أصبح المجهر الضوئي تقنية كبيرة لرؤية تدميري من العمليات الحيوية في الكائنات النظم البيولوجية مع قرار التحت خلوية. مضان المجهر حاليا على النقيض التصوير الأكثر شعبية المستخدمة في الخلايا الحية نظرا لخصوصيته عالية وحساسية 1. وقد ظهرت لوحة كبيرة من تحقيقات الفلورسنت (الأصباغ الخارجية والبروتينات المشفرة وراثيا، النانوية أشباه الموصلات). وقد ازدهرت مختلف عينة الإضاءة التقنيات التي تعتمد الفلورسنت (مثل المجهر متحد البؤر أو اثنين الفوتون) لإجراء التصوير 3D وللحد من العيب الرئيسي لهذا الأسلوب الذي photobleaching من 2. وتشمل القيود الأخرى شرط وضع العلامات fluorophore لأن معظم الأنواع الجزيئية ليست الفلورسنت جوهريا، وبالتالي هذه fluorophores يتعين عرضه بشكل مصطنع في العينة المصورة. قد يكون هذا التلاعب الاصطناعي التخريبية خاصة بالنسبة للجزيئات صغيرة أو يحرض عاءential الصور سمية. هذه الأسباب تجعل مضان المجهر ليس مناسبة تماما لالمجراة في عمليات الرصد. وبالتالي، فإن استخدام تقنيات التصوير البصرية مع حساسية عالية والتناقضات الجزيئية محددة دون استخدام جزيئات الفلورسنت مرغوب فيه للغاية في العلوم الطبية الحيوية.
ظهرت عدة تقنيات التصوير البصرية اللاخطية دون وضع العلامات أو تلطيخ، بما في ذلك الجيل الثاني التوافقي (SHG) 3،4 والجيل الثالث التوافقي (THG) 5. وقد استخدمت مجموعات المساعدة الذاتية المجهر إلى الترتيبات الهيكلية صورة على مستوى supramolecular مثل الأنابيب الدقيقة أو الكولاجين 6. يتم إنشاء THG من التغاير البصرية مثل واجهة بين وسط مائي والدهون (7). وقد تجلى THG أيضا إلى صورة المايلين 8،9. وفي كلتا الطريقتين يمكن تنفيذها على مضان المجهر ثنائي الفوتون وتتطلب شعاع ليزر واحد فقط. ومع ذلك فإنها تتطلب كثافة الليزر عالية الطاقة (عادة 50ميغاواط في 860 نانومتر للمجموعات المساعدة الذاتية 10، 25 - 50 ميغاواط في 1180 نانومتر لTHG 9)، والتي هي ضارة في عينات المعيشة، وليس لتوفير خصوصية الكيميائية المطلوبة للا لبس فيه صورة الهياكل البيولوجية المحددة.
كيميائيا التصوير الانتقائي يمكن الحصول عليها من المتأصلة إشارات اهتزاز الجزيئية على أساس تشتت رامان. عندما شعاع من ضوء يضرب المسألة، الفوتونات يمكن استيعابها ومتناثرة من الذرات أو الجزيئات. ومعظم الفوتونات المنتشرة لها نفس الطاقة، أي تردد، كما الفوتونات الحادث. وتسمى هذه العملية نثر رايلي. ومع ذلك، سوف تكون مبعثرة عدد قليل من الفوتونات في تردد بصري يختلف عن تردد الفوتونات الحادث، أي مع عملية نثر غير مرن دعا رامان نثر. الفرق في الطاقة تأتي من الإثارة وسائط الذبذبات اعتمادا على التركيب الجزيئي والبيئة. لذلك، رامان عفوية نثر الأقليمايديس التصوير انتقائية كيميائيا كما الجزيئات المختلفة لها ترددات الذبذبات محددة. ومع ذلك فإنه محدود بسبب اشارة ضعيفة للغاية. وقد تم تطوير متحد البؤر رامان المجهري ويوفر القرار المكانية 3D، ولكنه يتطلب ارتفاع متوسط السلطة والاستحواذ وقت طويل لل11. للتغلب على هذه الصعوبات، وقد سمحت التطورات الحديثة في تكنولوجيا الليزر صعود غير الخطية المجهر الذبذبات الضوئية، ولا سيما متماسك نثر المضادة للستوكس رامان (CARS) 11،12،13.
السيارات هي ثالث ترتيب عملية البصرية اللاخطية. ثلاثة أشعة الليزر، ويتألف من شعاع مضخة في تردد ω P، وتركز شعاع ستوكس في تردد ω S وشعاع مسبار (وهي في معظم الأحيان مضخة) في عينة وتوليد شعاع مكافحة ستوكس في تردد ω AS = ( 2ω P - ω S) 14. إشارة المضادة للستوكس يمكن أن تتعزز بشكل كبير عندما يكون الفرق ترددبين المضخة وستوكس الحزم يتم ضبطها لرامان الجزيئي الاهتزاز Ω R = (ω ف - ω S). ويستند إشارة سيارات على تفاعل الفوتون متعددة. وبالتالي فإنه يولد أوامر إشارة متماسكة من حجم أقوى من تشتت رامان عفوية.
وقد تجلى CARS المجهر لأول مرة بشكل تجريبي من قبل دنكان وآخرون. 15. تسومبوش آخرون تحسين ثم هذه التقنية، وباستخدام اثنين تركز بالقرب من الأشعة تحت الحمراء أشعة الليزر الفيمتو ثانية مع عدسة الهدف من الفتحة العددية العالية، مما يتيح للمرحلة حالة مطابقة السيارات وتجنب ثنائي الفوتون غير الرنانة الخلفية 16. ولذلك فقد ظهرت سيارات المجهر كأداة قوية ليعيش الخلايا والأنسجة والتصوير، عن طريق الكشف كيميائيا جزيئات مثل الدهون (عن طريق الاهتزاز CH تمتد) 17،18 والمياه (عن طريق الاهتزازات تمتد OH)، والبروتينات، الحمض النووي في الخلايا الحية 19،20 ولكن أيضا بالديوتيريوم مركب كيميائيالصورة للصناعات الدوائية 21 وتطبيقات التجميل 22.
فإن القيود الرئيسية من المجهري غير الخطية تنبع من تعقيد وتكلفة من المصادر الضوئية. يتطلب نظام السيارتين الليزر الطول الموجي الانضباطي مع فترات نبض قصيرة ومع القطارات نبض متزامنة زمنيا ومكانيا. واستندت السيارات في وقت مبكر المجاهر على اثنين بيكو ثانية متزامنة تي: ليزر الياقوت 20. تم الحصول CARS التصوير أيضا من واحد الفيمتو ثانية تي: ليزر الياقوت توليد مصدر الضوء supercontinuum 23. في الآونة الأخيرة، ومصادر الليزر تتكون من واحد الفيمتو ثانية تي: لقد تم استخدام ليزر الياقوت ضخ مؤشرات التذبذب حدودي البصرية الانضباطي (OPO) للسيارات المجهر. هذا الإعداد يسمح جوهريا مزامنة مؤقتا الحزم مع فرق من التردد بين المضخة وشعاع ستوكس تغطي كامل طيف الذبذبات الجزيئي 24. وبالإضافة إلى ذلك، المجاهر المسح بالليزر على أساس turn-تتوفر الآن لعدم الفيزياء مفتاح ليزر خ م وOPO، وتستخدم في المقام الأول لمدة الفوتون مضان (مدفوعات نهاية الخدمة). إمكانات هذه مجموعة عمليات يمكن أن تتعزز بشكل كبير دون الحاجة إلى استثمارات تكميلية عن طريق دمج الآخرين التصوير الضوئي غير الخطية، لأن كل الخطية (NLO) التصوير طريقة حساسة للهياكل أو جزيئات محددة. لذا المتعدد الوسائط NLO التصوير تستفيد من إمكانات NLO المجهري لعينات بيولوجية معقدة 25. وقد سمح للاقتران من هذه التقنيات في تحقيق العديد من الأسئلة الحيوية، ولا سيما على ايض الدهون والجلد أو سرطان تطوير 26، والهيكل العظمي تنمية العضلات 27، آفات تصلب الشرايين 28. وعلاوة على ذلك، فإن تنفيذ شعاع الليزر المسح الضوئي مع CARS يعطي القدرة على التصوير ارتفاع معدل، أي أداة جذابة لدراسة العمليات الديناميكية في الجسم الحي.
والهدف من هذا العمل هو إظهار كل خطوة لتنفيذ رتقنية انه CARS على multiphoton الليزر مجهر المسح القياسية. ويستند المجهر على تي fsec: ليزر الياقوت وOPO (التي تضخها تي: ليزر الياقوت) التي تديرها برنامج لعلماء الأحياء. تم تنفيذ التكامل عن طريق ضبط طول واحد من مسار شعاع الليزر من أجل مزامنة في الوقت شعاعين. وصفنا تنفيذ خطوة بخطوة من هذا الأسلوب الذي يتطلب الخلفية الأساسية فقط في مجال البصريات التجريبية. نحن لتوضيح أيضا CARS التصوير الحصول على الأغماد المايلين العصب الوركي من القوارض، ونظهر هذا التصوير لا يمكن أن يؤديها في وقت واحد مع الآخرين التصوير الضوئي غير الخطية، مثل تقنية مضان ثنائي الفوتون القياسية والجيل الثاني التوافقي.