由麻省理工學院、哈佛大學和馬薩諸塞州總醫院（MGH）的科學家開發了一種新的成像技術，旨在闡明深層組織結構和其他致密不透明材料的細胞結構。他們的方法使用嵌入在材料中的微小顆粒，進行發射激光。
研究小組把這些“激光粒子”合成一種微小筷子的形態，每一個測量頭發寬度的一小部分。粒子是由碘化鉛鈣鈦礦，這種材料也用于太陽能電池板，并有效地吸收和捕獲光。當研究人員在粒子處發出激光束時，粒子照亮，發出正常的彌漫性的熒光。但是，如果他們將入射激光的功率調整到一定的“激光閾值”，粒子將立即產生激光。
研究人員，由麻省理工學院的研究生Sangyeon Cho領導下，證明他們能夠激發粒子發射激光，并創建出了分辨率高于目前的基于熒光顯微鏡六倍的圖像。
“這意味著，如果一個熒光顯微鏡的分辨率設置為2微米，我們的技術可以有300納米分辨率，這比普通顯微鏡有6倍的改善，”Cho說。“這個想法很簡單，但非常強大，可以在許多不同的成像應用中是有用的。”
Cho和他的同事們在《物理評論快報》雜志上發表了他們的研究成果。他的合作者包括哈佛大學的教授Seok Hyun Yun；哈佛和麻省總醫院Wellman影像醫學中心研究員Nicola Martino；約瑟夫斯特凡研究所的研究員Matja? Humar。這一研究部分是在哈佛麻省理工學院健康科學與技術學院完成的。
黑暗中的光
當你的光芒在黑暗的房間里，一個手電筒，那種光就是一個彌漫性的白色朦朧的光束，代表一大堆不同波長和顏色。形成鮮明對比的是，激光是有針對性地集中，單色光束，即有一個特定的頻率和顏色。
在傳統的熒光顯微鏡中，科學家可以注射一個充滿熒光染料的顆粒到生物組織樣本中。然后，他們通過一個透鏡指向一個激光束，通過該透鏡引導光束穿過組織，使其路徑上的任何熒光粒子被照亮。
但在這些粒子中，像微小的手電筒，產生一個相對模糊的，模糊的光芒。如果這樣的粒子發射出更多的聚焦，激光像光一樣，他們可能會產生更清晰的圖像，從而深部組織和細胞中。近年來，研究人員已經開發了激光發射粒子，但Cho的工作是第一個應用到這些獨特的粒子成像應用中的。
“筷子”激光器
研究團隊首先利用碘化鉛鈣鈦礦合成微小的，6微米長度的納米線，這種材料對于捕捉和集中熒光來說是很合適的。粒子棒狀幾何形狀被CHO描述為“筷子”，可以讓特定波長的光來沿顆粒的長度來回傳播，產生駐波，或產生很規則的光集中模式，類似于激光。
然后研究人員建立了一個簡單的光學裝置，類似于傳統的熒光顯微鏡，其中一個激光束從光源泵浦開始，通過一個鏡頭，到達一個包含激光粒子的樣品平臺。
在大多數研究中，研究人員發現，在低泵浦功率下，與傳統的熒光染料相似的激光刺激，發射的粒子是發射散射性熒光。然而，當他們調整激光的功率到一定的閾值時，相當數量的粒子被照亮，從而發射更多的激光。
Cho說，這種新的光學技術，他們已經命名為激光粒子受激發射（激光）顯微鏡，可用于圖像的特定焦平面，或一個特定的生物組織層。他說，從理論上講，科學家可以將激光束注入激光粒子的三維樣本中，并用一個透鏡聚焦在一個特定的深度。只有在光束的焦點中的那些粒子將吸收足夠的光或能量來打開激光器本身。在路徑的上游的所有其他粒子應吸收較少的能量，只發射熒光。
“我們可以收集所有這些受激發射，并且可以很容易地用光譜儀區分激光和熒光，”Cho說。“我們預計這將是非常有用的，將應用于生物組織成像并解決了分辨率問題，在這種組織中光通常是散射在周圍的。但是，如果我們使用激光粒子，它們將是發射激光的窄點。因此，我們可以區分的背景，可以實現良好的分辨率。”
Giuliano Scarcelli是馬里蘭大學的助理教授，他表示該技術的成功將取決于成功地實施這一標準的熒光顯微鏡。一旦實現，激光成像的應用是有希望的。
“事實上，相比熒光，激光可能意味著你可以測量更深的組織，因為你有更高的信噪比，”Scarcelli說，他沒有參與這項研究工作。“我們需要在實踐中看到，但在另一方面，利用光學，我們沒有更好的方法進行深層組織的成像。因此，對這個主題的任何研究都是一個受歡迎的補充。”
為了在活體組織中實現這種技術，Cho說，激光粒子將必須是生物相容的，這導致碘鈣鈦礦材料將不再適合。然而，該小組目前正在調查如何操縱細胞，使其自身像激光器一樣發光。
“我們的想法是，為什么不使用細胞作為一個內部光源？”Cho說。“我們開始考慮這個問題了。”
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