Ein Forscherteam vom National Institute of Standards and Technology (NIST) , die Arbeit mit der Cleveland Clinic , eine drastisch verbesserte Technik zur Untersuchung von biologischen Zellen und Gewebe auf Basis von charakteristischen Molekülschwingung gezeigt " Signaturen ". Die neue NIST -Technik ist eine erweiterte Form der weit verbreiteten spontane Raman -Spektroskopie , aber eine, die Signale, die 10.000-fach stärker als durch spontane Raman-Streuung erhalten wurde, und 100 -mal stärker als bei vergleichbaren " kohärente Raman " Instrumenten erhalten werden, liefert , und verwendet ein viel größeren Teil des Schwingungsspektrums von Interesse Zellbiologen . *
Die Technik , eine Version von " Breitband, kohärente Anti-Stokes- Raman-Streuung " ( BCARS ) , schnell und genau genug, den Wissenschaftlern ermöglichen, hochaufgelöste Bilder von biologischen Proben zu erstellen , die detaillierte räumliche Informationen über die bei Geschwindigkeiten schnell gegenwärtigen spezifischen Biomolekülen genug, um Änderungen und Bewegung in lebenden Zellen zu beobachten , nach der NIST -Team.
Raman-Spektroskopie auf einem subtilen Spiel von Licht und Molekülen. Moleküle charakteristische Schwingungsfrequenzen mit ihren Atomen Biegen und Strecken der molekularen Bindungen , die sie zusammenhalten, verbunden. Unter den richtigen Bedingungen wird ein Photon in Wechselwirkung mit dem Molekül einen Teil dieser Energie von einer bestimmten Vibration zu absorbieren und treten mit ihrer Frequenz von dieser Frequenz verschoben - das ist " Anti -Stokes -Streuung. " Aufzeichnungs genug dieser EnergieverstärktePhotonen zeigt ein charakteristisches Spektrum spezifisch für das Molekül . Dies ist ideal für Biologie , weil im Prinzip kann es zu erkennen und zu unterscheiden zwischen vielen komplexen Biomolekülen ohne sie zu zerstören und , im Gegensatz zu vielen anderen Methoden , ist die Probe mit Flecken oder fluoreszierende oder radioaktive Markierungen nicht ändern .
Mit dieser Eigenspektrale Information auf bestimmte Arten von Biomolekülen in einem Bild Karte ist potenziell sehr mächtig, aber die Signalpegel sind sehr schwach, so die Forscher schon seit Jahren zu verbesserten Methoden für die Erfassung dieser Spektren Entwicklung tätig. ** " Coherent " Raman- Methoden verwenden, speziell abgestimmten Laser sowohl regen die Molekülschwingungen und bieten eine helle Quelle von Sonden Photonen , um die Vibrationen zu lesen. Dies wurde teilweise das Problem gelöst , aber die bisher entwickelten kohärente Raman- Methoden begrenzte Fähigkeit, die meisten der verfügbaren spektroskopischen Daten zugreifen musste .
Die meisten aktuellen kohärenten Raman Methoden erhalten Nutzsignal nur in einem Spektralbereich , die etwa fünf Spitzen mit Informationen über die Kohlenstoff-Wasserstoff- Sauerstoff -Wasserstoff-Bindungen . Die von der NIST -Team beschriebenen verbesserten Verfahren greift nicht nur diesen Spektralbereich , sondern bezieht sich auch hervorragend Signal von der "Fingerabdruck" Spektralbereich , der etwa hat 50 Gipfel - die meisten der nützlichen Informationen molekularen ID .
Die NIST- Instrument ist in der Lage, eine verbesserte Signal weitgehend mit Anregungslicht effizient zu erhalten. Konventionelle kohärente Raman Instrumente müssen stimmen zwei separate Laserfrequenzen zu begeistern und zu lesen verschiedene Raman- Schwingungsmoden in der Probe. Die NIST- Instrument verwendet ultrakurze Laserpulse , um gleichzeitig zu erregen alle Schwingungsmoden von Interesse. Dieser " Intra " Anregung ist äußerst effizient und produziert seine stärksten Signalen im Fingerprint-Bereich . "Zu viel Licht Zellen zu zerstören ", erklärt NIST Chemiker Marcus Cicerone " Also haben wir eine sehr effiziente Art der Erzeugung unserer Signal mit begrenzten Mengen an Licht entwickelt . Wir waren effizienter, sondern auch effizienter , wo es zählt , im Fingerprint-Bereich . "
Raman Hyperspektral Bilder werden durch Erhalten Spektren einer Raumpixelweiseaufgebaut. Die hundertfache Verbesserung der Signalstärke für die NIST BCARS Instrument ermöglicht es, individuelle spektralen Daten wesentlich schneller und in viel besserer Qualität als bisher zu sammeln - für eine hochwertige Spektrum gegen zehn Millisekunden für eine Randqualität wenige Millisekunden pro Pixel Spektrum mit anderen kohärente Raman -Spektroskopie oder sogar Sekunden für ein Spektrum von eher konventionellen spontane Raman- Instrumenten. Denn es ist in der Lage, Registrierung uvm spektralen Peaks im Fingerprint-Bereich jedes Pixel trägt eine Fülle von Daten über die vorhandenen Biomolekülen. Dies führt zu hochauflösende Bildgebung innerhalb einer Minute oder so , während , stellt NIST Elektrotechniker Charles Camp , Jr., " Es ist nicht ungewöhnlich zu 36 Stunden dauern, bis ein Bild mit niedriger Auflösung in spontanen Raman-Spektroskopie zu bekommen. "
" Es gibt eine Reihe von Ersten in diesem Dokument für die Ramanspektroskopie , " Lager beiträgt. "Unter anderem zeigen wir detaillierte Bilder von Kollagen und Elastin - normalerweise nicht kohärenten Raman Techniken identifiziert . - Und mehrere Spitzen an verschiedenen Bindungen und Zustände von Nukleotiden , die die Anwesenheit von DNA oder RNA zeigen zurückzuführen "