近日，光学领域权威期刊《Laser & Photonics Reviews》以Research Article的形式在线发表了北京航空航天大学生物与医学工程学院、北京生物医学工程高精尖中心、生物力学与力生物学教育部重点实验室王璞教授及洪维礼副教授团队的最新研究成果“High-Sensitive and Background-Free Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Microscopy Using Delay Modulation”。王璞教授和洪维礼副教授为该论文的共同通讯作者，北航生物与医学工程学院博士研究生吴凡和北京大学生物医学前沿创新中心博士研究生李商羽为该论文的共同第一作者，北京航空航天大学为该论文第一完成单位。

相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）显微镜可对样品进行无标记、无损伤非侵入、高化学特异性的分子成像，其成像速度可达到视频帧率，是一种先进的、强大的生物化学成像平台。然而，在相干反斯托克斯拉曼散射显微镜中，其信号会携带有不包含任何化学特异性信息的非共振背景信号，极大的限制了其探测灵敏度及图像质量。

本项研究采用了一种延迟调制的方案来抑制非共振背景信号，搭建了一套高灵敏、无背景的CARS系统（DM-CARS），该方案主要由声光调制器及光谱聚焦技术构成。根据相关学者的前期研究，CARS信号由三部分构成，非共振背景信号、共振信号及两者的耦合项。其中非共振背景在不同探测频率下为一常量。因此，分别在共振探测频率及非共振探测频率下获取相应的CARS信号并相减，就可有效抑制非共振背景。本方案利用光谱聚焦技术，通过调整激发光的时间延迟获取不同的探测频率；利用声光调制器实现信号调制，并使激发光经过不同的传输路径，配合光谱聚焦技术获取不同的CARS信号，同时构成一个新的调制信号。通过锁相放大器对该信号进行解调就可提取其差值，完成对非共振背景的抑制。

实验表明，DM-CARS可将可将非共振背景信号消除90%以上，从而使传统CARS的探测灵敏度提升约100倍。在生物组织成像中，DM-CARS也展现了更高的信噪比和更丰富的图像细节。探测灵敏度的提升使得DM-CARS可以探测到细菌重水代谢的变化。通过这种能力我们对不同抗生素浓度下的细菌重水代谢进行了探测，获取了庆大霉素对铜绿假单胞杆菌的最低抑制浓度。该结果与传统的金标准方法获取的结果保持一致。但DM-CARS可在3小时内实现对细菌的快速药敏检测试验，而传统金标准方法需要16-24小时，检测速度的提升能够极大地提升临床治疗效率。随后，通过单模光纤对激发光进行传输，我们自行搭建了小型化扫描成像模块，并在成像实验中发现，DM模块除了可对非共振背景进行抑制，还可对单模光纤中产生的四波混频信号进行有效抑制，这为整体设备的小型化及临床实践奠定了技术基础。DM-CARS系统在完全实现设备小型化开发后，可应用于医院检验科进行快速批量化的药敏检测试验，提升治疗的精准性及高效性。同时，DM模块还可作为独立机构应用于不同的成像系统，用于抑制四波混频、瞬态吸收、光热等背景信号。

与本研究有关的技术所申请的国家发明专利已经获得授权。本项工作得到了北京市生物医学工程高精尖创新中心的平台条件支持，还获得了国家自然科学基金，北京市自然科学基金等经费的资助。

图：高灵敏、无背景的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜及其生物医学应用

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.202300827

DOI: 10.1002/lpor.202300827