantitative phase imaging with mid-infrared photothermal effect

• DOI: 10.1364/optica.390186
• 发表时间: 2020-04-20
• 期刊: OPTICA
• 影响因子: 10.4
• 作者: Tamamitsu, Miu;Toda, Keiichiro;Ideguchi, Takuro
• 通讯作者: Ideguchi, Takuro