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撰稿人 | 王通
论文题目 | Flexible minimally invasive coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (CARS) measurement method with tapered optical fiber probe for single-cell application
作者 | 王通，江俊峰，刘琨，王双，钮盼盼，刘译泽，刘铁根
完成单位 | 天津大学
论文导读
相干反斯托克斯拉曼散射光谱（CARS）技术是一种无标记的和化学特异性强的探测方法，其在单细胞水平光学检测方面具有很好的应用前景。近期，天津大学江俊峰教授、刘铁根教授课题组在 PhotoniX 发表论文“Flexible minimally invasive coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (CARS) measurement method with tapered optical fiber probe for single-cell application”。文中，作者开发了面向单细胞应用、灵活微侵入锥形光纤探针的CARS探测技术。光纤探针代替传统的大数值孔径物镜实现待测目标内部的CARS信号激发。锥形光纤探针可直接将CARS激发光输送到待测目标内部并激发CARS信号，样品的前向CARS信号被激发后被接收光纤收集。实验中采用空心玻璃球模拟细胞应用场景，通过插入模拟细胞实现其中多种化学物质测量，从概念上证明了光纤探针具备探测细胞内的碳氢键及其浓度的能力。该工作将来有望用于在体活细胞微侵入检测。
研究背景
探测细胞内的生物分子及其浓度对于癌症、动脉粥样硬化等流行的人类疾病的致病机理研究和早期诊断至关重要。由于具有化学特异性强的和无标记的优点，CARS特别适用于细胞内分子检测，这种检测是通过探测目标分子的振动信息来实现的。传统的CARS系统使用高数值孔径的物镜会聚激发光于样品上来激发CARS信号。这种CARS系统实现了人工高度分离的单细胞检测，但是生物组织中折射率分布不均会导致会聚的激发光被散射，无法有效激发目标细胞的CARS信号，从而限制了基于高数值孔径的CARS系统对组织深处的单细胞进行探测。而光纤作为激发光的载体可以克服这种限制，制备CARS光纤探针可以将激发光直接传递到样品。微透镜系统可以替代传统的高数值孔径物镜会聚光纤出射的激发光并激发CARS信号，但是毫米级尺寸会对生物组织造成破坏。近年来出现的光学进展，包括超材料、新型光纤设计和3D打印器件，使CARS光纤内窥镜探头具备了进一步小型化的可能，但是制作设备昂贵且制备过程复杂。
技术突破
本工作提出了一种面向单细胞应用的、灵活微侵入锥形光纤探针的CARS检测方法，实验装置如图1所示。一种少模光纤被选择制备成锥形光纤探针，这种少模光纤产生的四波混频信号的波数段（3400 cm-1~3800 cm-1）与碳氢键CARS信号波数段（2700 cm-1~3200 cm-1）不重叠，避免了四波混频信号对CARS信号的干扰，激发的前向CARS信号同样被少模光纤收集。光纤被制备成非绝热锥以避免高阶模的产生，从而避免模间色散对CARS信号的影响。锥形光纤探针聚焦CARS激发光到样品内部，且在聚焦点没有空间失配。通过理论分析和计算不同外界折射率下锥形光纤探针中的光功率，以及锥形光纤探针引起的色散和非线性。结果表明，锥形光纤探针末端的包层直径为11.61 μm的锥形光纤探头能够有效传递和聚焦CARS激发光，并且不会对激发脉冲造成明显的时域增宽或光谱偏移。实验中采用空心玻璃球模拟细胞应用场景，通过插入模拟细胞实现其中多种化学物质测量。分别向模拟细胞中注入甲醇、乙醇和环己烷溶液，锥形光纤探针探测的CARS信号如图2（b）所示，实验结果证明了其区分不同碳氢键的能力。实验中还向模拟细胞中注射0~100 %的丙酮溶液并使用锥形光纤探针检测其浓度，结果如图2（c）所示。在浓度50 %~100 %范围内的探测分辨率约为16 mM。同时，在10 %丙酮浓度下，碳氢键和氢氧键被清楚的区分。上述结果验证了锥形光纤探针应用于单细胞检测的可行性。
图1 柔性CARS光纤探针实验装置图。
图2 （a）锥形光纤探针探测模拟细胞；（b）模拟细胞中注入甲醇、乙醇和环己烷时探测到CARS光谱；（c）不同浓度丙酮的CARS光谱。
观点评述
本工作提出了一种面向单细胞应用的、灵活微侵入锥形光纤探针的CARS检测方法。光纤被制备成绝热锥形光纤探针用于聚焦CARS激发光到样品内部，且焦点位置不会空间失配。一种四波混频信号波数段（3400 cm-1~3800 cm-1）与碳氢键CARS信号波数段（2700 cm-1~3200 cm-1）不重叠的少模光纤被用于制备光纤探针、传输CARS激发光和收集CARS信号。通过理论分析和计算锥形光纤中的光功率占比和锥形光纤探针引起的色散和非线性，结果证明，锥形光纤探针末端的包层直径为11.61 μm的锥形光纤探头能够有效传递和聚焦CARS激发光，并且不会对激发脉冲造成明显的时域增宽或光谱偏移。实验中注射甲醇、乙醇、环己烷和不同浓度的丙酮进入模拟细胞，并将锥形光纤探针插入模拟细胞内部并探测内部样品的CARS光谱，概念性证明了其具备探测细胞内碳氢键及其浓度的能力。这种CARS光纤探针为术中无标记检测的实时组织病理学诊断提供了有前景的解决方案。
主要作者
江俊峰，天津大学英才教授、博士生导师。中国光学学会光电技术专业委员会常务委员、天津市光纤传感工程中心主任，天津市光纤光子学国际联合研究中心常务副主任。长期从事光纤传感、光电检测、光纤偏振技术等领域的研究工作。主持国家自然科学基金重点项目、国家973计划课题、科技部国家重大仪器专项任务、中国工程院咨询研究重大项目课题等项目。发表SCI论文140余篇，出版中文和英文著作5部。授权美国发明专利8项，授权中国发明专利110项。荣获国家技术发明二等奖1项、省部级科技一等奖5项；中国专利金奖1项，中国专利优秀奖2项等。
王通，2016年获工学学士学位，2019年获理学硕士学位，现于天津大学光学工程专业攻读博士学位。目前研究方向为非线性光纤光学和相干拉曼散射显微镜。
本文出处
发表于：PhotoniX
论文链接：
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-022-00058-0
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