誘導ラマン散乱研究用の SRS ロックインアンプの最適化

誘導ラマン散乱 (SRS) 顕微鏡法は、ラベルフリーの化学イメージングに広く使用されている技術です。 コヒーレントラマン散乱 プロセス。自発ラマン効果は弱い散乱プロセスであり、単一視野の信号積分に何時間もかかる場合がありますが、SRS のようなコヒーレント散乱法は非破壊でラベルフリーの技術を提供します。¹ ロックインアンプ、つまり特殊な SRS ロックインアンプは、位相敏感検出を実行してノイズの多い背景から弱い SRS 信号を抽出することにより、SRS 顕微鏡検査において重要な役割を果たします。

誘導ラマン散乱 (SRS) を理解する

基本理念

SRS 技術では、2 つの同期パルス レーザー (ポンプ ビームとストークス ビーム) を使用して、サンプル内の分子の振動モードをコヒーレントに励起します。 2 つのレーザー間の周波数差がターゲット サンプルの振動周波数と一致すると、ポンプ ビームは光子を失い、これは誘導ラマン損失 (SRL) として知られる現象ですが、ストークス ビームは光子を獲得します。ポンプビームの強度損失は信じられないほど小さいため、検出するにはロックインアンプが必要です。高周波変調と位相敏感検出方式を特殊な SRS ロックインアンプとともに使用すると、ノイズの多い背景からこれらの信号を抽出するのに役立ちます。²

研究者は、複数機器の SRS ロックインアンプ技術を使用してセットアップをさらに強化できます。追加のレーザーとロックインアンプにより、異なるスペクトル領域の同時イメージングが可能になり (図 1)、これは生細胞イメージングなどに特に役立ちます。繊細な実験。

図 1: 2850 つの異なるラーマ転移 (XNUMX cm) におけるマウス脳サンプルの同時 XNUMX チャンネル SRS 画像-1 脂質、左。 2930cm-1 プロテイン、そうですよね）²

SRS ロックインアンプの基礎

ロックインアンプは、科学者が特定の変調周波数、つまりポンプまたはストークスビームの信号を増幅できるため、SRS に特に適しています。このアプローチにより、信号振幅と信号位相を測定する際の測定感度が向上します。これは、ロックインアンプが、位相がずれた成分を排除しながら、基準信号と同位相である目的の信号を検出できるためです。 SRS 用のロックイン アンプには、ノイズを除去し、不要な信号を減衰して測定の S/N 比を高めるためのデジタル フィルターも含める必要があります。

SRS ロックインアンプはどのような機能を実現しますか?

• 変調伝達検出: SRS 顕微鏡検査では、レーザー ビームの 1 つ (ストークスまたはポンプ) が高周波数で変調されます。 SRS ロックイン アンプは、SRS プロセスによる他のビームへの変調伝達を検出します。これは、弱い信号の変化を観察するために不可欠です。
• デュアルチャンネル検出: マルチインストゥルメントモード この構成により、ユーザーは複数のロックインアンプを展開することができ、追加のハードウェアを必要とせずに別々の検出器からの信号を同時に検出できます。これは、複数のラマン シフトを伴う実験や、異なる振動モードでのイメージングに特に役立ちます。
• 位相敏感検出: デュアル位相復調機能を備えた特殊な SRS ロックイン アンプは、SRS 信号を他のノイズ成分から区別するために重要な信号の位相シフトを検出できます。 
• 信号の強化: ロックイン アンプは、バックグラウンド ノイズよりも数桁弱い場合でも、不要な周波数をフィルターで除去し、目的の信号を増幅する機能を備えています。
• 実験における柔軟性: 局部発振器ソースを内部または外部で構成できるため、研究者はロックインアンプをさまざまな実験セットアップや要件に適応させることができます。たとえば、 Moku ロックインアンプ は再構成可能な FPGA 上に構築されているため、ユーザーは最大 14 個の他のソフトウェア定義計測器もシームレスに導入できます。

SRS ロックインアンプを使用した実験のセットアップ

ロックインアンプを SRS セットアップに統合する方法

1. レーザー システムをセットアップします。 SRS の場合、サンプル上で空間的および時間的に重なる 2 つのレーザー パルス (ポンプ ビームとストークス ビーム) が必要です。これらのビームには、目的のラマン シフトに一致するエネルギー差がある必要があります。
2. ビームを変調します。ポンプまたはストークス ビームのいずれかを変調できます。たとえば、ポンプ ビームを変調すると、SRS プロセスによりストークス ビームに変化が生じます。これは、ポンプ ビームを遮断した後に検出できます。これは、誘導ラマン ゲイン (SRG) 検出として知られています。
3. 設定する Moku ロックインアンプ マルチ機器モードでは、複数のロックインアンプを導入して同時検出を行うことができます。これは、さまざまなラマン シフトを検出したり、複数の検出器を使用したりする SRS 顕微鏡実験に特に役立ちます。
4. 検出を最適化します。 Moku ロックイン アンプ インターフェイスを使用して、位相シフトを調整し、検出された信号を最適化します。対象のラマン シフトに対応する信号を最大化し、直交出力を最小化して S/N 比を向上させることができます。

• 適切なインピーダンス設定で入力を AC 結合するように構成します (図 2)。

図 2: Moku ロックイン アンプの入力構成。

• 統合された オシロスコープ および データロガー さらなる分析と処理のために信号を監視し、データをログに記録します。

実際のアプリケーション

ワシントン大学の SRS 顕微鏡検査

ワシントン大学の研究者は、 Moku:Pro 生体サンプルを識別して画像化するためのロックインアンプ。この技術は、スペクトル情報と空間情報の両方を提供する化学イメージングにとって重要です。もっと詳しく知る こちら.

ボストン大学での SRS 顕微鏡検査

ボストン大学の研究者は、 Moku:Lab 誘導ラマン散乱 (SRS) 顕微鏡実験用のロックインアンプ (LIA)。ポンプビームの強度損失が極めて低いため、ノイズの多い背景から 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。 Moku:Lab ロックイン アンプは、SRS 顕微鏡実験の成功にとって重要な、ストークスからポンプ ビームへのこの変調伝達を検出するために使用されます。もっと詳しく知る こちら.

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[1] Zhang、S.、Song、Z.、Godaliyadda、GDP、Ye、DH、Chowdhury、AU、Sengupta、A.、… & Simpson、GJ (2018)。共焦点ラマン顕微鏡用の動的まばらなサンプリング。分析化学、90(7)、4461-4469。

[2] B. Wong および D. Fu、「ワシントン大学における Moku:Pro を使用した SRS 顕微鏡実験」、Liquid Instruments、https://www.liquidinstruments.com/blog/2022/08/29/dan-fu -university-of-washington-customer-white-paper/ (11 年 2024 月 XNUMX 日にアクセス)。