Мультимодальная нелинейная гиперспектральная химическая визуализация с использованием линейно-сканирующей колебательной суммарной частотной генерации микроскопии
December 1st, 2023
Для получения широкополосных изображений с генерацией колебаний с суммарной частотой (VSFG) была разработана мультимодальная структура быстрой гиперспектральной визуализации, а также модально визуализации светлопольной генерации второй гармоники (ГВГ). Благодаря тому, что инфракрасная частота резонирует с молекулярными колебаниями, выявлены микроскопические структурные и мезоскопические морфологические знания образцов с допустимой симметрией.
Мы стремимся исследовать мезоскопически гетерогенные самоорганизующиеся образцы, такие как биологические ткани, чтобы выявить их химический состав и молекулярное расположение. Мы исследуем, как микроскопическое расположение и мезоскопическая морфология этих собственных материалов связаны с их микроскопическими свойствами. Благодаря достижениям в области объективов микроскопов с высокой числовой апертурой и отражательными объективами, мы, как и другие, продемонстрировали колебательный суммарно-частотный генерирующий микроскоп с разрешением в один квадратный микрон, который может одновременно записывать изображения мягких материалов, а также пространственно разрешать спектральные изображения, формируя так называемые гиперспектральные изображения.
Гиперспектральная визуализация регистрирует экспериментальные данные в нескольких измерениях, два в пространстве, одно по частоте и, возможно, одно во времени. Однако быстрый сбор, хранение и анализ таких больших данных для максимального использования информации остается сложной задачей. Выборка изображения только для сбора полезных данных также является сложной задачей.
Разработав более быструю технологию линейного сканирования, мы смогли сократить время сбора данных в 100 раз. Кроме того, микроскоп совместим с генерацией суммарной частоты (SFG), генерацией второй гармоники (SHG), а также с широкоугольной визуализацией. Мультимодальная визуализация позволяет быстро исследовать образцы с помощью оптической визуализации и коррелировать различные методы изображения.
Визуализация ГВГ помогает оптическому методу нашего метода, но без спектральной разрешающей способности широко используется в биофизике. Наш микроскоп SFG теперь сможет предоставить мощную информацию на молекулярном уровне, которая в настоящее время отсутствует в биофизических исследованиях мягких тканей.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Обзор
Это исследование представляет собой мультимодальный гиперспектральную рамку имэйджинга, предназначенную для захвата широкополосных вибрационных суммарно-частотных генерационных (VSFG) изображений наряду с ярким полем и имэйджингом второй гармоники (SHG). Целью рамки является улучшение понимания микроскопических и мезоскопических структур в самосборных биологических тканях.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Биофизика
- Имэйджинг техники
Бэкграунд
- Самосборные образцы проявляют мезоскопическую неоднородность.
- Понимание химического состава и молекулярных расположений является критически важным.
- Достижения в микроскопии улучшили разрешение и возможности имэйджинга.
- Гиперспектральное имэйджинг занимает данные в нескольких измерениях.
Цель исследования
- Исследовать связь между микроскопическим расположением и мезоскопической морфологией.
- Улучшить имэйджинг мягких материалов с высоким разрешением.
- Решить проблемы сбора и анализа данных в гиперспектральном имэйджинге.
Используемые методы
- Разработка мультимодального имэйджинг рамки.
- Использование микроскопии вибрационной суммарной частотной генерации.
- Одновременная запись нескольких имэйджинг модальностей.
- Техники сбора и анализа данных для гиперспектральных изображений.
Основные результаты
- Успешное получение широкополосных VSFG изображений.
- Улучшенное разрешение в имэйджинге самосборных биологических тканей.
- Представления структурных и морфологических характеристик образцов.
- Определение вызовов в управлении и анализе данных.
Выводы
- Разработанная рамка значительно улучшает возможности имэйджинга.
- Она предоставляет ценные представления о свойствах биологических тканей.
- Будущая работа будет направлена на улучшение техник обработки данных.
Часто задаваемые вопросы
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.
