可获得高分辨率的利用激发粒子发射激光的新型成像技术

由麻省理工学院、哈佛大学和马萨诸塞州总医院（MGH）的科学家开发了一种新的成像技术，旨在阐明深层组织结构和其他致密不透明材料的细胞结构。他们的方法使用嵌入在材料中的微小颗粒，进行发射激光。

　　研究小组把这些“激光粒子”合成一种微小筷子的形态，每一个测量头发宽度的一小部分。粒子是由碘化铅钙钛矿，这种材料也用于太阳能电池板，并有效地吸收和捕获光。当研究人员在粒子处发出激光束时，粒子照亮，发出正常的弥漫性的荧光。但是，如果他们将入射激光的功率调整到一定的“激光阈值”，粒子将立即产生激光。

　　研究人员，由麻省理工学院的研究生Sangyeon Cho领导下，证明他们能够激发粒子发射激光，并创建出了分辨率高于目前的基于荧光显微镜六倍的图像。

　　“这意味着，如果一个荧光显微镜的分辨率设置为2微米，我们的技术可以有300纳米分辨率，这比普通显微镜有6倍的改善，”Cho说。“这个想法很简单，但非常强大，可以在许多不同的成像应用中是有用的。”

　　Cho和他的同事们在《物理评论快报》杂志上发表了他们的研究成果。他的合作者包括哈佛大学的教授Seok Hyun Yun；哈佛和麻省总医院Wellman影像医学中心研究员Nicola Martino；约瑟夫斯特凡研究所的研究员Matja? Humar。这一研究部分是在哈佛麻省理工学院健康科学与技术学院完成的。

　　黑暗中的光

　　当你的光芒在黑暗的房间里，一个手电筒，那种光就是一个弥漫性的白色朦胧的光束，代表一大堆不同波长和颜色。形成鲜明对比的是，激光是有针对性地集中，单色光束，即有一个特定的频率和颜色。

　　在传统的荧光显微镜中，科学家可以注射一个充满荧光染料的颗粒到生物组织样本中。然后，他们通过一个透镜指向一个激光束，通过该透镜引导光束穿过组织，使其路径上的任何荧光粒子被照亮。

　　但在这些粒子中，像微小的手电筒，产生一个相对模糊的，模糊的光芒。如果这样的粒子发射出更多的聚焦，激光像光一样，他们可能会产生更清晰的图像，从而深部组织和细胞中。近年来，研究人员已经开发了激光发射粒子，但Cho的工作是第一个应用到这些独特的粒子成像应用中的。

　　“筷子”激光器

　　研究团队首先利用碘化铅钙钛矿合成微小的，6微米长度的纳米线，这种材料对于捕捉和集中荧光来说是很合适的。粒子棒状几何形状被CHO描述为“筷子”，可以让特定波长的光来沿颗粒的长度来回传播，产生驻波，或产生很规则的光集中模式，类似于激光。

　　然后研究人员建立了一个简单的光学装置，类似于传统的荧光显微镜，其中一个激光束从光源泵浦开始，通过一个镜头，到达一个包含激光粒子的样品平台。

　　在大多数研究中，研究人员发现，在低泵浦功率下，与传统的荧光染料相似的激光刺激，发射的粒子是发射散射性荧光。然而，当他们调整激光的功率到一定的阈值时，相当数量的粒子被照亮，从而发射更多的激光。

　　Cho说，这种新的光学技术，他们已经命名为激光粒子受激发射（激光）显微镜，可用于图像的特定焦平面，或一个特定的生物组织层。他说，从理论上讲，科学家可以将激光束注入激光粒子的三维样本中，并用一个透镜聚焦在一个特定的深度。只有在光束的焦点中的那些粒子将吸收足够的光或能量来打开激光器本身。在路径的上游的所有其他粒子应吸收较少的能量，只发射荧光。

　　“我们可以收集所有这些受激发射，并且可以很容易地用光谱仪区分激光和荧光，”Cho说。“我们预计这将是非常有用的，将应用于生物组织成像并解决了分辨率问题，在这种组织中光通常是散射在周围的。但是，如果我们使用激光粒子，它们将是发射激光的窄点。因此，我们可以区分的背景，可以实现良好的分辨率。”

　　Giuliano Scarcelli是马里兰大学的助理教授，他表示该技术的成功将取决于成功地实施这一标准的荧光显微镜。一旦实现，激光成像的应用是有希望的。

　　“事实上，相比荧光，激光可能意味着你可以测量更深的组织，因为你有更高的信噪比，”Scarcelli说，他没有参与这项研究工作。“我们需要在实践中看到，但在另一方面，利用光学，我们没有更好的方法进行深层组织的成像。因此，对这个主题的任何研究都是一个受欢迎的补充。”

　　为了在活体组织中实现这种技术，Cho说，激光粒子将必须是生物相容的，这导致碘钙钛矿材料将不再适合。然而，该小组目前正在调查如何操纵细胞，使其自身像激光器一样发光。

　　“我们的想法是，为什么不使用细胞作为一个内部光源？”Cho说。“我们开始考虑这个问题了。”

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