Stimulierte Raman-Streuung (SRS) wurde in den letzten Jahren als wesentlicher quantitativer Kontrast für die chemische Bildgebung entwickelt. Allerdings ist die spektrale Auflösung der gängigen SRS-Modalitäten immer geringer als die des modernen spontanen Raman-Systems.
Dieses Problem ergibt sich aus der Anregungsstrategie: Die am häufigsten verwendeten SRS-Modalitäten werden alle im Frequenzbereich angeregt. Sie müssen einen Kompromiss zwischen der Nachweisempfindlichkeit und der spektralen Auflösung eingehen: Da der nichtlineare Prozess von gepulsten Anregungen profitiert, begrenzt die grundlegende Zeit-Energie-Unsicherheit die spektrale Auflösung.
In einem neuen Papier veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und Anwendungenberichtete ein Team unter der Leitung von Dr. Hanqing Xiong vom National Biomedical Imaging Center, College of Future Technology an der Peking-Universität (Peking, China) über eine neuartige Methode namens transient stimulierte Raman-Streuung (TSRS).
Das Team manipulierte die Interferenz von Schwingungswellenpaketen im Zeitbereich durch breitbandige Femtosekunden-Laserpulszüge und erzielte schließlich auf Fourier-spektroskopische Weise Raman-Spektren mit natürlichem Linienbreitenlimit und einer Empfindlichkeit im Sub-mM-Bereich. Darüber hinaus wurde die hyperspektrale TSRS-Bildgebung lebender Hela-Zellen umfassend in der Raman-Fingerabdruckregion, der Zellstilleregion und der beliebten CH-Streckregion durchgeführt.
Um den Vorteil der spektralen Auflösung mit natürlicher Linienbreitengrenze zu demonstrieren, konstruierte das Team vorab auch einen Satz hochdichter Raman-Sonden mit Raman-Modenintervallen bis hinunter zu 12 cm-1 und demonstrierte die entsprechende Barcode-Bildgebung weiter. Der Artikel wurde unter dem Titel „Transient Stimulated Raman Scattering Spectroscopy and Imaging“ veröffentlicht.
Zeitbereichs-SRS-Techniken können ihren Ursprung in den 1980er Jahren haben, was eigentlich nicht neu ist. Bisherige SRS-Techniken im Zeitbereich können jedoch keine Empfindlichkeit bieten, die mit den weit verbreiteten Methoden im Frequenzbereich vergleichbar ist. Aus Sicht der Autoren besteht der Unterschied zwischen der TSRS-Technik und anderen bestehenden Zeitbereichs-SRS-Methoden in der Verwendung von stimuliertem Raman-Verlust (SRL) als Signal.
SRL hat eine lineare Beziehung zur Molekülkonzentration und zum Raman-Querschnitt und kann mit der klassischen Heterodyn-Detektionsmethode nachgewiesen werden, um die gleiche durch Schrotrauschen begrenzte Empfindlichkeit wie die Frequenzbereichsmethoden zu erreichen. Um ein Zeitbereichs-SRl-Signal zu konstruieren, gaben die Autoren die beliebte Pump-Probe-Anregungsstrategie auf.
Stattdessen erzeugten sie durch zwei aufeinanderfolgende identische Impulsanregungen mit kontrollierter Zeitverzögerung eine Schwingungswellenpaketinterferenz. Die Interferenz führt zu Modulationen im SRL-Signal. Eine Fourier-Transformation der modulierten SRL-Signalspur ermöglicht Spektrallinien mit natürlicher Linienbreitenbegrenzung.
„Der Spektralbereich der T-SRS-Bildgebung wird nur durch die Laserpulsbandbreiten bestimmt. Die Bandbreiten unserer Anregungslaserpulse können nur einen Spektralbereich von ~124 cm-1 unterstützen. Wir bauen ein Lasersystem mit viel kürzeren Pulsen für TSRS.“ „Das könnte SRS-Spektren im gesamten Spektrum liefern, die denen des hochmodernen spontanen Raman-Systems ähneln“, sagte Dr. Xiong.
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Qiaozhi Yu et al., Transiente stimulierte Raman-Streuungsspektroskopie und Bildgebung, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01412-6