ספקטרומטר תת-GHz מהירות גבוהה לניתוח פיזור רילואן
Summary
כאן אנו מציגים פרוטוקול לבנות ספקטרומטר רילואן מהיר. מדורג מערך שלב כמעט צילם etalons (VIPA) להשיג מהירות מדידה יותר מ -1,000 פעמים מהר יותר מאשר ספקטרומטרים פברי פרו- סריקה מסורתית. שיפור זה מספק את האמצעים לניתוח רילואן של רקמה וביו-חומרים בכוח הרמות נמוכות in vivo.
Abstract
המטרה של פרוטוקול זה היא לבנות גבוה הכחדה מקבילה וספקטרומטר רילואן האופטי ברזולוציה גבוהה. ספקטרוסקופיה רילואן היא שיטת מדידה ללא מגע, שניתן להשתמש כדי להשיג קריאות ישירות של תכונות חומר viscoelastic. זה כבר כלי שימושי באפיון חומר, ניטור מבני וחישה סביבתית. בעבר, ספקטרוסקופיה רילואן יש בדרך כלל מועסק etalons פברי פרו- סריקה לבצע ניתוח ספקטרלי. תהליך זה דורש כוח הארה גבוה ופעמים רכישה ארוכות, מה שהופך את הטכניקה מתאימה ליישומים ביו-רפואיים. ספקטרומטר רומן הציג לאחרונה מתגבר על האתגר הזה על ידי השימוש בשתי VIPAs בתצורת ציר נגדית. חידוש זה מאפשר ניתוח תת-ג'יגה-הרץ (GHz) רזולוציה רפאים עם זמן תת-שני רכישה וכוח ההארה בגבולות הבטיחות של רקמה ביולוגית. היישומים החדשים הרבים בהנחייתם של שיפור זה הם מ"קrrently נבדקת במחקר ביולוגי ויישום קליני.
Introduction
פיזור רילואן, שתואר לראשונה על ידי לאון ברילואן 1 בשינה 1922, הוא הפיזור קשיח של אור מהמצבים התרמיים ואקוסטי ובמוצק מתנודות צפיפות תרמית בנוזל או גז. משמרת הרפאים של האור המפוזר, בדרך כלל בGHz טווח משנה, מספקת מידע על האינטראקציה בין אור האירוע ופונונים אקוסטי במדגם. כתוצאה מכך, היא יכולה לספק מידע שימושי בנוגע למאפייני viscoelastic של החומר נבדק.
בגרסה הספונטנית שלה, פיזור רילואן בדרך כלל יש חתכים בצו של פיזור ראמאן, וכתוצאה מכך אות חלשה מאוד. בנוסף, משמרות תדירות רילואן הם סדרי גודל קטן יותר ממשמרות ראמאן. כתוצאה מכך, elastically פזורים אור (מריילי או פיזור מ.י.), אור תועה, ולגבות-השתקפויות של המדגם כל בקלות יכולה להאפיל החתימה הספקטרלית רילואן. לָכֵן, ספקטרומטר רילואן צריך להשיג תת-GHz לא רק רזולוציה רפאים אלא גם ניגוד רפאים גבוה או הכחדה.
בספקטרומטרים רילואן מסורתיים דרישות אלה פגשו monochromators הצורם לסריקת, שיטות מכות אופטיות, והכי עממי, התאבכות סריקה מרובה עובר פברי פרו- 2. שיטות אלה למדוד כל רכיב ברצף רפאים. גישה זו מובילה לפעמי רכישה לספקטרום רילואן בודד נע בין כמה דקות לכמה שעות, תלוי במכשיר ועל המדגם. ספקטרומטר VIPA שני השלבים, שנבנה תוך שימוש בפרוטוקול זה, יש את היכולת לאסוף את כל מרכיבי רפאים בתוך פחות משנייה, תוך מתן הכחדה מספיק (> 60 dB) לדכא ביעילות אותות מזויפים אחרים 2.
השילוב של etalons VIPA הוא המרכיב המרכזי בספקטרומטר זה. VIPA הוא Etalon מוצק עם שלושה ג שונהמרחף אזורים: במשטח הקדמי, רצועת ציפוי נגד השתקפות צרה מאפשרת לאור להיכנס לVIPA, בעוד ששאר פני השטח כוללת ציפוי מהורהר מאוד (HR); במשטח האחורי, ציפוי רעיוני באופן חלקי מאפשר חלק קטן (~ 5%) של האור להיות משודר. כאשר התמקד על הכניסה הצרה של VIPA מעט המוטה, קרן האור מקבלת ביטוי בתת-רכיבים עם הפרש מופע קבוע בתוך VIPA 2. התערבות בין המרכיבים תת משיגה פיזור רפאים הגבוה המיוחל. יישור שתי VIPAs ברצף בתצורת ציר נגדית מציג פיזור רפאים בכיוונים מאונך 3. פיזור הרפאים בכיוונים מאונך מרחבית מפריד פסגות רילואן מcrosstalk לא רצוי, המאפשר להרים רק את אות רילואן. איור 1 מציג סכמטי של ספקטרומטר VIPA שני שלבים. החיצים מתחת לאלמנטים האופטיים לציין את מעלותרי של חופש שבו צריכים להיות מכוונים שלבי translational.
איור 1. התקנת אינסטרומנטלי. סיבים אופטיים מספק פיזור רילואן לספקטרומטר. עדשה גלילית C1 (f = 200 מ"מ) מתמקדת האור לתוך הכניסה של VIPA הראשון (VIPA1). עדשה גלילית נוספת C2 (f = 200 מ"מ) ממפה את הפיזור הזוויתי הרפאים להפרדה מרחבית במישור המוקד של C2. במישור זה, מסכה אנכית משמשת לבחירת החלק הרצוי של הספקטרום. תצורה אנלוגית כדלקמן, נטויה בזווית של 90 מעלות. הקרן עוברת דרך S1 (f = 200 מ"מ) עדשה כדורית ולתוך חריץ הכניסה של VIPA השני (VIPA2) ממוקדת. עדשה כדורית S2 (f = 200 מ"מ) יוצרת תבנית המופרדת spectrally דו-ממדית במישור המוקד שלה, שבו עוד מסכה אופקית ממוקמת. Horמסכת izontal הוא צילם על המצלמה EMCCD באמצעות זוג עדשת אכרומטי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
סטודנט לתואר ראשון עם כמה קורסים אופטיקה וניסיון יישור בסיסי צריך להיות מסוגל לבנות ולהשתמש בספקטרומטר שני שלבים זה. לאחרונה ספקטרומטר הוכח להיות תואם עם מגוון רחב של בדיקות אופטיות סטנדרטיים 3,4,5 (למשל, מיקרוסקופ confocal, אנדוסקופ, מנורת סדק האופתלמוסקופ). כאן, ספקטרומטר מחובר למיקרוסקופ confocal. אור הלייזר מיושר למיקרוסקופ מערכת מחקר הפוך סטנדרטי לאחר שילוב מפצל 90:10 קורה. אור backscattering מהמדגם מצמיד לתוך סיב מצב יחיד, מה שהופך את confocal מיקרוסקופ.
Protocol
Representative Results
Discussion
תכונת תכנון מרכזית של תצורת ספקטרומטר זה היא שיכול להיות מיושר שני השלבים באופן עצמאי. כאשר Etalon VIPA הוא החליק אל מחוץ לנתיב האופטי, העדשות הנותרות של שלב ספקטרומטר טופס 1: מערכת הדמיה 1, כך שדפוס הרפאים של כל שלב הוא הדמיה על מצלמת CCD. לכן, זה פשוט לחזור לכל אחד מהשלבים כדי…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported in part by the National Institutes of Health (P41-EB015903, R21EY023043, K25EB015885), National Science of Foundation (CBET-0853773) and Human Frontier Science Program (Young Investigator Grant).
Materials
| OPTICS: | |||
| VIPA (virtual image phase array) | LIGH MACHINERY | Quantity: 2 | |
| Bundle of Three 423 Linear Stages with SM-25 Micrometers | NEWPORT | 423-MIC | Quantity: 1 |
| SS Crossed-Roller Bearing Translation Stage, 0.5 in., 8-32, 1/4-20 | NEWPORT | 9066-X | Quantity: 1 |
| Vernier Micrometer, 13 mm Travel, 9 lb Load Capacity, 50.8 TPI | NEWPORT | SM-13 | Quantity: 1 |
| Adjustable Width Slit | NEWPORT | SV-0.5 | Quantity: 2 |
| Compact Dovetail Linear Stage, 0.20 in. Z Travel, 1.57×1.57×1.38 in. | NEWPORT | DS40-Z | Quantity: 2 |
| Slotted Base Plate, 25 or 40mm to 65mm Stage, 1.1 in. Range | NEWPORT | B-2B | Quantity: 2 |
| Ø1/2" Optical Post, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 2", 5 Pack | THORLABS | TR2-P5 | Quantity: 2 |
| Ø1/2" Post Holders, Spring-Loaded Hex-Locking Thumbscrews, L = 2", 5 Pack | THORLABS | PH2-P5 | Quantity: 1 |
| Ø1/2" Post Holders, Spring-Loaded Hex-Locking Thumbscrew, L = 3", 5 Pack | THORLABS | PH3-P5 | Quantity: 1 |
| Imperial Lens Mount For 2" Optics, 8-32 Tap | THORLABS | LMR2 | Quantity: 2 |
| f=200.0 mm, Ø2" Achromatic Doublet, ARC: 400-700 nm | THORLABS | AC254-200-A | Quantity: 2 |
| Kinematic Mount for up to 1.3" (33 mm) Tall Rectangular Optics, Right Handed | THORLABS | KM100C | Quantity: 2 |
| Fixed Cylindrical Lens Mount, Max Optic Height: 1.60" (40.6 mm) | THORLABS | CH1A | Quantity: 2 |
| f = 200.00 mm, H = 30.00 mm, L = 32.0 mm, N-BK7 Plano-Convex Cylindrical Lens, Antireflection Coating: 350-700 nm | THORLABS | L1653L1-A | Quantity: 2 |
| Right-Angle Post Clamp, Fixed 90° Adapter | THORLABS | RA90 | Quantity: 1 |
| Adapter with External C-Mount Threads and Internal SM1 Threads | THORLABS | SM1A9 | Quantity: 1 |
| Studded Pedestal Base Adapter, 1/4"-20 Thread | THORLABS | PB4 | Quantity: 2 |
| Spacer, 2" x 3", 1.000" Thick | THORLABS | Ba2S7 | Quantity: 2 |
| 543 nm, f=15.01 mm, NA=0.17 FC/APC Fiber Collimation Pkg. | THORLABS | F260APC-A | Quantity: 1 |
| SM1-Threaded Adapter for Ø11 mm collimators | THORLABS | Ad11F | Quantity: 1 |
| Translating Lens Mount for Ø1" Optics, 1 Retaining Ring Included | THORLABS | LM1XY | Quantity: 1 |
| Single Mode Patch Cable, 450 – 600 nm, FC/APC, 2 m Long | THORLABS | P3-460B-FC-2 | Quantity: 1 |
| 1:1 Matched Achr. Pair, f1=30 mm, f2=30 mm, BBAR 400-700 nm | THORLABS | MAP103030-A | Quantity: 1 |
| SM1 Lens Tube…length to adjust depend on CCD, we have 3.5 inches | THORLABS | SM1LXX | Quantity: 1 |
| Base Adapters for Ø1/2" Post Holders and Ø1" Posts | THORLABS | BE1 | Quantity: 8 |
| Clamping Forks for Ø1/2" Post Holders and Ø1" Posts | THORLABS | CF125 | Quantity: 8 |
| HW-KIT5 – 4-40 Cap Screw and Hardware Kit for Mini-Series | THORLABS | HW-KIT5 | Quantity: 1 |
| D20S – Standard Iris, Ø20.0 mm Max Aperture | THORLABS | D20S | Quantity: 2 |
| FOR ENCLOSURE | |||
| 25 mm Construction Rail, L = 21" | THORLABS | XE25L21 | Quantity: 6 |
| 1" Construction Cube with Three 1/4" (M6) Counterbored Holes | THORLABS | RM1G | Quantity: 8 |
| Right-Angle Bracket for 25 mm Rails | THORLABS | XE25A90 | Quantity: 12 |
| 25 mm Construction Rail, L = 15" | THORLABS | XE25L15 | Quantity: 4 |
| 25 mm Construction Rail, L = 9" | THORLABS | XE25L09 | Quantity: 8 |
| High Performance Black Masking Tape, 2" x 60 yds. (50 mm x 55 m) Roll | THORLABS | T743-2.0 | Quantity: 1 |
| Low-Profile T-Nut, 1/4"-20 Tapped Hole, Qty: 10 | THORLABS | XE25T3 | Quantity: 1 |
| 1/4"-20 Low-Profile Channel Screws (100 Screws/Box) | THORLABS | SH25LP38 | Quantity: 1 |
| 60" (W) x 3 yds. (L) x 0.005" (T) (1.5 m x 2.7 m x 0.12 mm) Blackout Fabric | THORLABS | BK5 | Quantity: 1 |
| CAMERA, LASER and MICROSCOPE | |||
| EMCCD camera | ANDOR | iXon Ultra 897 | Quantity: 1 |
| 400 mW single mode green laser | LASER QUANTUM | torus 532 | Quantity: 1 |
| Research Inverted System Microscope | OLYMPUS | IX71 | Quantity: 1 |
Riferimenti
- Brillouin, L. Diffusion de la lumiere et des rayonnes X par un corps transparent homogene; influence del’agitation thermique. Ann. Phys. (Paris) . 17, 88-122 (1922).
- Scarcelli, G., Yun, S. H. Multistage VIPA etalons for high-extinction parallel Brillouin spectroscopy. Opt. Exp. 19 (11), 10913-10922 (2011).
- Scarcelli, G. Confocal Brillouin microscopy for three-dimensional mechanical imaging. Nat. Phot. 2 (1), 39-43 (2008).
- Nichols, A. J., Evans, C. L. Video-rate Scanning Confocal Microscopy and Microendoscopy. J. Vis. Exp. (56), e3252 (2011).
- Steelman, Z., Meng, Z., Traverso, A. J., Yakovlev, V. V. Brillouin spectroscopy as a new method of screening for increased CSF total protein during bacterial meningitis. J. Biophoton. 8 (5), 1-7 (2014).
- Koski, K. J., Yarger, J. L. Brillouin imaging. Appl. Phys. Lett. 87 (6), 061903 (2005).
- Faris, G. W., Jusinski, L. E., Hickman, A. P. High-resolution stimulated Brillouin gain spectroscopy in glasses and crystals. J. Opt. Soc. Am. B. 10 (4), 587-599 (1993).
- Scarcelli, G., Yun, S. H. In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye. Opt. Exp. 20 (8), 9197-9202 (2012).
- Scarcelli, G., Besner, S., Pineda, R., Kalout, P., Yun, S. H. In Vivo Biomechanical Mapping of Normal and Keratoconus Corneas. Jama Ophtalmol. , (2015).
- Scarcelli, G., Kim, P., Yun, S. H. In Vivo Measurement of Age-Related Stiffening in the Crystalline Lens by Brillouin Optical Microscopy. Biophys. J. 101 (6), 1539-1545 (2011).
- Antonacci, G., Foreman, M. R., Paterson, C., Török, P. Spectral broadening in Brillouin imaging. Appl. Phys. Lett. 103 (22), 221105 (2013).
- Meng, Z., Traverso, A. J., Yakovlev, V. Background clean-up in Brillouin microspectroscopy of scattering medium. Opt. Exp. 22 (5), 5410-5415 (2014).
- Reiss, S., Burau, G., Stachs, O., Guthoff, R., Stolz, H. Spatially resolved Brillouin spectroscopy to determine the rheological properties of the eye lens. Biomed. Opt. Exp. 2 (8), 2144-2159 (2011).
- Scarcelli, G., Kling, S., Quijano, E., Pineda, R., Marcos, S., Yun, S. H. Brillouin microscopy of collagen crosslinking: noncontact depth-dependent analysis of corneal elastic modulus. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 54 (2), 1418-1425 (2013).
