概要
ワシントン大学では、癌の早期検出や神経変性疾患の進行の理解などの用途に使用する化学イメージングツールに取り組んでいる研究者が、２色誘導ラマン散乱 (SRS) 顕微鏡を使用しています。通常、実験セットアップには、リアルタイムの２カラー SRS イメージングや、間隔の広い２つのラマン遷移の同時イメージングを行うための、複数の複雑な高性能機器が含まれます。 Moku:Pro ロックインアンプとマルチ機器モードを使用することで、様々な実験を実行し、１台のコンパクトなマルチチャンネル デバイスで低強度の SRS 信号を抽出できるようになりました。
課題
SRS は、スペクトル情報と空間情報の両方による化学イメージングを可能にするコヒーレントラマン散乱プロセスです。 一般的なセットアップでは、２つの同期パルスレーザー、つまりポンプレーザーとストークスレーザー (図 １) を使用して、分子の振動をコヒーレントに励起します。 ノイズの多い背景から非常に小さな SRS 信号を抽出するには、高周波変調と位相敏感検出方式が必要です。
図 １: SRS によるポンプビームへのストークスの振幅変調伝達が検出される。実証されたポンプ ビームの繰り返し率は８０ MHz で、ストークス ビームも同じ８０ MHz の繰り返しだが、２０ MHz で変調されている。 Δポンプはこの検出スキームで抽出される。
リアルタイム ２色 SRS イメージングで実験を実行するには、研究者は直交変調を適用し、同相信号成分と直交信号成分の両方を検出する必要があります。 「ほとんどの SRS 顕微鏡実験では、レーザーの総帯域幅に制限があるため、スペクトル範囲は約３００ cm-１ に制限されます。」 「これを回避するアプローチの１つは、可変レーザーで波長をスキャンすることですが、これでは時間がかかり、生細胞イメージングなどの時間に敏感な実験には不十分なことがよくあります。」とワシントン大学化学部のDan Fu助教授は述べています。
これらの限界を克服するために、ワシントン大学の研究者らは、３番目のレーザービームを使用して、間隔の広い２つのスペクトル領域、たとえば１つは指紋領域（例えば、アミド振動の場合は約１６００cm-１）、もう１つはC-H領域の同時イメージングを可能にしました。 (例: タンパク質の場合は約２９００ cm-１)、ただし、これにより実験セットアップのフットプリントと複雑さが増加します。
図 ２: Moku:Pro マルチ機器モード設定で、間隔の広いラマン遷移で撮影された HeLa 細胞の SRS 画像。
ソリューション
高品質のロックインアンプは、変調伝達検出方式を使用した SRS 顕微鏡実験において重要なハードウェアコンポーネントです。 Moku:Pro のロックインアンプは、SRS 顕微鏡実験におけるセルフヘテロダイン信号検出のための直感的で正確かつ堅牢なソリューションを提供します。ユーザーインターフェイスにより、低強度の SRS 信号を抽出するための直感的かつ強力なコントロールが可能になります。
図３: 一般的なシングルチャネル構成設定の Moku:Pro ロックインアンプ。
Moku:Pro ロックインアンプは、実験用に最適化された位相シフト、ローパス フィルター、ゲイン設定で構成されています。内蔵プローブポイントは、設定を調整しながらリアルタイムモニタリングに使用されます。 X 出力と Y 出力の両方をデュアルチャネルイメージングに使用できます。
３つのレーザーの場合、Moku:Pro マルチ機器モードは２つのロックインアンプで構成でき、妥協することなくシステムを１つのデバイスにまで簡素化できます。 これにより、研究者は１つの Moku:Pro を利用して２つのフォトダイオード検出器信号を処理し、大きな波数差の２つの SRS 画像を同時に撮影することができます。
図４: マルチチャンネル ロックインアンプ構成を備えた Moku:Pro のマルチ機器モード。
同時 SRS 顕微鏡実験用の２つのロックインアンプを備えたマルチ機器モード構成を図４に示します。スロット１のロックインアンプの場合、入力１は最初のフォトダイオードの検出信号、入力２はリファレンスです。 出力１は外部データ収集カードに送信される信号で、出力３ は破棄されます。 スロット ２のロックイン アンプの場合、入力３は ２番目のフォトダイオードの検出信号、入力 ２は再び基準、出力 ２は外部データ収集カードに送信される信号、出力 ４は破棄されます。 検出された各信号 (出力 １と出力 ２) は、データ収集カードに送信される前に、個々の位相シフトを調整することによって最大化されます。 この例のスロット３と４はオシロスコープで構成されていますが、別の Moku:Pro 機器に置き換えることもできます。 
図５: ３つの入力チャンネルと２つの出力チャンネルを使用する２つのロックインアンプで構成されたマルチ機器モードの Moku:Pro
結果
Moku:Pro のロックインアンプは、多数の SRS 顕微鏡実験に優れたソリューションを提供します。 「ユーザー インターフェイスにより、低強度 SRS 信号を抽出するための直感的で強力な制御が可能になります。また、Moku:Pro のマルチ機器モードにより、コンパクトなシステムで複雑なイメージング実験が可能になります。」と Fu 博士は述べています。ワシントン大学の研究者は、典型的なシングル チャネルSRSイメージングからデュアルチャネルイメージング、さらには複数の機器によるイメージングに至るまで、妥協することなく実験セットアップを簡素化することができました。
