Multimodalne nieliniowe hiperspektralne obrazowanie chemiczne przy użyciu mikroskopii generacji drgań i częstotliwości ze skanowaniem liniowym
1 grudnia 2023
Multimodalny, szybki system obrazowania hiperspektralnego został opracowany w celu uzyskania szerokopasmowych obrazów generowania oscylacyjnej sumy częstotliwości (VSFG), wraz z modalnościami obrazowania jasnego pola i generacji drugiej harmonicznej (SHG). Ze względu na to, że częstotliwość podczerwieni rezonansuje z drganiami molekularnymi, ujawnia się mikroskopijna wiedza o morfologii strukturalnej i mezoskopowej próbek dopuszczonych do symetrii.
Naszym celem jest zbadanie mezoskopowo niejednorodnych próbek samoorganizujących się, takich jak tkanki biologiczne, w celu ujawnienia ich składu chemicznego i układów molekularnych. Badamy, w jaki sposób mikroskopijny układ i mezoskopowa morfologia tych materiałów własnych odnoszą się do ich mikroskopijnych właściwości. Dzięki postępom w zakresie obiektywów mikroskopowych o dużej aperturze numerycznej i odbiciu, wraz z innymi zademonstrowaliśmy oscylacyjny mikroskop generujący o sumie częstotliwości o rozdzielczości jednego mikrona kwadratowego, który może jednocześnie rejestrować obrazy miękkich materiałów, a także przestrzennie rozdzielać widmo, tworząc tak zwane obrazy hiperspektralne.
Obrazowanie hiperspektralne rejestruje dane eksperymentalne w wielu wymiarach, dwa w przestrzeniach, jeden w częstotliwości i ewentualnie jeden w czasie. Jednak szybkie gromadzenie, przechowywanie i analizowanie tak dużych zbiorów danych w celu maksymalizacji informacji pozostaje wyzwaniem. Próbkowanie obrazu tylko w celu zebrania przydatnych punktów danych jest również trudne.
Opracowując szybszą technologię skanowania liniowego, mogliśmy 100-krotnie przyspieszyć czas pozyskiwania danych. Ponadto mikroskop jest kompatybilny z generacją częstotliwości sumarycznej (SFG), generacją drugiej harmonicznej (SHG), a także z obrazowaniem szerokokątnym. Obrazowanie multimodalne umożliwia szybką inspekcję próbek za pomocą obrazowania optycznego i korelacji różnych modalności obrazowania.
Obrazowanie SHG wspomaga technikę optyczną naszej techniki, ale bez spektralnej zdolności rozdzielczej, jest szeroko stosowane w biofizyce. Nasz mikroskop SFG będzie teraz w stanie dostarczyć potężnych informacji na poziomie molekularnym, których obecnie brakuje w badaniach biofizycznych tkanek miękkich.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
To badanie prezentuje multimodalny obrazowanie hiperspektralne zaprojektowane w celu przechwytywania obrazów sumy generacji częstotliwościowej (VSFG) o szerokim paśmie obok trybów obrazowania brightfield i generacji drugiej harmoniki (SHG). Ramy mają na celu poprawę zrozumienia mikroskopijnych i mezoskopijnych struktur w samozbierających się tkankach biologicznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Biofizyka
- Techniki obrazowania
Tło
- Samozbierające się próbki wykazują heterogeniczność mezoskopijną.
- Zrozumienie składu chemicznego i ułożeń molekularnych jest kluczowe.
- Postępy w mikroskopii poprawiły rozdzielczość i możliwości obrazowania.
- Obrazowanie hiperspektralne rejestruje dane w wielu wymiarach.
Cel badania
- Zbadanie związku między ułożeniem mikroskopijnym a morfologią mezoskopijną.
- Poprawa obrazowania miękkich materiałów w wysokiej rozdzielczości.
- Rozwiązanie wyzwań w zbieraniu i analizie danych w obrazowaniu hiperspektralnym.
Stosowane metody
- Rozwój multimodalnego obrazowania obrazującego.
- Wykorzystanie mikroskopi sumy generacji częstotliwościowej.
- Symultaniczne rejestrowanie wielu trybów obrazowania.
- Techniki zbierania i analizy danych dla obrazów hiperspektralnych.
Główne wyniki
- Udana akwizycja obrazów VSFG o szerokim paśmie.
- Poprawa rozdzielczości w obrazowaniu samozbierających się tkanek biologicznych.
- Wgląd w strukturalne i morfologiczne cechy próbek.
- Identyfikacja wyzwań w zarządzaniu danymi i analizie.
Wnioski
- Opracowany rama znacząco poprawia możliwości obrazowania.
- Daje cenne informacje na temat właściwości tkanek biologicznych.
- Przyszła praca skupi się na poprawie technik przetwarzania danych.
Często zadawane pytania
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.
