Ablehnung des Fluorescence Resonance Hintergrund in und Spontane Raman Mikrospektroskopie
Summary
Wir diskutieren den Bau und Betrieb einer komplexen nichtlinearen optischen System, das ultraschnelle all-optische Schaltelemente verwendet zu isolieren Raman von Fluoreszenz-Signalen. Mit diesem System sind wir in der Lage, erfolgreich getrennt Raman-und Fluoreszenz-Signale nutzen Pulsenergien und mittleren Leistungen, die biologisch unbedenklich bleiben.
Abstract
Raman-Spektroskopie wird häufig durch eine starke Fluoreszenz-Hintergrund geplagt, vor allem für biologische Proben. Wird eine Probe mit einem Zug der ultraschnellen Impulsen, ein System, das zeitlich trennen kann spektral überlappende Signale auf einer Pikosekunden-Zeitskala isolieren können gespannt ist prompt angekommen Raman-Streulicht aus späten Ankunft Fluoreszenzlicht. Hier besprechen wir den Bau und Betrieb einer komplexen nichtlinearen optischen System, das all-optische Schaltelemente verwendet in der Form eines Low-Power-optischen Kerr Tor zum Raman-und Fluoreszenz-Signale zu isolieren. Ein einziger 808 nm-Laser mit 2,4 W Durchschnittsleistung und 80 MHz Wiederholrate ist gespalten, mit ca. 200 mW von 808 nm Licht, das auf <5 mW von 404 nm Licht geschickt, um die Probe zu Raman-Streuung zu erregen umgewandelt. Die restlichen nicht umgesetzten 808 nm Licht wird dann zu einem nichtlinearen Medium, wo es als die Pumpe für die all-optischen Shutter geschickt. Der Verschluss öffnet und schließt in 800 fs mit einem maximalen Wirkungsgrad von etwa 5%. Mit diesem System sind wir in der Lage, erfolgreich getrennt Raman-und Fluoreszenz-Signale bei einer 80 MHz Wiederholrate mit Pulsenergien und mittleren Leistungen, die biologisch unbedenklich bleiben. Da das System keine freien Kapazitäten in Bezug auf die optische Leistung hat, haben wir ausführlich mehrere Design und Ausrichtung Überlegungen, die Hilfe bei der Maximierung des Durchsatzes der Anlage. Wir diskutieren auch unser Protokoll für den Erhalt der räumlichen und zeitlichen Überlappung der Signal-und Pumpstrahlen innerhalb der Kerr-Medium, sowie ein ausführliches Protokoll für Spektrenerfassung. Schließlich berichten wir einige repräsentative Ergebnisse der Raman-Spektren in Gegenwart von starken Fluoreszenz mit unserer Zeit-Gating-System erhalten.
Protocol
Discussion
Das Gebiet der biomedizinischen Raman-Spektroskopie hat zunehmendes Interesse in den letzten paar Jahren nicht mehr gesehen als Ergebnis seiner demonstriert Potenzial zur Lösung einigen schwierigen Herausforderungen in der biologischen Diagnostik. Zum Beispiel haben Raman-Spektren wurde gezeigt, dass diagnostische Wert in Krebsfrüherkennung 3, 4, 5, 6 haben. Raman-Spektroskopie hat auch in bakteriellen Quantifizierung 7, 8 und bakteriellen Wirkstoff Antwort 9 verwendet wurde. Es wurde …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der NSF Auszeichnung DBI 0852891 gefördert. Ein Teil dieser Arbeiten wurde auch durch das Zentrum für Biophotonik Science and Technology, einem ausgewiesenen NSF Science and Technology Center der University of California, Davis gelungen, unter Cooperative Agreement No PHY0120999 finanziert.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Lenses | ThorLabs | Various | All lenses coated to have maximum transmission losses of 1% each |
| Tunable Ti:Sapph laser | Coherent | Chameleon | 30 nJ, 200 fs, 80 MHz |
| 40X oil immersion objective | Olympus | UApo/340 | NA = 1.35 |
| Inverted microscope | Olympus | IX-71 | Modified to remove all lenses in side port |
| Half wave plate | Thorlabs | AHWP05M-600 | |
| Glan-Thompson polarizer | Thorlabs | GTH10M | ˜10% transmission loss |
| Spectrometer | PI Acton | SP2300i | |
| CCD | PI Acton | Pixis 100B | |
| Mathmatical software | The MathWorks | MATLAB | version 2008a |
| Faraday isolator | EOT | BB8-5I | |
| Piezo-electric mirror | Newport | AG-M100 | |
| BBO crystal | CASIX | custom | 1 mm thickness |
| Bandpass filter 1 | Andover | 008FC14 | 808 ± 0.4 nm |
| Dichroic mirror | Semrock | FF662-FDI01 | band edge at 662 nm |
| Long-pass filter | Semrock | BLP01-405R | band edge at 417 nm |
| Bandpass filter 2 | Semrock | FF02-447/60 | 417-447 nm |
| CS2 | Sigma-Aldrich | 335266 | 99% purity |
| Coumarin 30 | Sigma-Aldrich | 546127 | 99% purity |
| Immersion oil | Cargille | 16242 | Type DF |
References
- Savitzky, A., Golay, M. J. E. Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures. Analytical Chemistry. 36, 1627-1639 (1964).
- Lieber, C. A., Mahadevan-Jansen, A. Automated method for subtraction of fluorescence from biological Raman spectra. Applied Spectroscopy. 57, 1363-1367 (2003).
- Gniadecka, M. Melanoma diagnosis by Raman spectroscopy and neural networks: Structure alterations in proteins and lipids in intact cancer tissue. Journal of Investiga-tive Dermatology. 122, 443-449 (2004).
- Lieber, C. A., Majumder, S. K., Billheimer, D., Ellis, D. L., Mahadevan-Jansen, A. Raman microspectroscopy for skin cancer detection in vitro. Journal of Biomedical Optics. 13, 024013-024013 (2008).
- Chen, K., Qin, Y., Zheng, F., Sun, M., Shi, D. Diagnosis of colorectal cancer using Raman spectroscopy of laser-trapped single living epithelial cells. Optics Letters. 31, 2015-2017 (2006).
- Chan, J. W. Nondestructive identification of individual leukemia cells by laser trapping Raman spectroscopy. Analytical Chemistry. 80, 2180-2187 (2008).
- Zhu, Q. Y., Quivey, R. G., Berger, A. J. Measurement of bacterial concentration fractions in polymicrobial mixtures by Raman microspectroscopy. Journal of Biomedical Optics. 9, 1182-1186 (2004).
- Rösch, P. Chemotaxonomic identification of single bacteria by micro-Raman spectroscopy: Application to clean-room-relevant biological contaminations. Applied and Environmental Microbiology. 71, 1626-1637 (2005).
- Moritz, T. J. Raman spectroscopic signatures of the metabolic states of escherichia coli cells and their dependence on antibiotics treatment. Biophysical Journal. 98, 742a-742a (2010).
- Dehring, K. A. Identifying chemical changes in subchondral bone taken from murine knee joints using Raman spectroscopy. Applied Spectroscopy. 60, 1134-1141 (2006).
- Berger, A. J., Koo, T. W., Itzkan, I., Horowitz, G., Feld, M. S. Multicomponent blood analysis by near-infrared Raman spectroscopy. Applied Optics. 38, 2916-2926 (1999).
- Qi, D., Berger, A. J. Chemical concentration measurement in blood serum and urine samples using liquid-core optical fiber Raman spectroscopy. Applied Spectroscopy. 46, 1726-1734 (2007).
- Beier, B. D., Berger, A. J. Method for automated background subtraction from Raman spectra containing known contaminants. The Analyst. 134, 1198-1202 (2009).
- De Luca, A. C., Mazilu, M., Riches, A., Herrington, C. S., Dholakia, K. Online fluorescence suppression in modulated Raman spectroscopy. Analytical Chemistry. 82, 738-745 (2010).
- Evans, C. L. Chemical imaging of tissue in vivo with video-rate coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102, 16807-16812 (2005).
- Jones, W. J., Stoiche, . Inverse raman spectra: Induced absorption at optical frequencies. Physical Review Letters. 13, 657-659 (1964).
- Freudiger, . Label-Free et Imaging with High Sensitivity by Stimulated Raman Scattering Microscopy. Science. 322, 1857-1861 (2008).
- Cui, M., Bachler, B. R., Ogilvie, J. P. Comparing coherent and spontaneous Raman scattering under biological imaging conditions. Optics Letters. 34, 773-775 (2009).
- Matousek, P., Towrie, M., Stanley, A., Parker, A. W. Efficient rejection of fluorescence from Raman spectra using picosecond Kerr gating. Applied Spectroscopy. 53, 1485-1489 (1999).
- Matousek, P. Fluorescence suppression in resonance Raman spectroscopy using a high-performance picosecond Kerr gate. Journal of Raman Spectroscopy. 32, 983-988 (2001).
- Knorr, F., Smith, Z. J., Wachsmann-Hogiu, S. Development of a time-gated system for Raman spectroscopy of biological samples. Optics Express. 18, 20049-20058 (2010).
