라인 스캐닝 진동 합계-주파수 생성 현미경을 사용한 다중 모드 비선형 초분광 화학 이미징
2023년 12월 1일
명시야, 2차 고조파 생성(SHG) 이미징 방식과 함께 광대역 진동 합-주파수 생성(VSFG) 이미지를 얻기 위해 다중 모드의 빠른 초분광 이미징 프레임워크가 개발되었습니다. 적외선 주파수가 분자 진동과 공명하기 때문에 대칭 허용 샘플에 대한 미세한 구조 및 중경 형태 지식이 드러납니다.
우리는 생물학적 조직과 같은 메조스코프적으로 이질적인 자가 조립 샘플을 연구하여 화학적 조성과 분자 배열을 밝히는 것을 목표로 합니다. 우리는 이러한 자체 물질의 미세한 배열과 메조스코프 형태가 미세한 특성과 어떻게 관련되어 있는지 탐구하고 있습니다. 높은 개구수 및 반사 기반 현미경 대물렌즈의 발전으로 당사와 다른 사람들은 1제곱 미크론 분해능의 진동 합-주파수 생성 현미경을 시연했으며, 이 현미경은 부드러운 물질의 이미지를 동시에 기록하고 스펙트럼을 공간적으로 분해하여 소위 초분광 이미지를 형성할 수 있습니다.
초분광 이미징은 실험 데이터를 여러 차원으로 기록하는데, 공간에 2개, 주파수에 1개, 시간에 1개가 기록될 수 있습니다. 그러나 이러한 빅 데이터를 빠르게 수집, 저장 및 분석하여 정보를 극대화하는 것은 여전히 어려운 과제입니다. 유용한 데이터 포인트를 수집하기 위해서만 이미지를 샘플링하는 것도 어렵습니다.
더 빠른 라인 스캐닝 기술을 개발함으로써 데이터 수집 시간을 100배 단축할 수 있었습니다. 또한 이 현미경은 합 주파수 생성 또는 SFG, 2차 고조파 생성 또는 SHG 및 광시야 이미징과 호환됩니다. 멀티모달리티(Multimodality) 이미징을 사용하면 광학 이미징을 사용하여 샘플을 빠르게 검사하고 다양한 이미지 모달리티를 상호 연관시킬 수 있습니다.
SHG 이미징은 우리 기술의 광학 기술을 지원하지만 스펙트럼 분해능이 없으면 생물 물리학에 널리 사용됩니다. 당사의 SFG 현미경은 이제 연조직의 생물물리학 연구에서 현재 누락된 강력한 분자 수준의 통찰력을 제공할 수 있습니다.
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개요
이 연구는 광범위한 진동 합주파 생성(VSFG) 이미지를 밝은 필드 및 이차 고조파 생성(SHG) 이미징 모달리티와 함께 캡처하도록 설계된 멀티모달 고감도 이미징 프레임워크를 제시합니다. 이 프레임워크는 자기 조립된 생물학적 조직의 미시적 및 메조스코픽 구조에 대한 이해를 향상시키는 것을 목표로 합니다.
주요 연구 요소
과학 분야
- 신경과학
- 생물물리학
- 이미징 기술
배경
- 자기 조립된 샘플은 메조스코픽 이질성을 나타냅니다.
- 화학 조성 및 분자 배열을 이해하는 것이 중요합니다.
- 현미경의 발전으로 해상도 및 이미징 기능이 향상되었습니다.
- 고감도 이미징은 여러 차원에서 데이터를 캡처합니다.
연구 목적
- 미시적 배열과 메조스코픽 형태 사이의 관계를 조사합니다.
- 고해상도로 연질 물질의 이미징을 향상시킵니다.
- 고감도 이미징에서 데이터 수집 및 분석의 문제를 해결합니다.
사용된 방법
- 멀티모달 이미징 프레임워크의 개발.
- 진동 합주파 생성 현미경의 활용.
- 여러 이미징 모달리티의 동시 기록.
- 고감도 이미지의 데이터 수집 및 분석 기술.
주요 결과
- 광범위한 VSFG 이미지의 성공적인 획득.
- 자기 조립된 생물학적 조직 이미징의 해상도 향상.
- 샘플의 구조적 및 형태적 특성에 대한 통찰.
- 데이터 관리 및 분석의 문제 식별.
결론
- 개발된 프레임워크는 이미징 기능을 크게 향상시킵니다.
- 생물학적 조직의 속성에 대한 귀중한 통찰을 제공합니다.
- 향후 작업은 데이터 처리 기술의 개선에 중점을 둘 것입니다.
자주 묻는 질문
Executive Industry Relevance
Multimodal nonlinear hyperspectral chemical imaging using line-scanning VSFG microscopy enables high-resolution, label-free visualization of chemical and structural heterogeneity in biological tissues and self-assembled materials. This capability addresses a critical gap in resolving mesoscopic morphology and molecular arrangement, supporting predictive confidence in early discovery and target validation. The approach enhances portfolio decision-making by providing molecular-level insights that are not accessible with conventional imaging modalities.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct visualization of non-centrosymmetric and chiral structures relevant to biological targets.
- Supports functional target validation by correlating chemical composition with mesoscopic morphology.
- Improves predictive confidence in mechanistic studies of soft tissue and self-assembled systems.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated biological systems for downstream screening workflows.
- Provides quantitative, spatially resolved chemical information for assay standardization.
- Enables reproducible imaging of heterogeneous samples, supporting reliable compound evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Aligns imaging outputs with disease-relevant tissue structures for translational biomarker studies.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by resolving molecular arrangements in situ.
- Reduces biological risk by clarifying structure-function relationships in complex samples.
Pipeline & Workflow Integration
This imaging platform integrates from early discovery through preclinical research, bridging hypothesis testing, target validation, and translational studies.
- Discovery Biology: Provides high-content, label-free chemical imaging for hypothesis testing and pathway clarification.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs for assay readiness and compound triage.
- Analytics: Generates hyperspectral datasets enabling robust comparison of sample conditions and morphologies.
- Translational Research: Connects molecular imaging to disease-relevant tissue analysis, supporting biomarker alignment.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, multimodal imaging capability adaptable across diverse biological and material systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in target validation.
- Operational Value: Accelerates data acquisition and standardizes imaging workflows for heterogeneous samples.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and enhances capital efficiency by providing molecular-level insights early in the pipeline.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of discovery and preclinical programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in nonlinear optical imaging and hyperspectral data analysis.
- Demands advanced instrumentation, including high numerical aperture objectives and line-scanning technology.
- Necessitates cross-team standardization for data acquisition and interpretation.
- Adaptable to a range of biological and material model systems with appropriate optimization.
- Data management and analysis infrastructure must address the challenges of large hyperspectral datasets.
