技术发展可以将拉曼显微镜带入临床

研究人员开发了一种拉曼显微镜，其获取信息的速度比传统拉曼显微镜快数百倍。拉曼显微镜是一种强大的非侵入性工具，用于对细胞和组织进行复杂的化学分析，这项技术的发展可以帮助扩大其在生物医学应用中的实用性。

“我们的高通量拉曼光谱成像可以在没有任何样品预处理的情况下快速成像和分析大面积区域，这可能使其可用于医学诊断和用于筛选新药的测试，”大阪大学的研究团队负责人KatsumasaFujita说。该技术支持的无标记、高通量多重化学成像和分析也可用于实现新应用或克服当前方法的局限性。

在Optica出版集团期刊BiomedicalOpticsExpress上，研究人员描述了他们新的多线照明共聚焦拉曼显微镜方法。它的工作原理是并行检测样品的不同区域，从而实现快速拉曼高光谱成像。他们表明，该技术可以在大约1380分钟内获得视野为800x11像素的生物组织的高光谱图像。使用传统的拉曼显微镜需要数天时间才能获得。

“我们希望高通量拉曼成像最终能够更高效、更准确地进行医学诊断，同时可能实现以前不可能的诊断，”Fujita说。“使用拉曼成像进行无标记分子分析也可用于有效检测细胞的药物反应，有助于药物开发。

更快地捕获化学信息

拉曼光谱通过使用光激发分子振动，为样品的化学组成提供了重要的见解。由此产生的分子振动会产生一种化学指纹，可用于识别样品的成分。拉曼显微镜通过获得非常高分辨率的光谱图像更进一步，这对于细胞和组织的成像非常有用。然而，由于光谱分辨率和成像速度之间的权衡，拉曼显微镜在临床上使用并不实用。

新的多线照明方法建立在研究团队先前开发的一种称为线照明拉曼显微镜的技术之上。这种方法比传统的共聚焦拉曼显微镜更快，并且能够对活细胞进行动态成像，但对于医学诊断和组织分析通常需要的大面积成像来说仍然太慢。

“为了解决这个问题，我们开发了多线照明拉曼显微镜，它获取大面积图像的速度比线照明拉曼显微镜快约20倍，”Fujita说。“使用我们的新技术，可以根据应用调整光谱像素数或分辨率和成像速度。在未来，随着相机继续开发具有更多像素的相机，甚至更快的成像速度可能是可能的。

组装系统

该团队的新型多线照明拉曼显微镜用多线形激光束同时照射样品中的约20，000个点。然后，从辐照位置产生的拉曼散射光谱记录在一次曝光中，其中包含样品中拉曼光谱的空间信息。扫描穿过样品的激光束可以重建二维高光谱拉曼图像。

为了实现这一目标，研究人员使用圆柱透镜阵列-由周期性排列的多个圆柱透镜组成的光学元件-从单个激光束产生多个线形激光束。他们将其与能够同时获取20，000个光谱的分光光度计相结合。滤光片对于避免分光光度计检测器上光谱之间的串扰也很重要。

具有大量像素的高灵敏度、低噪声CCD相机也至关重要。“这款CCD相机允许在CCD芯片上分布20，000个拉曼光谱并同时进行检测，”Fujita说。“定制的分光光度计也发挥了重要作用，通过在相机上形成光谱的2D分布而没有明显的失真。

测试性能

研究人员使用新技术从活细胞和组织中获取测量值，以测试其在生物医学应用中的成像性能和潜力。他们表明，用21条同时照明线照射小鼠大脑样本可以在短短1.108分钟内获得800，11，4个光谱。他们还对小鼠肾脏和肝脏组织进行了测量，并进行了无标记的活细胞分子成像。

“使用拉曼标签和探针的小分子成像和超多重成像也可以从这种技术中受益，因为它们不需要光谱中的大量像素，并且可以从快速成像中受益，”Fujita说。

为了将这种技术应用于医学诊断，研究人员表示，建立一个拉曼图像数据库非常重要，由于其速度和大成像区域，新的拉曼显微镜可以有效地完成这项工作。他们还在努力将系统的速度提高约10倍，并希望降低相机，激光和分光光度计的成本，以使商业化更加实用。