高通量无创拉曼显微镜有望实现临床应用

       拉曼显微镜是一种对细胞和组织进行复杂化学分析的强有力的非侵入性工具。最近，日本大阪大学的Katsumasa Fujita所带领的团队成功设计出一种新型拉曼显微镜，相比于传统的拉曼显微镜，它获取信息的速度更快，而且分辨率也更高。该技术的发展有助于扩大其在生物医学领域的应用。

       Katsumasa Fujita表示，他们所研发的高通量拉曼光谱成像可以在没有任何样本预处理的情况下对大面积区域实现快速成像。这种成像方法所具有的无标记、高通量多重化学成像分析的特点有望克服当前方法的局限性，开发出新型应用。该成果以“High-throughput line-illumination Raman microscopy with multislit detection”为题发表在Biomedical Optics Express 上（DOI: 10.1364/BOE.480611）。

图1 新型拉曼显微镜的成像速度比传统拉曼显微镜快数百倍，使得获取活细胞的大面积高光谱图像成为可能。

       如果使用传统的拉曼显微镜，则需要数天时间才能完成。Fujita称，“我们希望高通量拉曼成像能够有效、准确地进行医学诊断，同时尝试实现以前不可能的诊断。而且使用拉曼成像的无标记分子分析也可用于检测细胞的药物反应，助力药物开发”。

       拉曼光谱是基于光和材料内化学键的相互作用而产生的，通过谱图解析可以获取分子结构的信息。通过拉曼光谱产生的分子振动起到一种化学指纹的作用，可用于识别样品化学结构、相和形态、结晶度以及分子相互作用。高分辨率的图像对拉曼显微镜至关重要，尤其是在细胞和组织成像领域。但由于光谱分辨率和成像速度两者之间的平衡，拉曼显微镜在临床上尚未达到实用的效果。

        研究团队之前提出了一种称之为线照明拉曼显微镜的技术。虽然该方法比传统的共聚焦拉曼显微镜速度更快，并且能够对活细胞进行动态成像。但对于医学诊断和组织分析这种需要大面积成像的应用而言，成像速度依然不够。

       为了解决这个问题，团队在线照明拉曼显微镜的基础上开发了多线照明拉曼显微镜，它获取大面积图像的速度比前者快约 20 倍。通过这种新技术，可以根据不同的应用来调整光谱像素数、分辨率或者成像速度。未来随着更高像素相机的出现，有望实现更快的成像速度。

       新型多线照明拉曼显微镜利用多条线形激光束同时照射样品中的约 20,000 个点。随后，在包含样品中拉曼光谱的空间信息的单次曝光中记录从照射位置产生的拉曼散射光谱，扫描样品上的激光束可以重建二维高光谱拉曼图像。

       为了实现这一点，研究人员使用柱面透镜阵列（由周期性排列的多个柱面透镜组成的光学元件），从单个激光束中产生多个线形激光束。他们将其与能够同时采集20000个光谱的分光光度计相结合。值得注意的是，滤光器对于避免分光光度计检测器处光谱之间的串扰也很重要。

       Fujita表示，高像素的高灵敏度、低噪声 CCD 相机对拉曼显微镜非常重要，他们使用的CCD 相机可以使20,000 个拉曼光谱分布在 CCD 芯片上并同时检测。而且定制的分光光度计也发挥了重要作用，它在相机上形成光谱的二维分布而没有明显失真。为了测试新型显微镜的性能，他们在活细胞和组织中进行了成像性能实验，以验证其在生物医学应用中的潜力。实验结果表明，通过21 条同步照明线照射小鼠大脑样本，仅需 11.4 分钟即可获得 1,108,800 个光谱。另外，他们还对小鼠肾脏和肝脏组织进行了无标记活细胞分子成像。Fujita强调，拉曼标签和探针的小分子成像和超多重成像也可以从该技术中受益，因为它们对像素要求较低，并且可以受益于快速成像。

       如果将这项技术应用于医学诊断，首先需要建立拉曼图像数据库。由于其高成像速度和大成像区域，新型拉曼显微镜可以有效地完成这项工作。下一步，研究团队计划将成像速度再提高 10 倍左右，并降低相机、激光和分光光度计的成本，早日实现商业化。