【摘 要】
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分子中的化学共价键决定了分子的基本物理与化学特性。研究人员通过分子振动光谱技术测量化学物中分子光谱的差异和变化,进而分析样品的具体成分和构象信息。受激拉曼散射显微成像（stimulated Raman scattering microscopy,SRS）作为振动光谱学领域内一项新兴的技术,具有免标记、分子特异性、化学定量分析、三维显微成像能力等诸多优点。但SRS显微镜仍存在着许多关键不利因素,如传
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（No. 61675075）； 国家重点研发计划项目（No. 2016YFA0201403）； 国家自然创新研究群体科学基金项目（61421064）； 武汉光电国家研究中心创新基金；
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分子中的化学共价键决定了分子的基本物理与化学特性。研究人员通过分子振动光谱技术测量化学物中分子光谱的差异和变化,进而分析样品的具体成分和构象信息。受激拉曼散射显微成像（stimulated Raman scattering microscopy,SRS）作为振动光谱学领域内一项新兴的技术,具有免标记、分子特异性、化学定量分析、三维显微成像能力等诸多优点。但SRS显微镜仍存在着许多关键不利因素,如传统SRS显微镜仅能在百微米尺度上实现小样品的显微成像,成像速度慢,限制了SRS显微镜对厘米级生物大样本的成像能力。同时SRS显微镜的拉曼光谱分辨率通常低于自发拉曼光谱,难以准确识别样品中不同化学组分。本文以高速大视场SRS光谱显微成像为研究课题,发展出了可应用于厘米级组织大样本的SRS高速显微成像系统。全文主要分为三部分详细讲述了高速大视场SRS光谱成像系统:高光谱SRS显微成像系统及应用;基于高速振镜线扫描的SRS显微成像系统及其应用;基于声光偏转器（acousto-optic deflector,AOD）线扫描的大视场SRS显微成像系统。（1）搭建了基于脉冲整形技术的高光谱SRS成像系统,并应用于研究病人肝癌组织和纳米材料的免标记成像。通过对24例人肝癌组织与正常组织的SRS成像分析,发现病人肝癌组织中存在饱和脂肪大量堆积现象,提出饱和脂肪可能是肝癌潜在的代谢标志物;使用高光谱SRS成像系统定量分析Ti O2和Fe2O3两种纳米材料在单细胞生物嗜热四膜虫体内的分布差异,发现两种纳米材料在生物体内存在竞争机制。（2）针对SRS在大视场成像应用中速度较慢问题,本文提出类似正弦的振镜扫描方式配合电动样品台移动,在10分钟内完成扫描范围为10×8 mm2的小鼠脑组织切片图像。为进一步提高SRS成像系统的光谱分辨率,本文后续搭建了一套基于光纤自相位调制的频谱压缩系统。在对光纤强度、激光负啁啾强度与激光功率等不同条件测试下,该系统可将激光频谱宽度压缩13.7倍,光谱分辨率约为4.9 cm-1,并保留了大部分激光功率。（3）为进一步优化系统成像速度,提出无惯性AOD激光扫描配合电动样品台的二维成像方案。通过将AOD与频谱压缩技术相结合,搭建了高速高分辨的SRS扫描成像系统。该系统完成12×8 mm2的小鼠鼠脑切片成像仅需8 min,并可在12小时内完成对了完整成年小鼠鼠脑中神经元、轴突、血管等网络的成像,为大脑神经网络重建研究提供重要参考信息。本文针对SRS系统的成像速度和光谱分辨率两项性能指标进行优化,为大样本大视场的无标记SRS快速光谱成像探索了更多有效方案,并拓展SRS分子成像在临床应用的可能性。
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