Ämnesspecifik djupprofilering för in situ 3D-avbildning – InFeRa
InFeRa är en ny avbildningmetod som kombinerar rumsligt InterFerometrisk avbildning (InFe) med stimulerad Raman-spridning (Ra). InFeRa kommer att tillhandahålla tredimensionell (3D) in situ-avbildning av kemiska och (bio)molekylära processer i olika materia utan att behöva tillsätta markörämnen.
Det genombrott vi förutser är ett instrument som kan leverera:
- Visualisering av inbäddade strukturer och formationer/deformationer i 3D.
- Följa och studera biokemiska processer.
- Undersöka förekomsten av specifika ämnen eller studera hur de genereras.
- Studera strukturella förändringar orsakade av yttre faktorer så belastning, temperaturförändring etc.
Fig 1. Visar en sketch över den till tänkta optiska uppställningen för InFeRa.

Fig. 1) En sketch av grundprincipen för det föreslagna instrumentet som visar pumplaserkällan (PLS), stråldelare (BS), en rumslig ljusmodulerare (SLM), laserkällan för avbildningsljuset (ILS), en dikroisk spegel (DM), en piezoelektrisk spegel (PZT) och en kamera (camera). Komponenterna inom den grön pricksträckade rektangeln används för SRS delen medan komponenterna inom den rödsträckade rektangeln används för den interferometriska avbildningen.
Vi har hittills arbetat med de två olika delarna separat och de preliminära resultaten presenteras i kommande sektioner
Djupupplöst speckel korrelation
I denna del av projektet undersöks det sambandet mellan specklekorrelationen och djupupplösningen. Avbildningssystemet är baserat på en interferometer av Michelson-typ där man använder sig utav fasstegning för att avbilda. Fig. 2 visar ett fotografi av den optiska uppställningen. Laserstrålen från en HeNe-laser passerar genom en roterande diffusor (RGG) för att generera en rumsligt kvasi-inkoherent stråle som leds till en andra fast monterad diffusor (GG). Stålen som sprids från den andra diffusorn kommer att divergera (d.v.s. spridas i en konform). Genom att ändra avståndet mellan diffusorerna samt öppningsstorleken D på bländaren kan storleken på den punkt som träffar den andra diffusorn kontrolleras och därmed även divergensen. Provet placeras på en translationsmotor i en av armarna i Michaelson-interferometern och korrelationen beräknas sedan för flera olika längder av referensarmen. Det maximala korrelationsvärdet fås när den optiska gångvägen för de två armarna är lika, vilket ger en bild av provet. Videon nedan visar den resulterande bilden från systemet när förskjutningen av referensarmen ökar. Videon visar den resulterande bilden längden av referensarmen ökar. För en grundlig beskrivning av teorin och resultaten hittas i referenserna [4,5,6].

Fig. 2) Ett foto av en prototyp uppställning för djupupplöst speckle interferometri visar en HeNe-laser, en roterande diffusor (RGG), en fast diffusor (GG), en stråldelare (BS), en spegel (M) på ett piezoelektriskt element (PZT), ett objekt, som är provet. Objektet avbildades med ett objektiv L, (Component-S 5.6/100, Schneider Kreuznach, Tyskland, förstoring = 6,6) samt en digitalkamera (Genie Nano M2420, Teledyne Dalsa, Kanada).

Undersökning av den rumsliga genereringen och kontrollen av stimulerad Raman
Då InFeRa syftar till att tillhandahålla 3D-information så är det viktigt att veta var i provet som SRS-signalen genereras. SRS genereras i ett prov bara om två laserstrålar, vars skillnad i våglängd matchar en Raman-linje, överlappar varandra i tid, rum och polarisation. Därmed användes en experimentell princip där ena laserstrålen val kollminerad för att belysa provvolymen, medan den andra strålen fokuserades in i denna volym för att studera var signalen genererades. Både experiment och datorsimuleringar genomfördes med den starka 2934cm-1 Raman-linjen från etanol.
I vårt första experiment [7] användes en spatiell ljusmodulerare (SLM) för att kontrollera var i provet SRS genererades. Den rumsliga positionen för den genererade SRS signalen styrdes genom att placera en SLM i pumpens strålgång, se vänster bild i Fig. 3. I höger bild i Fig. 3 visas hur en SLM kan användas för att styra vart SRS genererades på olika platser i glasbehållaren. Fig. 4 visar de erhållna resultaten som fås när man avbildar SRS-signalen när ljuset manipulerats.

Fig. 3) Till vänster: En sketch av det optiska systemet. En Q-switchad 1064nm Nd:YAG (Continuum PL 8000) laser användes för att producera de två strålarna. 1) en rotator och 2 polarisatorer, 2) ett 3x Galileisk-teleskop, 3a) ett SLM-huvud (Hamamatzu X10468-04 LCOS-SLM), 3b) en SLM-kontrollmodul, 3c) en dator, 4) en 250 mm lins, 5) en stråldelare, 6) ett 16 gångers förstorings teleskop, 7) en kyvett med etanol, 8) en 532 nm spegel, 9) en 250 mm lins, 10) en kub som innehåller två filter, 11) en PCO-edge kamera med ett absorptions-OD 2.0-filter, ett RG 630-filter och BG39 filter. Till höger: En Stokes-stråle, rödtonade rektangeln, lyser upp ett större område inuti provet, svart fyrkant. Pumpstrålen, grön prickad linje, fokuseras in i provet och volymen som belyses med Stokes-ljuset. (A) Pumpljuset är fokuserat i planet P1 centrerat på z-axeln, (B) pumpljuset är fasmodulerat och fokuserat i planet P1 men inte centrerat på z-axeln, (C) pumpljuset är fasmodulerat och fokuserad i planet P2 centrerat vid z-axeln.

Fig. 4) (A) SRS förstärkningen i Stokes-ljuset (röd punkt) i linsens (4) fokalplan. (B) Punkten har flyttats till ett plan närmare linsen (4) och ingen Stokes-förstärkning kan ses. Observera att avläsningsområdena är störningar från konvektion och en partikel i provet. (C) Kamerapositionen har justerats för att matcha punktens plan och SRS-förstärkningen kan ses igen. I (A), (B) och (C) är x- och y-axeln antalet pixlar i kamerabilden och färgfältet representerar förhållandet mellan signal och referensbild. Synfältet i (A) och (B) är 10 mm×8,4 mm och i (C) 14,6 mm×12,3 mm.
I Fig. 5 kan den andra experimentuppställningen som användes för undersökningen av SRS-generationen [8, 9, 10] ses. Den vänstra bilden i Fig. 6 visar tvärsnittet från den datorsimulerade SRS-genereringen längs z-axeln. Den högra bilden i Fig 6 visar en jämförelse av det genererade SRS-ljuset från experimentet och simuleringar vid olika interaktionslängder genom provet.

Fig. 5) En schematisk bild av det optiska systemet. En Q-switchad 1064nm Nd:YAG (Continuum PL 8000) användes för att generera de två strålarna. 1) en rotator och 2 polarisatorer, 2) en 250 mm lins, 3) en 16 gångers förstoring, 4) en dikroisk spegel, 5) en kyvett med etanol, 6) en 532 nm spegel, 7) en 250 mm lins, 8) en kub med filter, 9) en PCO-edge kamera med ett absorptions-OD 2.0-filter, ett RG 630-filter och BG39-filter.

Fig. 6) Till vänster: ett tvärsnitt av den simulerade SRS-interaktionen genom provet. Ljuset sprider sig från vänster till höger. Ju ljusare är den genererade SRS vid pumpstrålens fokus. Till höger: den genererade SRS (ljusare områden) ökar när interaktionslängden ökar.
Nuvarande och framtida arbete
För närvarande undersöker vi ett avbildandesystem baserat på speckelkorrelation med två kameror. Detta skulle möjliggöra en robust fasgradientsavbildning då den fångar en referens- och provbild samtidigt, se Fig. 7. Detta kommer att påskynda bildsamlingen för InFeRa systemet jämfört med den initialt tilltänkte uppställningen med en SLM [7]. Nästa steg är att kombinera avbildningen med specklekorrelation med SRS.

Fig. 7) Det alternativa avbildningssystemet som visar en pulsad laserkälla (PLS), en kontinuerlig laserkälla (CLS), en dikroisk spegel (DM), en stråldelare (BS), avbildningsplanen (IP), provet (S), stråldumpar (BD), objektkameran (OC) och referenskameran (RC)
Finansiering
Detta projekt sär finansierat av Stiftelsen för Strategisk Forskning (ITM17-0056), Kempestiftelserna och LTUs labbfond.
Referenser
- Wahl J, Sjödahl M, Ramser K. Single-Step Preprocessing of Raman Spectra Using Convolutional Neural Networks. Applied Spectroscopy [Internet]. 2020;74(4):427–38. Available from: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-77138
Länk till annan webbplats.
- Krige A, Ramser K, Sjöblom M, Christakopoulos P, Rova U. A New Approach for Evaluating Electron Transfer Dynamics by Using In Situ Resonance Raman Microscopy and Chronoamperometry in Conjunction with a Dynamic Model. Applied and Environmental Microbiology [Internet]. 2020;86(20). Available from: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-80312
Länk till annan webbplats.
- Krige A, Sjöblom M, Ramser K, Christakopoulos P, Rova U. On-line Raman spectroscopic study of cytochromes’ redox state of biofilms in microbial fuel cells. Molecules [Internet]. 2019;24(3). Available from: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-73003
Länk till annan webbplats.
- Dembele V, Wahl J, Sjödahl M, Ramser K. Correlation properties of a spatially quasi-incoherent imaging interferometer. Applied Optics [Internet]. 2022;61(19):5806–12. Available from: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-92225
Länk till annan webbplats.
- Dembele V, Wahl J, Sjödahl M, Ramser K. Depth-resolved interferometric imaging utilizing a spatially quasi-incoherent light source. In: Proceedings Digital Holography and 3-D Imaging 2022 [Internet]. Optica Publishing Group; 2022. Available from: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-94793
Länk till annan webbplats.
- Dembele V, Wahl J, Sjödahl M, Ramser K. Depth-resolved speckle correlation using quasi-incoherent imaging interferometry. In: Proceedings OSA Imaging and Applied Optics Congress 2021 (3D, COSI, DH, ISA, pcAOP) [Internet]. Optical Society of America; 2021. Available from: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-87551
Länk till annan webbplats.
- Eriksson R, Gren P, Sjödahl M, Ramser K. 3D Spatial Control of Stimulated Raman Scattering Using a Phase Spatial Light Modulator. In: Proceedings OSA Imaging and Applied Optics Congress 2021 (3D, COSI, DH, ISA, pcAOP) [Internet]. Optical Society of America; 2021. Available from: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-87595
Länk till annan webbplats.
- Eriksson R, Gren P, Sjödahl M, Ramser K. 3D spatial control and the spatial generation of stimulated Raman scattering in ethanol [Internet]. ECONOS European Conference on Non-linear Optical Spectroscopy, September 25-28, 2022, Kiruna, Sweden; 2022. Available from: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-97135
Länk till annan webbplats.
- Ronja Eriksson, Per Gren, Mikael Sjödahl, Kerstin Ramser Stimulated Raman scattering imaging – 3D spatial generation, ICAVS12, 12th International Conference on Advances in Vibrational Spectroscopy, Krakow, Poland, 2023, https://icavs.org/storage/file/core_files/2023/8/30/5a4b090a392468404c0e8808ce515ba4/ICAVS_Abstrakty_2023.pdf
Länk till annan webbplats.
- Eriksson R, Gren P, Sjödahl M, Ramser K. Investigation of the Spatial Generation of Stimulated Raman Scattering Using Computer Simulation and Experimentation. Applied Spectroscopy [Internet]. 2022;26(11):1307–16. Available from: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-90344
- https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-87551
Länk till annan webbplats.
- Kerstin Ramser, (invited speaker) Dr. Joel Wahl, Dr. Fenja Knöpp, Prof. Norbert Weissmann, Dr. Eynas Amer, Prof. Mikael Sjödahl, M. SC. Eng Ronja Eriksson Stimulated Raman scattering and resonance Raman spectroscopy combined with holography, interferometry and video imaging, ICAVS12, 12th International Conference on Advances in Vibrational Spectroscopy, Krakow, Poland, 2023, https://icavs.org/storage/file/core_files/2023/8/30/5a4b090a392468404c0e8808ce515ba4/ICAVS_Abstrakty_2023.pdf
Länk till annan webbplats.
- Eriksson R. Direct imaging of Stimulated Raman scattering: 3D spatial control and spatial generation [Internet] [Licentiate dissertation]. [Luleå]: Luleå University of Technology; 2022. (Licentiate thesis / Luleå University of Technology). Available from: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-90346
Länk till annan webbplats.
- Wahl J. Multimodal applications in medical technology that utilize Raman spectroscopy [Internet] [PhD dissertation]. [Luleå]: Luleå University of Technology; 2022. (Doctoral thesis / Luleå University of Technology 1 jan 1997 → …). Available from: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-87915
Länk till annan webbplats.
Kontakt
Kerstin Ramser
Mikael Sjödahl
Uppdaterad: