KR20230099463A - Broadband label-free molecular imaging system - Google Patents

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KR20230099463A
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stokes light
cars
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조민행
박진성
최대식
이한주
임소희
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고려대학교 산학협력단
기초과학연구원
한국기초과학지원연구원
주식회사 유니오텍
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본 발명은 광대역 비표지 분자 이미징 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템은 레이저광을 조사하는 광원(10), 광원(10)에서 조사된 레이저광을 펌프광(PB) 및 스톡스광(SB)으로 분할하는 광분할기(20), 광분할기(20)에서 분할된 스톡스광(SB)의 파장범위를 확장하는 광결정 광섬유(photonic crystal fiber, PCF, 30), 소정의 파장범위에 따라, 광결정 광섬유(30)를 통과한 스톡스광(SB)을 제1 스톡스광(SB1) 및 제2 스톡스광(SB2)으로 분할하는 스톡스광분할 이색거울(dichroic mirror, 40), 펌프광(PB), 제1 스톡스광(SB1), 및 제2 스톡스광(SB2)을 시간적 및 공간적으로 일치시켜, 결합광(IB)을 생성하는 광결합부(50), CARS(Coherent anti-Stokes Raman Scattering) 신호가 발생되도록, 광결합부(50)에서 생성된 결합광(IB)으로 샘플을 스캐닝하는 스캐닝부(60), 및 CARS 신호를 검출하는 검출부(70)를 포함한다.The present invention relates to a broadband label-free molecular imaging system. The broadband label-free molecular imaging system according to an embodiment of the present invention includes a light source 10 for irradiating a laser light, and a pump light (PB) using a laser light irradiated from the light source 10. ) and the Stokes light (SB), a photonic crystal fiber (PCF, 30) extending the wavelength range of the Stokes light (SB) split in the light splitter 20, a predetermined wavelength A Stokes light splitting dichroic mirror 40 that splits the Stokes light SB passing through the photonic crystal fiber 30 into a first Stokes light SB1 and a second Stokes light SB2 according to the range, a pump light ( PB), the first Stokes light SB1, and the second Stokes light SB2 are temporally and spatially matched to generate the combined light IB, the optical coupling unit 50, CARS (Coherent anti-Stokes Raman Scattering) ), a scanning unit 60 that scans the sample with the combined light IB generated by the light coupling unit 50, and a detection unit 70 that detects a CARS signal so that a signal is generated.

Description

광대역 비표지 분자 이미징 시스템{BROADBAND LABEL-FREE MOLECULAR IMAGING SYSTEM}Broadband label-free molecular imaging system {BROADBAND LABEL-FREE MOLECULAR IMAGING SYSTEM}

본 발명은 광대역 비표지 분자 이미징 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분자 진동 에너지 기반 2개 이상의 라만 모드를 이용하여 2개 이상의 이미지를 동시에 실시간으로 획득할 수 있는 이미징 시스템 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a broadband label-free molecular imaging system, and more particularly, to an imaging system technology capable of simultaneously acquiring two or more images in real time using two or more Raman modes based on molecular vibrational energy.

미세플라스틱(Microplastic, MP) 입자는 지구상의 거의 모든 곳에서 발견되는 매우 작은 플라스틱 파편이다. 미세생물이 섭취한 미세플라스틱 입자는 먹이 사슬을 통해 거대생물이나 인간의 체내에 축적되어 신진대사와 생식에 심각한 영향을 미치므로, 중요한 생태학적 위협 요소로 여겨지고 있다. 환경 샘플 내 미세플라스틱의 크기와 화학적 조성을 파악하기 위해서 다양한 광학 현미경이 개발되었지만, 비슷한 크기와 형태의 세포 소기관이 존재하므로 세포 내 미세플라스틱 입자를 직접적으로 시각화하고 구별하는 것이 어렵다. 또한, 형광을 미세플라스틱 입자에 라벨링하여 관찰하는 방법이 개발되었으나, 형광 이미징 방법의 경우 형광 물질이 고분자로 이루어져 장시간 빛을 받으면 형광이 점점 약해져서 이미징을 할 수 없는 등 불안정한 광-물리적 특성을 가지고, 형광 자체의 독성에 의해 생체 손상이 유발될 수 있어 생물학적 샘플에 적용하기가 곤란하다. Microplastic (MP) particles are very small plastic fragments found almost everywhere on Earth. Microplastic particles ingested by microbes accumulate in the body of macroorganisms or humans through the food chain and seriously affect metabolism and reproduction, so they are considered an important ecological threat. Although various optical microscopes have been developed to identify the size and chemical composition of microplastics in environmental samples, it is difficult to directly visualize and distinguish intracellular microplastic particles because organelles of similar size and shape exist. In addition, a method of labeling and observing fluorescence on microplastic particles has been developed, but in the case of fluorescence imaging method, the fluorescence material is made of a polymer and when exposed to light for a long time, the fluorescence gradually weakens and cannot be imaged. It has unstable photo-physical properties, It is difficult to apply to biological samples because the toxicity of the fluorescence itself can cause biological damage.

이에 라벨링이 필요 없이 분자의 진동에너지를 이용하는 비표지 진동 이미징 기술이 미세플라스틱의 독성 및 환경을 연구하는 분야에서 매우 큰 관심을 받고 있다. 이러한 비표지 진동 이미징 기술은 생물학적 샘플 내 오염물에 대한 비파괴, 비침습 및 직접적 화학적 이미징을 가능하게 한다. 위상차현미경(phase contrast microscope)이나 차등간섭대비현미경(differential interference contrast microscope) 등과 같은 다른 광학 현미경은 미세플라스틱 입자를 함유하지 않는 생물학적 샘플을 관찰하는데 널리 사용되고 있지만, 그 현미경 이미지는 화학적 특이 정보를 제공하지 못한다. 예를 들어, 이러한 광학 현미경은 세포 내 미세플라스틱과 동일한 크기의 지질이나 단백질 액적(droplet)을 구별할 수 없다. 이에 반해, 진동 이미징 기술은 미세플라스틱에 대한 사전 라벨링 없이 세포 내 서로 다른 화학적 조성 및 구조를 가지는 미세입자와 미세플라스틱을 식별할 수 있다. Accordingly, label-free vibrational imaging technology using vibrational energy of molecules without the need for labeling is receiving great attention in the field of studying the toxicity and environment of microplastics. This label-free vibrational imaging technology enables non-destructive, non-invasive and direct chemical imaging of contaminants in biological samples. Other optical microscopes, such as the phase contrast microscope or differential interference contrast microscope, are widely used to observe biological samples that do not contain microplastic particles, but their microscopic images do not provide chemical specific information. can not do it. For example, these light microscopes cannot distinguish intracellular microplastics and lipid or protein droplets of the same size. In contrast, vibration imaging technology can identify microparticles and microplastics having different chemical compositions and structures within cells without prior labeling of microplastics.

마이크로 푸리에 변환 적외선(micro-Fourier-transform IR, FT-IR) 이미징, 초점 어레이 푸리에 변환 적외선 초분광 이미징(focal array FT-IR hyperspectral imaging, HSI), 근적외선 초분광 이미징(near IR (NIR) HSI) 등과 같은 적외선(IR) 현미경을 이용한 이미징 방법이 널리 사용되는 진동 이미징 방법 중 하나이다. 그러나 이러한 적외선 흡수 또는 반사 기반 진동 이미징 방법은 중적외선 파장 회절(mid-IR wave diffraction)에 의한 기본 분해능 한계 등으로 인해 10 ㎛ 미만의 미세플라스틱 입자를 정량분석하기에 부적합하다. 또한, 세포 및 유기체의 생리학적 용매인 물은 광범위한 적외선 주파수 영역에서 빛을 흡수하므로, 생물학적 샘플에의 적용이 더욱 제한될 수밖에 없다. 적외선 현미경과 달리 라만 현미경(Raman microscopy)은 물 분자에 의해 흡수되지 않는 가시파장 레이저 빔(visible laser beam)을 사용하므로, 보다 향상된 공간 분해능을 가지고, 미세플라스틱 입자 이미지를 얻는데 사용될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 자발 라만 산란 현미경(spontaneous Raman scattering microscopy)은 광손상, 작은 산란 단면으로 인한 낮은 검출 감도 등의 이유로 생물학적 응용 분야에서 그 사용이 제한적이다.Micro-Fourier-transform IR (FT-IR) imaging, focal array FT-IR hyperspectral imaging (HSI), near IR (NIR) HSI An imaging method using an infrared (IR) microscope such as a lamp is one of the widely used vibration imaging methods. However, such an infrared absorption or reflection-based vibration imaging method is not suitable for quantitative analysis of microplastic particles smaller than 10 μm due to limitations in basic resolution due to mid-IR wave diffraction. In addition, since water, a physiological solvent of cells and organisms, absorbs light in a wide range of infrared frequencies, its application to biological samples is further limited. Unlike infrared microscopy, Raman microscopy uses a visible laser beam that is not absorbed by water molecules, so it has improved spatial resolution and can be used to obtain images of microplastic particles. Nevertheless, spontaneous Raman scattering microscopy has limited use in biological applications due to light damage and low detection sensitivity due to a small scattering cross section.

따라서, 하기 선행기술문헌의 비특허문헌에 개시된 바와 같이, 초단파 레이저 펄스와 다광자 광물질 간의 상호작용을 활용한 간섭성 반스톡스 라만 산란(Coherent anti-Stokes Raman scattering, CARS) 현미경이 미세플라스틱의 생물학적 이미징을 위한 방법으로 선택될 수 있다. CARS 현미경은 우수한 공간 분해능, 고감도, 형광 비표지 등과 같은 장점을 가지므로 생물의학에서 환경 과학에 이르기까지 다양한 연구 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 최근에는 CARS 현미경을 이용해 게(crab)와 동물성 플랑크톤 등과 같은 해양 생물이 섭취한 미세플라스틱 입자를 검출하여 생체 내 미세플라스틱 입자의 분포 및 축적을 밝혀낸 바 있다. 다만, 단색 CARS 현미경은 선택된 입자에 대한 하나의 자동 이미징 맵을 제공하기 때문에, 동시에 화학적으로 서로 다른 미세플라스틱 입자들을 식별하거나, 다른 소기관으로부터 특정 미세플라스틱 입자만을 구별할 수 없다. 이러한 한계를 극복하기 위해서, 초분광 이미징(HSI) 접근법에 기반한 광대역 다중 CARS 현미경이 개발되어 서로 다른 화학 종을 동시에 특성화하는데 도움을 주고 있다. 다만, 광대역 다중 CARS 현미경은 각 이미지 픽셀에 기록된 전체 진동 스펙트럼으로부터 화학적으로 다른 미세플라스틱 입자의 초분광 이미지를 얻을 수 있지만, 이미징 속도가 느린 단점이 있다. 결국, 미세플라스틱 입자의 생물학적 반응과 독성 효과를 이해하는데 매우 중요한 세포 내재화(cellular internalization), 세포 내 수송, 및 미세플라스틱 입자의 조직 내 침투와 같은 생체 내 미세플라스틱과 이들이 접합된 소기관의 동적 행동을 연구하기에 초분광 이미지 기반 방법은 한계가 있다.Therefore, as disclosed in the non-patent literature of the prior art document below, a coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) microscope using the interaction between an ultrashort laser pulse and a multiphoton light material is used to analyze the biological properties of microplastics. It can be selected as a method for imaging. The CARS microscope has advantages such as excellent spatial resolution, high sensitivity, and fluorescence-free labeling, so it is widely used in various research fields ranging from biomedicine to environmental science. Recently, microplastic particles ingested by marine organisms such as crabs and zooplankton have been detected using a CARS microscope to reveal the distribution and accumulation of microplastic particles in living organisms. However, because monochromatic CARS microscopy provides one automatic imaging map for selected particles, it cannot simultaneously identify microplastic particles that are chemically different from each other or distinguish specific microplastic particles from other organelles. To overcome these limitations, a broadband multi-CARS microscope based on a hyperspectral imaging (HSI) approach has been developed to help characterize different chemical species simultaneously. However, although the broadband multi-CARS microscope can obtain hyperspectral images of chemically different microplastic particles from the entire vibration spectrum recorded at each image pixel, the imaging speed is slow. Ultimately, the dynamic behavior of microplastics and their attached organelles in vivo, such as cellular internalization, intracellular transport, and penetration of microplastic particles into tissues, is very important for understanding the biological responses and toxic effects of microplastic particles. Hyperspectral image-based methods for research have limitations.

한편, 생체 내 미세플라스틱 입자를 실시간으로 관찰하기 위해서는 적어도 2개의 구분(세포, 생체, 미세플라스틱)이 가능한 2개의 라만 모드(Raman mode)가 필요하므로, 2개 이미지를 동시에 측정하도록 시스템이 구축되어야 하는데, 현재 기술로는 파장이 서로 다른 3개의 광원이 필요하므로, 시스템이 매우 복잡하고 시스템 구축에 상당한 비용이 소요되는 문제가 있다.On the other hand, in order to observe microplastic particles in a living body in real time, at least two Raman modes capable of distinguishing two types (cell, living body, and microplastic) are required, so a system must be built to measure two images simultaneously. However, since the current technology requires three light sources having different wavelengths, there is a problem in that the system is very complicated and a considerable cost is required to build the system.

Choi, D S; Kim, C H; Lee, T; Nah, S; Rhee, H; Cho, M Vibrational spectroscopy and imaging with non-resonant coherent anti-Stokes Raman scattering: Double stimulated Raman scattering scheme Opt Express 2019, 27, 23558-23575 Choi, D S; Kim, C H; Lee, T; Nah, S; Rhee, H; Cho, M Vibrational spectroscopy and imaging with non-resonant coherent anti-Stokes Raman scattering: Double stimulated Raman scattering scheme Opt Express 2019, 27, 23558-23575

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일측면은 1대의 펨토초 레이저와 광결정 광섬유를 사용하여 레이저 스캐닝으로 fingerprint 및 CH stretch 영역을 동시에 측정할 수 있는 초광대역 멀티플렉스(multiplex) CARS 현미경 및 그 현미경 시스템으로서, 광대역 비표지 분자 이미징 시스템을 제공하는 데 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art described above, and one aspect of the present invention is an ultra-wideband multiplex (ultra-wideband multiplex that can simultaneously measure fingerprint and CH stretch areas by laser scanning using one femtosecond laser and a photonic crystal optical fiber) multiplex) CARS microscope and its microscope system, which provide a broadband label-free molecular imaging system.

또한, 본 발명의 다른 측면은 전방에 2대의 검출기와 후방에 1대의 검출기를 사용함으로써, 3개의 라만 모드를 이용하여 동시에 3개의 이미지를 얻을 수 있으며 실시간 이미지 획득이 가능한 광대역 비표지 분자 이미징 시스템을 제공하고자 한다.In addition, another aspect of the present invention is a broadband label-free molecular imaging system capable of acquiring three images simultaneously using three Raman modes and real-time image acquisition by using two detectors in the front and one detector in the rear. want to provide

또한, 본 발명의 또 다른 측면은 라만 모드를 사용하는 2대의 검출기를 전방에 사용하고, 이광자 형광기술을 사용하는 1대의 검출기를 후방에 사용함으로써, 형광이미지도 동시에 획득할 수 있는 광대역 비표지 분자 이미징 시스템을 제공하는 데 있다.In addition, another aspect of the present invention is a broadband unlabeled molecule that can simultaneously acquire fluorescence images by using two detectors using Raman mode in the front and one detector using two-photon fluorescence technology in the rear. To provide an imaging system.

본 발명의 실시예에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템은 레이저광을 조사하는 광원; 상기 광원에서 조사된 상기 레이저광을 펌프광 및 스톡스광으로 분할하는 광분할기; 상기 광분할기에서 분할된 상기 스톡스광의 파장범위를 확장하는 광결정 광섬유(photonic crystal fiber, PCF); 소정의 파장범위에 따라, 상기 광결정 광섬유를 통과한 상기 스톡스광을 제1 스톡스광 및 제2 스톡스광으로 분할하는 스톡스광분할 이색거울(dichroic mirror); 상기 펌프광, 상기 제1 스톡스광, 및 상기 제2 스톡스광을 시간적 및 공간적으로 일치시켜, 결합광을 생성하는 광결합부; CARS(Coherent anti-Stokes Raman Scattering) 신호가 발생되도록, 상기 광결합부에서 생성된 상기 결합광으로 샘플을 스캐닝하는 스캐닝부; 및 상기 CARS 신호를 검출하는 검출부;를 포함한다.A broadband label-free molecular imaging system according to an embodiment of the present invention includes a light source for irradiating laser light; a beam splitter splitting the laser light irradiated from the light source into a pump light and a Stokes light; a photonic crystal fiber (PCF) extending a wavelength range of the Stokes light split in the optical splitter; a Stokes light splitting dichroic mirror for splitting the Stokes light passing through the photonic crystal fiber into first Stokes light and second Stokes light according to a predetermined wavelength range; an optical coupling unit configured to temporally and spatially match the pump light, the first Stokes light, and the second Stokes light to generate combined light; a scanning unit scanning a sample with the combined light generated by the optical coupling unit to generate a Coherent anti-Stokes Raman Scattering (CARS) signal; and a detector for detecting the CARS signal.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템에 있어서, 상기 광결합부는, 상기 제1 스톡스광과 상기 제2 스톡스광이 시간적으로 일치되도록, 상기 제2 스톡스광의 시간을 조절하는 스톡스광 조절기; 상기 스톡스광 조절기를 통과한 상기 제2 스톡스광과, 상기 제1 스톡스광을 공간적으로 일치시키는 스톡스광결합 이색거울; 및 상기 스톡스광결합 이색거울을 통해 공간적으로 일치된 상기 제1 스톡스광 및 상기 제2 스톡스광과, 상기 펌프광을 공간적으로 일치시켜, 상기 결합광을 생성하고, 생성된 상기 결합광을 상기 스캐닝부로 조사하는 결합광생성 이색거울;을 포함할 수 있다.In addition, in the broadband label-free molecular imaging system according to an embodiment of the present invention, the light coupling unit adjusts the time of the second Stokes light so that the first Stokes light and the second Stokes light are temporally matched. light regulator; a Stokes light coupling dichroic mirror for spatially matching the second Stokes light passing through the Stokes light controller with the first Stokes light; and generating the combined light by spatially matching the pump light with the first and second Stokes light spatially matched through the Stokes light-coupling dichroic mirror, and sending the generated combined light to the scanning unit. It may include; a coupled light generating dichroic mirror that irradiates.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템에 있어서, 상기 광결합부는, 상기 스톡스광 조절기에서 시간적으로 일치된 상기 제1 스톡스광 및 상기 제2 스톡스광과, 상기 펌프광이 시간적으로 일치되도록, 상기 펌프광의 시간을 조절하는 펌프광 조절기;를 더 포함할 수 있다.In addition, in the broadband label-free molecular imaging system according to an embodiment of the present invention, in the light coupling unit, the first Stokes light and the second Stokes light, which are temporally matched in the Stokes light controller, and the pump light are temporally synchronized. The pump light controller may further include a pump light controller configured to adjust the time of the pump light to match.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템에 있어서, 상기 광결합부로 조사되는 상기 펌프광의 파장범위를 조절하는 펌프광 대역통과필터(band pass filter); 상기 광결합부로 조사되는 상기 제1 스톡스광의 파장범위를 조절하는 제1 스톡스광 대역통과필터; 및 상기 광결합부로 조사되는 상기 제2 스톡스광의 파장범위를 조절하는 제2 스톡스광 대역통과필터;를 더 포함할 수 있다. In addition, in the broadband label-free molecular imaging system according to an embodiment of the present invention, the pump light band pass filter for adjusting the wavelength range of the pump light irradiated to the optical coupler; a first Stokes light band pass filter for adjusting a wavelength range of the first Stokes light irradiated to the optical coupler; and a second Stokes light band-pass filter for adjusting a wavelength range of the second Stokes light irradiated to the light coupling unit.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템에 있어서, 상기 광결정 광섬유를 통과한 상기 스톡스광이 입사되고, 장파장 영역의 상기 스톡스광을 투과시키는 장파통과필터(long pass filter);를 더 포함할 수 있다. In addition, in the broadband label-free molecular imaging system according to an embodiment of the present invention, the Stokes light passing through the photonic crystal fiber is incident and a long pass filter for transmitting the Stokes light in a long wavelength region; can include more.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템에 있어서, 상기 스캐닝부는, 상기 샘플에 대한 상기 결합광의 스캔 영역을 조절하는 갈바노 스캐너(galvano scanner); 및 상기 갈바노 스캐너를 통과한 상기 결합광을 후방에서 상기 샘플을 향해 집속시키는 후방 대물렌즈;를 포함할 수 있다.In addition, in the broadband label-free molecular imaging system according to an embodiment of the present invention, the scanning unit may include: a galvano scanner for adjusting a scan area of the coupled light with respect to the sample; and a rear objective lens for concentrating the combined light passing through the galvano scanner toward the sample from a rear side.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템에 있어서, 상기 검출부는, 상기 결합광이 상기 샘플에 집속되어 전방에서 생성된 전방 CARS 신호를 수집하는 전방 대물렌즈; 상기 전방 CARS 신호를, 상기 펌프광과 상기 제1 스톡스광의 조합에 의해 생성된 제1 CARS 신호, 및 상기 펌프광과 상기 제2 스톡스광의 조합에 의해 생성된 제2 CARS 신호를 분리하는 신호분리 이색거울; 상기 신호분리 이색거울에서 분리된 상기 제1 CARS 신호를 검출하는 제1 광전증배관(photomultiplier tube, PMT); 및 상기 신호분리 이색거울에서 분리된 상기 제2 CARS 신호를 검출하는 제2 광전증배관;을 포함할 수 있다.In addition, in the broadband label-free molecular imaging system according to an embodiment of the present invention, the detection unit may include: a front objective lens for collecting a front CARS signal generated in front by focusing the coupled light on the sample; a signal separation dichroic mirror separating the front CARS signal, a first CARS signal generated by a combination of the pump light and the first Stokes light, and a second CARS signal generated by a combination of the pump light and the second Stokes light; a first photomultiplier tube (PMT) for detecting the first CARS signal separated by the signal separating dichroic mirror; and a second photomultiplier tube for detecting the second CARS signal separated by the signal separating dichroic mirror.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템에 있어서, 상기 검출부는, 상기 결합광이 상기 샘플에 집속되어 후방에서 생성된 후방 CARS 신호를 검출하는 제3 광전증배관;을 더 포함할 수 있다.In addition, in the broadband label-free molecular imaging system according to an embodiment of the present invention, the detection unit further includes a third photomultiplier tube for detecting a backward CARS signal generated from the rear when the coupled light is focused on the sample. can do.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템에 있어서, 상기 검출부는, 상기 결합광이 상기 샘플에 집속되어 후방에서 생성된 후방 CARS 신호의 스펙트럼을 검출하는 분광계;를 더 포함할 수 있다.In addition, in the broadband label-free molecular imaging system according to an embodiment of the present invention, the detection unit may further include a spectrometer for detecting a spectrum of a backward CARS signal generated from the rear when the coupled light is focused on the sample. there is.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템에 있어서, 상기 샘플은, 미세플라스틱 입자가 내재화된 세포 또는 생체를 포함할 수 있다.In addition, in the broadband label-free molecular imaging system according to an embodiment of the present invention, the sample may include cells or living organisms in which microplastic particles are internalized.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.Features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be interpreted in a conventional and dictionary sense, and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to explain his or her invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is.

본 발명에 따르면, 1대의 펨토초 레이저와 광결정 광섬유를 사용하여 레이저 스캐닝으로 fingerprint 및 CH stretch 영역을 측정할 수 있는 초광대역 CARS 신호를 동시에 얻을 수 있다.According to the present invention, ultra-wideband CARS signals capable of measuring fingerprint and CH stretch regions can be simultaneously obtained by laser scanning using one femtosecond laser and a photonic crystal fiber.

또한, 레이저 스캐닝을 통해 최대 속도 1 frame/s으로 두 개 의상의 라만 모드(Raman mode)를 사용하여 2개 이상의 이미지를 동시에 실시간으로 획득할 수 있다.In addition, two or more images can be simultaneously acquired in real time using two Raman modes at a maximum speed of 1 frame/s through laser scanning.

나아가 본 발명은 비표지 기술로서 생체 또는 세포에 대한 전처리 과정 없이, 생체 또는 세포 내 미세플라스틱 입자와 세포 소기관을 각각 이미징할 수 있다.Furthermore, the present invention is a non-labeling technology, and it is possible to image microplastic particles and organelles in living organisms or cells, respectively, without pretreatment of living organisms or cells.

또한, 본 발명은 라만 모드를 사용하는 전방 검출기 외에, 이광자 형광기술을 사용하는 후방 검출기를 배치함으로써 이광자 형광기술을 결합한 Multi-modal 현미경 시스템을 구축하여 생물학적 샘플에 대한 형광 이미지를 동시에 획득할 수 있다.In addition, the present invention builds a multi-modal microscope system combining two-photon fluorescence technology by arranging a rear detector using two-photon fluorescence technology in addition to a front detector using Raman mode, thereby simultaneously acquiring fluorescence images of biological samples. .

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2 내지 도 3은 실험예에 따른 Multi-color CARS 현미경의 구성도이다.
도 4의 (a) ~ (d)는 실험예에 따른 8.7㎛ PS 비드와 혼합된 백합 꽃가루의 Multi-color CARS-TPE 이미지이고, 도 4의 (e) ~ (l)은 실험예에 따른 2㎛ PS 비드를 섭취한 C. elegans의 Multi-color CARS-TPE 이미지이다.
도 5의 (a)는 실험예에 따른 2㎛ PS 비드 용액에 노출된 U2OS 세포의 wide-illuminated PC 이미지이고, 도 5의 (b)는 상기 PS 비드 용액에 노출된 U2OS 세포의 Multi-color CARS 이미지이며, 도 5의 (c)~ (f)는 U2OS 세포 내 PS 비드 및 세포 소기관(LDs)의 입자 추적 및 이동 분석 결과이다.
1 is a schematic configuration diagram of a broadband label-free molecular imaging system according to an embodiment of the present invention.
2 to 3 are configuration diagrams of Multi-color CARS microscopes according to experimental examples.
4 (a) to (d) are multi-color CARS-TPE images of lily pollen mixed with 8.7 μm PS beads according to the experimental example, and FIG. 4 (e) to (l) are 2 according to the experimental example. This is a multi-color CARS-TPE image of C. elegans ingesting ㎛ PS beads.
Figure 5 (a) is a wide-illuminated PC image of U2OS cells exposed to a 2 μm PS bead solution according to the experimental example, and Figure 5 (b) is a multi-color CARS of U2OS cells exposed to the PS bead solution. 5 (c) to (f) are particle tracking and migration analysis results of PS beads and organelles (LDs) in U2OS cells.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.Objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. In adding reference numerals to components of each drawing in this specification, it should be noted that the same components have the same numbers as much as possible, even if they are displayed on different drawings. In addition, terms such as “first” and “second” are used to distinguish one component from another component, and the components are not limited by the terms. Hereinafter, in describing the present invention, detailed descriptions of related known technologies that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a broadband label-free molecular imaging system according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템은 레이저광을 조사하는 광원(10), 광원(10)에서 조사된 레이저광을 펌프광(PB) 및 스톡스광(SB)으로 분할하는 광분할기(20), 광분할기(20)에서 분할된 스톡스광(SB)의 파장범위를 확장하는 광결정 광섬유(photonic crystal fiber, PCF, 30), 소정의 파장범위에 따라, 광결정 광섬유(30)를 통과한 스톡스광(SB)을 제1 스톡스광(SB1) 및 제2 스톡스광(SB2)으로 분할하는 스톡스광분할 이색거울(dichroic mirror, 40), 펌프광(PB), 제1 스톡스광(SB1), 및 제2 스톡스광(SB2)을 시간적 및 공간적으로 일치시켜, 결합광(IB)을 생성하는 광결합부(50), CARS(Coherent anti-Stokes Raman Scattering) 신호가 발생되도록, 광결합부(50)에서 생성된 결합광(IB)으로 샘플을 스캐닝하는 스캐닝부(60), 및 CARS 신호를 검출하는 검출부(70)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the broadband label-free molecular imaging system according to an embodiment of the present invention includes a light source 10 for irradiating laser light, a pump light PB and a Stokes light ( SB), a photonic crystal fiber (PCF, 30) extending the wavelength range of the Stokes light (SB) split in the optical splitter 20, and a photonic crystal according to a predetermined wavelength range. A Stokes light splitting dichroic mirror 40 splitting the Stokes light SB passing through the optical fiber 30 into a first Stokes light SB1 and a second Stokes light SB2, a pump light PB, a first The optical coupling unit 50 that generates the combined light IB by temporally and spatially matching the Stokes light SB1 and the second Stokes light SB2 so that a Coherent anti-Stokes Raman Scattering (CARS) signal is generated. , a scanning unit 60 that scans a sample with the combined light IB generated by the optical coupling unit 50, and a detection unit 70 that detects a CARS signal.

본 발명은 레이저를 이용한 고분해능 비표지 이미징 시스템에 관한 것으로서, 분자의 진동 에너지 기반의 2개 또는 그 이상의 라만 모드(Raman mode)를 이용하여 2개 또는 그 이상의 2차원 이미지를 동시에 획득할 수 있는 초광대역 멀티플렉스(multiplex) CARS 현미경 시스템을 제공한다. 생체 또는 세포 수준의 이미지를 얻기 위해서 일반적으로 고배율 광학 이미징을 이용하거나 특정 부분 또는 특정 소기관의 실시간 변화를 관찰하기 위해서 형광을 라벨링하여 관찰하는 방법을 최근까지 많이 사용되고 있다. 고분해능 형광 이미지를 확보하기 위해서 공초점 레이저 스캐닝 형광 이미징 기술을 사용할 수 있는데, 이에 의하면 일반 형광 이미징에 비해서 1.4배 정도 고분해능으로 이미징이 가능하므로 현재까지 많이 사용되고 있다. 최근에는 형광 이미징 또는 레이저 스캐닝 형광 이미징을 통해서, 미세플라스틱 입자가 다양한 종류의 생체(플랑크톤, C. elegans, 제브라피쉬 등등)에서 흡수 또는 섭취되어 그 생체 내에 축적되는 것으로 밝혀졌다. 다만, 형광은 고분자로 구성되어 있고 장시간 빛을 받으면 형광이 점점 약해져서 이미징을 할 수 없게 되고 형광 자체의 독성에 의해서 생체내의 손상이 발생할 수 있는 단점이 발생하는바, 최근에는 형광을 사용하지 않는 현미경 기술이 개발되고 있다. 특히, 지난 20년 동안, 다양한 고분자 물질, 신물질, 살아있는 바이오 샘플의 연구를 위해서, 라벨링이 필요 없는 분자의 진동에너지를 이용하는 CARS(Coherent anti-Stokes Raman Scattering) 분광 및 현미경 기술이 다양하게 개발되었다. CARS 분광은 사광파 혼합 분광이기 때문에, 종래 CARS 현미경은 적어도 파장이 다른 두 대의 10 피고초(ps) 이하 펄스 레이저를 사용한다. 일례로, 2대의 피코초 레이저 또는 1대의 피코초 레이저와 1대의 펨토초 레이저를 이용한 CARS 이미징은 고속 이미징이 가능하기 때문에 살아있는 세포 및 조직(protein, lipid droplets, nucleic acid, endoplasmic reticulum)을 실시간으로 모니터링하거나, dynamics를 관찰할 수 있다. 그러나 종래 피코초 레이저를 사용하여 2개의 라만 모드를 유발함으로써 2개의 이미지를 동시에 얻기 위해서는 반드시 3개의 레이저 광이 필요하므로, 시스템 구성이 복잡하고, 피코초 레이저 및 펨토초 레이저가 매우 고가이기 때문에 경제적 및 공간적 측면에서 문제가 있는바, 이에 대한 해결방안으로서 본 발명이 안출되었다.The present invention relates to a high-resolution, label-free imaging system using a laser, which can simultaneously acquire two or more two-dimensional images using two or more Raman modes based on molecular vibrational energy. A broadband multiplex CARS microscope system is provided. In order to obtain an image at the level of a living body or a cell, high-magnification optical imaging is generally used, or a method of labeling and observing fluorescence to observe real-time changes in a specific part or a specific organelle has been widely used until recently. In order to secure a high-resolution fluorescence image, confocal laser scanning fluorescence imaging technology can be used, which is widely used so far because it enables imaging at about 1.4 times higher resolution than general fluorescence imaging. Recently, through fluorescence imaging or laser scanning fluorescence imaging, it has been found that microplastic particles are absorbed or ingested by various types of organisms (plankton, C. elegans, zebrafish, etc.) and accumulated in the organism. However, fluorescence is composed of polymers, and when exposed to light for a long time, the fluorescence gradually weakens, making it impossible to perform imaging, and the toxicity of fluorescence itself can cause damage in vivo. Recently, microscopes that do not use fluorescence technology is being developed. In particular, in the past 20 years, various CARS (Coherent anti-Stokes Raman Scattering) spectroscopy and microscopy techniques using vibrational energy of molecules that do not require labeling have been developed for the study of various polymer materials, new materials, and living bio samples. Since CARS spectroscopy is four-wave mixing spectroscopy, a conventional CARS microscope uses at least two sub-10 ps pulse lasers of different wavelengths. For example, CARS imaging using two picosecond lasers or one picosecond laser and one femtosecond laser enables high-speed imaging, so live cells and tissues (protein, lipid droplets, nucleic acid, endoplasmic reticulum) can be monitored in real time Or you can observe the dynamics. However, since three laser lights are required to obtain two images simultaneously by inducing two Raman modes using a conventional picosecond laser, the system configuration is complicated, and the picosecond laser and the femtosecond laser are very expensive. There is a problem in terms of space, and the present invention has been devised as a solution to this problem.

구체적으로, 본 발명에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템은 광원(10), 광분할기(20), 광결정 광섬유(photonic crystal fiber, PCF, 30), 스톡스광분할 이색거울(dichroic mirror, 40), 광결합부(50), 스캐닝부(60), 및 검출부(70)를 포함한다.Specifically, the broadband label-free molecular imaging system according to the present invention includes a light source 10, a beam splitter 20, a photonic crystal fiber (PCF, 30), a Stokes light splitting dichroic mirror, 40, a light It includes a coupling unit 50, a scanning unit 60, and a detection unit 70.

여기서, 광원(10)은 레이저광을 조사하는 레이저이다. 일례로, 광원(10)은 1대의 펨토초 레이저일 수 있다. Here, the light source 10 is a laser that irradiates laser light. For example, the light source 10 may be one femtosecond laser.

광분할기(20)는 광원(10)에서 조사된 레이저광을 2개의 광으로 분할한다. CARS 신호를 획득하기 위해서는 펌프광(PB)과 스톡스광(SB)이 필요한데, 광분할기(20)에서 레이저광을 펌프광(PB)과 스톡스광(SB)으로 분할한다. 한편, 레이저광이 광분할기(20)로 향하는 광경로 상에 반파장판(half wave plate, HWP)이 배치되어, 레이저광의 편광상태가 조정되고, 여기서 편광된 레이저광이 광분할기(20)인 편광 빔스플리터(polarizing beam splitter, PBS)로 입사되어, 펌프광(PB)과 스톡스광(SB)으로 분할될 수 있다. 또한, 스톡스광(SB)의 광경로 상에 다른 반파장판(half wave plate, HWP)이 배치되어, 스톡스광(SB)의 편광이 조정될 수 있다. The beam splitter 20 splits the laser light emitted from the light source 10 into two beams. In order to obtain the CARS signal, the pump light PB and the Stokes light SB are required, and the beam splitter 20 splits the laser light into the pump light PB and the Stokes light SB. On the other hand, a half wave plate (HWP) is disposed on the optical path of the laser light to the optical splitter 20 to adjust the polarization state of the laser light, where the polarized laser light is the polarized light splitter 20. It is incident on a polarizing beam splitter (PBS) and can be split into a pump light (PB) and a Stokes light (SB). In addition, another half wave plate (HWP) is disposed on the optical path of the Stokes light SB, so that the polarization of the Stokes light SB can be adjusted.

광결정 광섬유(photonic crystal fiber, PCF, 30)는 광분할기(20)에서 분할된 스톡스광(SB)의 파장범위를 확장한다. 이러한 광결정 광섬유(30)를 통과한 스톡스광(SB)은 초광대역의 스펙트럼을 가지게 되고, 스톡스광분할 이색거울(40)로 조사된다.The photonic crystal fiber (PCF) 30 expands the wavelength range of the Stokes light (SB) split in the optical splitter (20). The Stokes light (SB) passing through such a photonic crystal fiber 30 has an ultra-wide spectrum and is irradiated to the Stokes light splitting dichroic mirror 40 .

한편, 스톡스광(SB)이 소정의 파장범위를 가지도록, 광결정 광섬유(30)와 스톡스광분할 이색거울(40) 사이의 스톡스광(SB) 광경로 상에, 장파통과필터(long pass filter, 110)가 배치될 수 있다. 이때, 광결정 광섬유(30)를 통과한 스톡스광(SB)이 장파통과필터(110)에 입사되고, 장파장 영역의 스톡스광(SB)이 투과되어 스톡스광분할 이색거울(40)로 조사될 수 있다.On the other hand, on the optical path of the Stokes light SB between the photonic crystal fiber 30 and the Stokes light splitting dichroic mirror 40 so that the Stokes light SB has a predetermined wavelength range, a long pass filter, 110) may be placed. At this time, the Stokes light SB passing through the photonic crystal fiber 30 is incident on the long wave pass filter 110, and the Stokes light SB in the long wavelength region is transmitted and irradiated to the Stokes light splitting dichroic mirror 40. .

스톡스광분할 이색거울(dichroic mirror, 40)은 광결정 광섬유(30)를 통과한 스톡스광(SB)을 소정의 파장범위에 따라 제1 스톡스광(SB1) 및 제2 스톡스광(SB2)으로 분할한다. The Stokes light splitting dichroic mirror 40 splits the Stokes light SB passing through the photonic crystal fiber 30 into a first Stokes light SB1 and a second Stokes light SB2 according to a predetermined wavelength range. .

한편, CARS 신호는 2개의 서로 다른 주파수를 가진 펌프광(PB)과 스톡스광(SB)이 시간적 및 공간적으로 동시에 겹쳐져 있을 때에 발생하는데, 본 발명에서는 펌프광(PB) 및 제1 스톡스광(SB1)의 조합, 및 펌프광(PB)과 제2 스톡스광(SB2)의 조합에 의해 각각 CARS 신호가 발생한다. On the other hand, the CARS signal is generated when the pump light PB and the Stokes light SB having two different frequencies are temporally and spatially overlapped at the same time. In the present invention, the pump light PB and the first Stokes light SB1 A CARS signal is generated by the combination and the combination of the pump light PB and the second Stokes light SB2.

광결합부(50)는 CARS 신호가 발생되도록, 펌프광(PB), 제1 스톡스광(SB1), 및 제2 스톡스광(SB2)을 시간적 및 공간적으로 일치시켜 결합광(IB)을 생성한다. The optical coupler 50 generates the combined light IB by temporally and spatially matching the pump light PB, the first Stokes light SB1, and the second Stokes light SB2 so that the CARS signal is generated.

한편, CARS 신호의 발생을 위해 결합광(IB) 생성 전, 즉 광결합부(50)로 조사되기 전에, 펌프광(PB)은 펌프광 대역통과필터(band pass filter, 80)를 통과하고, 제1 스톡스광(SB1)은 제1 스톡스광 대역통과필터(90)를 통과하며, 제2 스톡스광(SB2)은 제2 스톡스광 대역통과필터(100)를 통과함으로써, 펌프광(PB), 제1 스톡스광(SB1), 및 제2 스톡스광(SB2) 각각의 파장범위가 조절될 수 있다. 이렇게 파장범위가 조정된 펌프광(PB)과 제1 스톡스광(SB1)의 주파수 차이, 및 펌프광(PB)과 제2 스톡스광(SB2)의 주파수 차이가 샘플 내 타겟 라만 활성 모드의 진동 주파수와 일치될 때에 CARS 신호가 발생한다. 결국, 주파수가 고정된 펌프광(PB)에 대해, 제1 스톡스광(SB1) 및 제2 스톡스광(SB2)의 주파수를 독립적으로 조정함으로써, 2개 또는 그 이상의 진동 모드를 이용하여, 2개 이상의 이미지를 동시에 얻을 수 있다.Meanwhile, before the combined light IB is generated for generating the CARS signal, that is, before being irradiated to the light coupling unit 50, the pump light PB passes through a pump light band pass filter 80, The Stokes light SB1 passes through the first Stokes light band pass filter 90, and the second Stokes light SB2 passes through the second Stokes light band pass filter 100, so that the pump light PB, the first Stokes light SB2, A wavelength range of each of the light SB1 and the second Stokes light SB2 may be adjusted. The frequency difference between the pump light (PB) and the first Stokes light (SB1) and the frequency difference between the pump light (PB) and the second Stokes light (SB2) whose wavelength ranges are adjusted in this way match the vibration frequency of the target Raman active mode in the sample. CARS signal is generated when As a result, by independently adjusting the frequencies of the first Stokes light SB1 and the second Stokes light SB2 with respect to the pump light PB having a fixed frequency, two or more vibration modes are used to generate two or more vibrations. images can be obtained at the same time.

일 실시예로, 광결합부(50)는 스톡스광 조절기(51), 스톡스광결합 이색거울(52), 및 결합광생성 이색거울(53)을 포함하여, 결합광(IB)을 생성할 수 있다. In one embodiment, the optical coupling unit 50 may include a Stokes light controller 51, a Stokes light coupling dichroic mirror 52, and a combined light generating dichroic mirror 53 to generate combined light IB. there is.

여기서, 스톡스광 조절기(51)는 제2 스톡스광(SB2)의 광경로 상에 배치되어, 제2 스톡스광(SB2)의 시간을 조절함으로써, 제1 스톡스광(SB1)과 제2 스톡스광(SB2)을 시간적으로 일치시킨다. 스톡스광 조절기(51)는 제2 스톡스광(SB2)의 광경로를 연장하거나, 또는 단축시키는 방식으로, 제2 스톡스광(SB2)의 광경로를 조절하여 제2 스톡스광(SB2)의 시간을 변경할 수 있다.Here, the Stokes light controller 51 is disposed on the optical path of the second Stokes light SB2, and adjusts the time of the second Stokes light SB2, so that the first Stokes light SB1 and the second Stokes light ( SB2) in time. The Stokes light controller 51 adjusts the optical path of the second Stokes light SB2 by extending or shortening the optical path of the second Stokes light SB2 to shorten the time of the second Stokes light SB2. can be changed

스톡스광 조절기(51)를 통과한 제2 스톡스광(SB2)과, 제1 스톡스광(SB1)은 스톡스광결합 이색거울(52)로 각각 입사되어 동축 상에서 겹쳐져, 즉 공간적으로 일치되어 결합광생성 이색거울(53)로 조사된다. 한편, 펌프광(PB)도 결합광생성 이색거울(53)로 조사됨으로써, 펌프광(PB), 제1 스톡스광(SB1), 및 제2 스톡스광(SB2)이 공간적으로 일치되어 결합광(IB)을 생성한다. 이렇게 결합광생성 이색거울(53)을 거쳐 생성된 결합광(IB)은 스캐닝부(60)로 조사된다. 한편, 결합광생성 이색거울(53)을 향해 조사되는 펌프광(PB)은 펌프광 조절기(54)를 거칠 수 있다. 펌프광 조절기(54)는 광분할기(20)로부터 결합광생성 이색거울(53)을 거치는 펌프광(PB) 광경로 상에 배치되어, 펌프광(PB)의 시간을 지연시킴으로써, 스톡스광 조절기(51)에서 시간적으로 일치된 제1 스톡스광(SB1) 및 제2 스톡스광(SB2)과, 펌프광(PB)을 시간적으로 일치시킬 수 있다. 여기서, 펌프광 조절기(54)는 펌프광(PB)의 광경로를 연장하거나, 또는 단축시키는 방식으로, 펌프광(PB)의 광경로를 조절하여 펌프광(PB)의 시간을 조절할 수 있다. The second Stokes light SB2 and the first Stokes light SB1 passing through the Stokes light regulator 51 are incident on the Stokes light coupling dichroic mirror 52, respectively, and are coaxially overlapped, that is, spatially matched, to generate combined light. It is irradiated with a dichroic mirror (53). Meanwhile, as the pump light PB is also irradiated with the coupled light generating dichroic mirror 53, the pump light PB, the first Stokes light SB1, and the second Stokes light SB2 are spatially matched to form the combined light IB. generate The combined light IB generated through the combined light generating dichroic mirror 53 is irradiated to the scanning unit 60 . Meanwhile, the pump light PB irradiated toward the coupled light generating dichroic mirror 53 may pass through the pump light controller 54 . The pump light controller 54 is disposed on the optical path of the pump light PB passing through the coupled light generating dichroic mirror 53 from the light splitter 20, and delays the time of the pump light PB, so that the Stokes light controller 51 The first Stokes light SB1 and the second Stokes light SB2, which are temporally matched, and the pump light PB may be temporally matched. Here, the pump light controller 54 may adjust the time of the pump light PB by adjusting the optical path of the pump light PB by extending or shortening the optical path of the pump light PB.

스캐닝부(60)는 결합광(IB)으로 샘플을 스캐닝한다. 이러한 스캐닝부(60)는 갈바노 스캐너(galvano scanner, 61), 및 후방 대물렌즈(62)를 포함할 수 있다. 여기서, 갈바노 스캐너(61)는 샘플에 대한 결합광(IB)의 스캔 영역을 조절하는 스캔 장치이다. 갈바노 스캐너(61)를 통과한 결합광(IB)은 후방 대물렌즈(62)로 조사되고, 후방 대물렌즈(62)는 샘플의 후방에서 샘플을 향해 결합광(IB)을 집속시키고, 이로 인해 전방 및/또는 후방으로 CARS 신호가 발생한다.The scanning unit 60 scans the sample with the combined light IB. The scanning unit 60 may include a galvano scanner 61 and a rear objective lens 62 . Here, the galvano scanner 61 is a scanning device that adjusts the scan area of the coupled light IB for the sample. The combined light IB passing through the galvano scanner 61 is irradiated to the rear objective lens 62, and the rear objective lens 62 focuses the combined light IB from the rear of the sample toward the sample, thereby CARS signals are generated forward and/or backward.

여기서, 샘플 내에 화학적 조성이 서로 상이한 다수의 물질이 포함된 경우에, 펌프광(PB)과 제1 스톡스광(SB1)의 조합에 의해 어느 하나의 물질에 대한 제1 CARS 신호가, 펌프광(PB)과 제2 스톡스광(SB2)의 조합에 의해 다른 하나의 물질에 대한 제2 CARS 신호가 각각 전방에서 발생할 수 있다. 일례로, 샘플은 미세플라스틱 입자가 내재화된 세포 또는 생체를 포함하는 생물학적 샘플일 수 있는데, 여기서 제1 CARS 신호는 미세플라스틱 입자에 대한 라만 모드로서, 제2 CARS 신호는 세포 내 소기관에 대한 라만 모드로서, 각각 전방에서 검출되어 이미징될 수 있다. Here, when a plurality of materials having different chemical compositions are included in the sample, the first CARS signal for any one material is generated by a combination of the pump light PB and the first Stokes light SB1, The second CARS signal for the other material may be generated in the front by a combination of the light and the second Stokes light SB2 . As an example, the sample may be a biological sample including cells or living organisms in which microplastic particles are internalized, wherein the first CARS signal is a Raman mode for microplastic particles and the second CARS signal is a Raman mode for organelles within cells. As , each can be detected and imaged in the front.

이렇게 광결정 광섬유(30)를 통과한 스톡스광(SB)을, 광의 에너지 손실이 거의 없는 2개의 이색거울(40, 52)을 이용하여 제1 스톡스광(SB1)과 제2 스톡스광(SB2)을 분리하고 결합하여 집속된 샘플에서 시간적 및 공간적으로 일치시켜, fingerprint 영역(500 ~ 1800㎝-1) 및 CH stretch 영역(2800 ~ 3200㎝-1)을 아우르는 초광대역 CARS 신호를 동시에 측정할 수 있다.In this way, the Stokes light SB passing through the photonic crystal fiber 30 is converted into the first Stokes light SB1 and the second Stokes light SB2 using two dichroic mirrors 40 and 52 with almost no light energy loss. By separating and combining and matching temporally and spatially in the focused sample, ultra-wideband CARS signals covering the fingerprint area (500 ~ 1800 cm -1 ) and the CH stretch area (2800 ~ 3200 cm -1 ) can be simultaneously measured.

한편, 갈바노 스캐너(61)를 통과한 결합광(IB)은 스캔렌즈(scan lens, SL), 및 튜브렌즈(tube lens, TL)를 순차적으로 통과하여 후방 대물렌즈(62)로 조사될 수 있다.Meanwhile, the combined light IB passing through the galvano scanner 61 sequentially passes through a scan lens (SL) and a tube lens (TL) and is irradiated to the rear objective lens 62. there is.

검출부(70)는 CARS 신호를 검출하는데, 샘플에 대한 전방으로, 전방 대물렌즈(71), 신호분리 이색거울(72), 제1 광전증배관(photomultiplier tube, PMT, 73), 및 제2 광전증배관(74)이 배치될 수 있다.The detection unit 70 detects the CARS signal, forward to the sample, a front objective lens 71, a signal separation dichroic mirror 72, a first photomultiplier tube (PMT, 73), and a second photoelectric A multiplier tube 74 may be disposed.

여기서, 전방 대물렌즈(71)는, 결합광(IB)이 샘플의 후방에서부터 샘플을 향해 집속되어 샘플의 전방에서 생성된 전방 CARS 신호를 수집한다. 이때, 전방 CARS 신호는 상기 제1 CARS 신호 및 제2 CARS 신호를 포함한다. 수집된 전방 CARS 신호는 신호분리 이색거울(72)로 조사되어, 제1 CARS 신호와 제2 CARS 신호로 분리된다. 여기서, 전방 CARS 신호뿐만 아니라 펌프광(PB), 제1 스톡스광(SB1) 및 제2 스톡스광(SB2)도 전방 대물렌즈(71)에서 수집되는 바, 전방 대물렌즈(71)와 신호분리 이색거울(72) 사이의 광경로 상에 단파통과필터(shot pass filter, SPF)가 배치되어, 펌프광(PB), 제1 스톡스광(SB1) 및 제2 스톡스광(SB2)을 차단하고, 제1 CARS 신호와 제2 CARS 신호만을 신호분리 이색거울(72)로 조사할 수 있다. 신호분리 이색거울(72)에서 분리된 제1 CARS 신호는 제1 광전증배관(73)에서 검출되고, 제2 CARS 신호는 제2 광전증배관(74)에서 검출되어, 2개의 이미지를 얻을 수 있다. 여기서, 제1 CARS 신호와 제2 CARS 신호는 각각 대역통과필터(band pass filter, BPF)를 통과해 제1 광전증배관(73), 및 제2 광전증배관(74)에서 검출될 수 있다.Here, the front objective lens 71 collects the front CARS signal generated in front of the sample by focusing the combined light IB from the rear of the sample toward the sample. At this time, the front CARS signal includes the first CARS signal and the second CARS signal. The collected front CARS signal is irradiated with the signal separation dichroic mirror 72 and separated into a first CARS signal and a second CARS signal. Here, the pump light PB, the first Stokes light SB1, and the second Stokes light SB2 as well as the front CARS signal are collected by the front objective lens 71, and the front objective lens 71 and the signal separation dichroic mirror A short pass filter (SPF) is disposed on the optical path between 72 to block the pump light PB, the first Stokes light SB1 and the second Stokes light SB2, and to block the first CARS light. Only the signal and the second CARS signal may be irradiated with the signal separation dichroic mirror 72 . The first CARS signal separated by the signal separation dichroic mirror 72 is detected by the first photomultiplier tube 73, and the second CARS signal is detected by the second photomultiplier tube 74, so that two images can be obtained. there is. Here, the first CARS signal and the second CARS signal may pass through a band pass filter (BPF) and be detected by the first photomultiplier tube 73 and the second photomultiplier tube 74, respectively.

또한, 검출부(70)는, 결합광(IB)이 샘플에 집속되어 후방에서 생성된 후방 CARS 신호를 검출하는 제3 광전증배관(75)을 더 포함할 수 있다. 후방 CARS 신호는, 결합광(IB)이 샘플에 집속되는 광경로를 역으로 따라 이동되고, 제3 광전증배관(75)에서 검출되어 이미징될 수 있다. 여기서, 후방 CARS 신호는 대역통과필터(band pass filter, BPF)를 통과해 제3 광전증배관(75)에서 검출될 수 있다.In addition, the detector 70 may further include a third photomultiplier tube 75 for detecting a rear CARS signal generated from the rear by focusing the combined light IB on the sample. The backward CARS signal is moved inversely along the optical path where the coupled light IB is focused on the sample, and is detected and imaged by the third photomultiplier tube 75 . Here, the rear CARS signal may pass through a band pass filter (BPF) and be detected by the third photomultiplier tube 75.

이 경우, 본 발명에 따르면, 전방 CARS 신호, 즉 제1 CARS 신호와 제2 CARS 신호, 그리고 후방 CARS 신호에 의해 3개의 이미지를 동시에 얻을 수 있다.In this case, according to the present invention, three images can be simultaneously acquired by the front CARS signal, that is, the first CARS signal, the second CARS signal, and the rear CARS signal.

한편, 검출부(70)는, 후방 CARS 신호의 스펙트럼을 검출하는 분광계(76)를 더 포함할 수도 있다. 여기서, 분광계(76)에는 전하결합소자(charge coupled device, CCD)와 같은 검출기 어레이가 장착될 수 있다. 이때, 후방 CARS 신호는 단파통과필터(shot pass filter, SPF)를 통과해 분광계(76)에서 검출될 수 있다.Meanwhile, the detector 70 may further include a spectrometer 76 that detects the spectrum of the rear CARS signal. Here, a detector array such as a charge coupled device (CCD) may be mounted on the spectrometer 76 . At this time, the rear CARS signal may pass through a short pass filter (SPF) and be detected by the spectrometer 76.

여기서, 결합광(IB)의 광경로를 역으로 따라 이동하는 후방 CARS 신호는 이색거울(dichroic mirror, DM)에 의해 그 광경로에서 벗어날 수 있고, 또 다른 이색거울(dichroic mirror, DM)에 의해 분리되어 각각 제3 광전증배관(75)과 분광계(76)에서 검출될 수 있다.Here, the rear CARS signal moving inversely along the optical path of the combined light IB can be deviated from the optical path by a dichroic mirror (DM), and can be deviated from the optical path by another dichroic mirror (DM). It can be separated and detected in the third photomultiplier tube 75 and the spectrometer 76, respectively.

종합적으로, 본 발명에 따르면, 본 발명에 따르면, 1대의 펨토초 레이저와 광결정 광섬유를 사용하여 레이저 스캐닝으로 fingerprint 및 CH stretch 영역을 측정할 수 있는 초광대역 CARS 신호를 동시에 얻을 수 있다. 또한, 레이저 스캐닝을 통해 최대 속도 1 frame/s으로 두 개 의상의 라만 모드(Raman mode)를 사용하여 2개 이상의 이미지를 동시에 실시간으로 획득할 수 있다. 나아가 본 발명은 비표지 기술로서 생체 또는 세포에 대한 전처리 과정 없이, 생체 또는 세포 내 미세플라스틱 입자와 세포 소기관을 각각 이미징할 수 있다. 또한, 본 발명은 라만 모드를 사용하는 전방 검출기 외에, 이광자 형광기술을 사용하는 후방 검출기를 배치함으로써 이광자 형광기술을 결합한 Multi-modal 현미경 시스템을 구축하여 생물학적 샘플에 대한 형광 이미지를 동시에 획득할 수 있다.Overall, according to the present invention, ultra-wideband CARS signals capable of measuring fingerprints and CH stretch regions can be simultaneously obtained by laser scanning using one femtosecond laser and a photonic crystal fiber. In addition, two or more images can be simultaneously acquired in real time using two Raman modes at a maximum speed of 1 frame/s through laser scanning. Furthermore, the present invention is a non-labeling technology, and it is possible to image microplastic particles and organelles in living organisms or cells, respectively, without pretreatment of living organisms or cells. In addition, the present invention builds a multi-modal microscope system combining two-photon fluorescence technology by arranging a rear detector using two-photon fluorescence technology in addition to a front detector using Raman mode, thereby simultaneously acquiring fluorescence images of biological samples. .

이하에서는 구체적 실험예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific experimental examples.

1. Multi-color CARS 현미경1. Multi-color CARS microscope

도 2 내지 도 3은 실험예에 따른 Multi-color CARS 현미경의 구성도로서, 도 2 내지 도 3을 참고로, 본 발명에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템을 Multi-color CARS 현미경으로 구현하였고, 본 발명에 따른 광대역 비표지 분자 이미징 시스템에 대해서는 전술하였는바, 이하에서는 간단하게만 설명한다. 도 2에서 fs-OPD는 펨토초 광학 매개변수 발진기(femtosecond optical parametric oscillator), PBS는 편광 빔스플리터(polarizing beam splitter), PCF는 광결정 광섬유, λ/2는 반파장판(half-wave plate), BPF는 대여통과필터(bandpass filter), SPF는 단파통과필터(shortpass filter), DM은 이색거울(dichroic mirror), PMT는 광전증배관(photomuliplier tube), CCD는 전하결합소자(charge coupled device), SL은 스캔렌즈(scan lens), TL은 튜브렌즈(tube lens)를 각각 나타낸다.2 and 3 are configuration diagrams of a multi-color CARS microscope according to experimental examples. Referring to FIGS. 2 and 3, the broadband label-free molecular imaging system according to the present invention was implemented with a multi-color CARS microscope. The broadband label-free molecular imaging system according to the present invention has been described above, and will only be briefly described below. In FIG. 2, fs-OPD is a femtosecond optical parametric oscillator, PBS is a polarizing beam splitter, PCF is a photonic crystal fiber, λ/2 is a half-wave plate, and BPF is Bandpass filter, SPF is a shortpass filter, DM is a dichroic mirror, PMT is a photomultiplier tube, CCD is a charge coupled device, and SL is a charge coupled device. Scan lens (scan lens), TL represents a tube lens (tube lens), respectively.

본 실험예의 주 목표는 고속 레이저 스캐닝 다색 CARS 이미징 시스템을 사용하여 살아있는 세포에 내재화된 미세플라스틱(PS microbeads) 및 세포 소기관(cytoplasmic organelles, LDs)을 동시에 비표지 진동 이미징하는데 있다. 종래 단색 CARS 현미경은 라만 펌프광과 스톡스광 등 2개의 극초단파 레이저 광을 사용하는 데 반해, 본 실험예에서는 라만 펌프광(ωp), 제1 스톡스광(ωS1) 및 제2 스톡스광(ωS2) 등 3개의 서로 다른 피코초(picosecond, ps) 광을 사용한다. 2개의 스톡스광의 파장은 대역통과필터(band-pass filters, BPFs)를 이용해 조정될 수 있는데, 제1 스톡스광의 파장은 815 ~ 940㎚ 범위에서, 제2 스톡스광의 파장은 993 ~ 1043㎚ 범위에서 조정되며, 펌프광의 파장은 783㎚로 고정된다. CARS 신호는 펌프광과 스톡스광의 주파수 차이가 타켓 라만 활성 모드(target Raman-active mode)의 진동 주파수와 일치할 때에 발생된다. 본 실험예에서는 고정된 펌프광 주파수에 대해, 2개의 독립적으로 조정 가능한 스톡스광의 주파수를 적절하게 조정함으로써, 2개 또는 그 이상의 진동 모드를 동시에 이용하여, 서로 다른 미세플라스틱 입자와 세포 내 소기관에 대한 이미지를 동시에 얻을 수 있다. 본 실험예에서 PS 비드와 LDs의 2색 CARS 이미징을 획득하기 위해 제1 스톡스광의 파장이 850㎚로, 제2 스톡스광의 파장이 1008㎚로 각각 조정되었다. 여기서, 펌프광과 제1 스톡스광의 주파수 차이(Δω1 = ωPS1)는 PS 비드의 ring breathing 모드 주파수(Δω1 = ωPS = 1000㎝-1) 에 매칭되고, 펌프광과 제2 스톡스광의 주파수 차이(Δω2 = ωP - ωS2)는 LD의 CH stretch 모드 주파수(Δω2 = ωLD = 2850㎝- 1)에 매칭된다. 3개의 광(펌프광, 제1 및 제2 스톡스광)은 서로 조합되어 대물렌즈를 통해 샘플로 집속됨으로써 해당 CARS 신호를 생성한다. 여기서, CARS 1은 λCARS1 = 726㎚(ωCARS1 = ωP + ωPS)에서 펌프광과 제1 스톡스광의 조합에 의해 생성되고, CARS 2는 λCARS2 = 640㎚(ωCARS2 = ωP + ωLD)에서 펌프광과 제2 스톡스광의 조합에 의해 생성되는 것으로서, 각각 PS 비드와 LDs의 CARS 신호에 대응된다. 2개의 CARS 신호는 이색거울(DM)에 의해 분리되고, 대역통과필터(BPF)에 의해 스펙트럼 필터링된 다음, 2개의 광전증배관(photomultiplier tubes, PMTs)에서 각각 별도로 감지된다.The main goal of this experimental example is to simultaneously label-free vibrational imaging of microplastics (PS microbeads) and cytoplasmic organelles (LDs) internalized in living cells using a high-speed laser scanning multicolor CARS imaging system. Conventional monochromatic CARS microscopes use two microwave laser lights, such as a Raman pump light and a Stokes light, whereas in this experimental example, the Raman pump light (ω p ), the first Stokes light (ω S1 ) and the second Stokes light (ω S2 3 different picosecond (ps) lights. The wavelengths of the two Stokes lights can be adjusted using band-pass filters (BPFs). The wavelength of the first Stokes light is adjusted in the range of 815 to 940 nm, and the wavelength of the second Stokes light is adjusted in the range of 993 to 1043 nm. , the wavelength of the pump light is fixed at 783 nm. The CARS signal is generated when a frequency difference between the pump light and the Stokes light coincides with the vibration frequency of the target Raman-active mode. In this experimental example, by properly adjusting the frequency of two independently adjustable Stokes lights for a fixed pump light frequency, two or more vibration modes are simultaneously used to image different microplastic particles and organelles within cells. can be obtained simultaneously. In this experimental example, the wavelength of the first Stokes light was adjusted to 850 nm and the wavelength of the second Stokes light to 1008 nm to obtain two-color CARS imaging of the PS beads and LDs. Here, the frequency difference between the pump light and the first Stokes light (Δω 1 = ω PS1 ) is the ring breathing mode frequency of the PS bead (Δω 1 = ω PS = 1000 cm -1 ), and the frequency difference between the pump light and the second Stokes light (Δω 2 = ω P - ω S2 ) is the CH stretch mode frequency of LD (Δω 2 = ω LD = 2850 cm - 1 ). Three lights (pump light, first and second Stokes light) are combined with each other and focused on the sample through an objective lens, thereby generating a corresponding CARS signal. Here, CARS 1 is λ CARS1 = 726 nm (ω CARS1 = ωP + ω PS ) is generated by the combination of the pump light and the first Stokes light, and CARS 2 is λ CARS2 = 640 nm (ω CARS2 = ωP + ω LD ), which is generated by the combination of the pump light and the second Stokes light, and corresponds to the CARS signals of PS beads and LDs, respectively. The two CARS signals are separated by a dichroic mirror (DM), spectrally filtered by a band pass filter (BPF), and then detected separately in two photomultiplier tubes (PMTs).

본 실험예에 따른 Multi-color CARS 현미경은 1개의 펨토초 레이저 광원과 광결정 광섬유(photonic crystal fiber, PCF)로써, 2000㎝-1 떨어진 fingerprint와 CH stretch 진동 모드를 이용하여 2개 이상의 CARS 이미지를 얻을 수 있다. 기존의 피코초 레이저를 사용하여 2개 이상의 이미지를 동시에 획득하기 위해서는 반드시 3개 이상의 레이저 광이 필요하지만, 본 실험예에 따른 Multi-color CARS 현미경은 복잡하고 고가인 다수의 레이저 광원이 필요없다. Multi-color CARS microscope according to this experimental example is a femtosecond laser light source and a photonic crystal fiber (PCF), using a 2000 cm -1 distance fingerprint and CH stretch vibration mode. Two or more CARS images can be obtained there is. In order to simultaneously acquire two or more images using a conventional picosecond laser, three or more laser lights are necessarily required, but the multi-color CARS microscope according to this experimental example does not require multiple complex and expensive laser light sources.

또한, 본 실험예에 따른 CARS 현미경은 고속 레이저 스캐닝 방법으로써, 세포에서 움직이는 소기관(LDs) 및 내재화된 미세플라스틱 입자를 실시간으로 이미징할 수 있다. 본 실험예에 따른 CARS 현미경은 전하결합소자(charge coupled device, CCD)와 같은 검출기 어레이가 장착된 분광계와 함께 사용될 수 있다. 다른 초분광 이미징 현미경과 유사하게 샘플 스테이지를 스캔하는 동안에 모든 CARS 스펙트럼 데이터는 각각의 이미지 픽셀에 기록되고, 그 스펙트럼 데이터큐브(data cube)에서 2개 이상의 CARS 이미지가 재구성된다. 종래 다중 CARS 방식은 화학적으로 서로 다른 물질의 전체 스펙트럼 정보를 추출하는데 탁월한 장점이 있으나, 샘플 스캔 및 CCD 검출속도에 의해 이미징 속도가 느리다는 단점이 있다. 본 실험예에 따른 CARS 현미경은 2개 이상의 CARS 이미징을 위해 갈바노 스캐너(Galvano-scanner)를 사용하여 입사광을 조정한다. 이를 통해 데이터 획득 속도를 상당히 증진시킴으로써 미세플라스틱 입자에 대한 실시간 비표지 생체 이미징을 가능하게 한다. In addition, the CARS microscope according to the present experimental example is a high-speed laser scanning method, and can image organelles (LDs) moving in cells and microplastic particles internalized in real time. The CARS microscope according to this experimental example may be used with a spectrometer equipped with a detector array such as a charge coupled device (CCD). Similar to other hyperspectral imaging microscopes, while scanning the sample stage, all CARS spectral data is recorded at each image pixel, and two or more CARS images are reconstructed from that spectral data cube. The conventional multi-CARS method has an excellent advantage in extracting full spectrum information of chemically different substances, but has a disadvantage in that the imaging speed is slow due to sample scanning and CCD detection speed. The CARS microscope according to this experimental example adjusts incident light using a galvano-scanner for two or more CARS imaging. This significantly increases the speed of data acquisition, enabling real-time label-free bio-imaging of microplastic particles.

나아가, 본 실험예에 따른 CARS 현미경은 또 다른 광전증배관(PMT)을 사용함으로써, 후방 CARS 신호(도 1의 CARS3) 또는 2광자 형광(two-photon fluorescence, TPF)을 측정하여, 3개의 CARS 또는 CARS-TPF 이미지를 얻을 수 있다. 또한, 분광계를 통해 기록된 후방 CARS 스펙트럼은 epi-CARS 현미경에서 획득 가능한 정보를 제공할 수 있다. 이러한 추가적인 이미징 수단은 살아있는 세포 또는 생체 내 화학적으로 다른 입자에 대한 이미징 연구에 기여할 수 있다.Furthermore, the CARS microscope according to this experimental example measures the rear CARS signal (CARS3 in FIG. 1) or two-photon fluorescence (TPF) by using another photomultiplier tube (PMT), and three CARS Alternatively, a CARS-TPF image can be obtained. In addition, the posterior CARS spectrum recorded through the spectrometer can provide information obtainable in epi-CARS microscopy. These additional imaging means can contribute to imaging studies of living cells or chemically different particles in vivo.

2. 생물학적 샘플 준비2. Biological sample preparation

대장균 균주 OP50의 세균층(lawn of E.coli)을 포함하는 선충 성장배지(nematode growth medium, NGM) 플레이트에서 C. elegans(야생형 N2 균주)를 배양하였다. 실험 전에 1㎖ 물에 현탁된 2㎛ PS 비드(78452-5ML-F, Sigma-Aldrich)를 NGM 플레이트에 접종하여, 2시간 동안 그 선충(C. elegans)과 함께 배양함으로써 C. elegans가 PS 비드를 섭취하도록 유도하였다. 그런 다음 4% 포름알데히드 용액으로 다수의 선충을 고정하고, 얇은 글라스 챔버로 옮겼다. 글라스 챔버는 100㎛ 이하 두께의 파라필름 스페이서(parafilm spacer)로 서로 이격되도록 겹쳐진 2개의 커버 글라스로 형성된다. Multi-color CARS 생세포 이미징을 위해, 바닥에 세포 부착용 0.1㎎/㎖ poly-D-lysine이 코팅된 35㎜ confocal dish에서 U2OS 세포를 배양하였다. 성장 보충제(10% FBS)가 첨가된 RPMI 배지에서 1일 동안 인큐베이션한 후, 2㎛ PS 비드(0.002 wt.%)를 샘플 접시(sample dish)에 혼합하여 세포 섭취를 유도하였다. 그 결과, 4시간 이내의 식세포 활성에 의해 많은 양의 PS 비드가 U2OS 세포에 내재화되었다. 배지를 교환하여 잔류 PS 비드를 제거하고, 전동식 스테이지에 장착된 미니 인큐베이션에 샘플 접시를 설치하고 Multi-color CARS 이미징을 수행하였다. 이때, 온도는 37℃, CO2는 5% 수준으로 유지하였다.C. elegans (a wild type N2 strain) was cultured on a nematode growth medium (NGM) plate containing a bacterial layer of E. coli strain OP50. Before the experiment, 2 μm PS beads (78452-5ML-F, Sigma-Aldrich) suspended in 1 ml water were inoculated into the NGM plate and incubated with the nematode (C. elegans) for 2 hours, so that C. elegans could be treated with PS beads. was induced to consume. Then, a number of nematodes were fixed with a 4% formaldehyde solution and transferred to a thin glass chamber. The glass chamber is formed of two overlapping cover glasses spaced apart from each other with a parafilm spacer having a thickness of 100 μm or less. For multi-color CARS live cell imaging, U2OS cells were cultured in a 35 mm confocal dish coated with 0.1 mg/ml poly-D-lysine for cell attachment on the bottom. After incubation for 1 day in RPMI medium supplemented with growth supplement (10% FBS), 2 μm PS beads (0.002 wt.%) were mixed in a sample dish to induce cell uptake. As a result, a large amount of PS beads were internalized into U2OS cells by phagocytic activity within 4 hours. Residual PS beads were removed by exchanging the medium, and a sample dish was installed in a mini incubation mounted on a motorized stage, and multi-color CARS imaging was performed. At this time, the temperature was maintained at 37°C and CO 2 was maintained at a level of 5%.

3. 백합 꽃가루(Lily Pollen)와 C. elegans의 Multi-color CARS 이미징3. Multi-color CARS Imaging of Lily Pollen and C. elegans

생물학적 샘플에서 화학적으로 다른 입자의 동시 이미징이 가능함을 입증하기 위해서, PS 마이크로비드(PS microbeads)를 사용하여 백합 꽃가루(Lily Pollen)와 C. elegans에 대한 Multi-color CARS 현미경 검사를 수행하고, 그 결과를 도 4에 도시하였다. 도 4의 (a) ~ (d)는 실험예에 따른 8.7㎛ PS 비드와 혼합된 백합 꽃가루의 Multi-color CARS-TPE 이미지이고, 도 4의 (e) ~ (l)은 실험예에 따른 2㎛ PS 비드를 섭취한 C. elegans의 Multi-color CARS-TPE 이미지이다. 도 4의 (a) 내지 (d)를 참고로, ων = 1605㎝-1(green), ων = 3050㎝-1(red), 및 ων = 1524㎝-1(blue)에서 8.7㎛ PS 비드와 혼합된 백합 꽃가루에 대한 3가지 서로 다른 진동 모드의 CARS 이미지를 얻었다. 백합 꽃가루 알갱이(lily pollen grains)와 끈적한 꽃가루(sticky pollenkitts)는 각각 ων = 1605㎝-1 및 ων = 1524㎝-1에서 특징적인 라만 피크를 가지는데, 이는 각각 백합 꽃가루의 C=C-C 방향족 ring stretching 모드 및 C=C stretching 모드와 관련이 있다. 펌프광과 조합되고 스펙트럼이 넓은 제1 스톡스광은 1605 및 1524㎝-1 주파수로 백합 꽃가루의 라만 활성 모드를 여기시킨다(도 4의 (a) 및 (c) 참조). To demonstrate that simultaneous imaging of chemically different particles in biological samples is possible, multi-color CARS microscopy was performed on Lily Pollen and C. elegans using PS microbeads, and Results are shown in FIG. 4 . 4 (a) to (d) are multi-color CARS-TPE images of lily pollen mixed with 8.7 μm PS beads according to the experimental example, and FIG. 4 (e) to (l) are 2 according to the experimental example. This is a multi-color CARS-TPE image of C. elegans ingesting ㎛ PS beads. Referring to (a) to (d) of FIG. 4, ω ν = 1605 cm -1 (green), ω ν = 3050 cm -1 (red), and ω ν = 1524 cm -1 (blue) obtained CARS images of three different vibration modes for lily pollen mixed with 8.7 μm PS beads. Lily pollen grains and sticky pollenkitts each have ω ν = 1605 cm -1 and ω ν = 1524 cm -1 , which are related to the C=CC aromatic ring stretching mode and the C=C stretching mode of lily pollen, respectively. The first Stokes light, which is combined with the pump light and has a broad spectrum, excites the Raman active mode of lily pollen at frequencies of 1605 and 1524 cm -1 (see (a) and (c) in FIG. 4 ).

스펙트럼 필터를 사용하여, 전방 및 후방에 배치된 광전증배관(PMT)을 통해 CARS 신호를 별도로 측정하였다. 도 4의 (b)의 CARS 이미지는 PS 비드의 CH stretch 진동 모드(ων = 3050㎝-1)와 관련되는 것으로서, 펌프광과 제2 스톡스광에 의해 발생되고, 또 다른 광전증배관(PMT)을 통해 감지된다. PS 비드, 백합 꽃가루 알갱이, 꽃가루의 라만 피크 사이의 스펙트럼 중첩으로 인해 CARS 이미지가 공간적으로 함께 나타날 수 있다. 예를 들면, ων = 1605㎝-1 에서의 CARS 이미지(도 4의 (a))는 PS 비드와 꽃가루 알갱이를 모두 나타낸다. ων = 3050㎝-1의 CARS 이미지(도 4의 (b))는 PS 비드와 꽃가루(pollenkitts)의 공간적 분포 정보를 제공한다. 반면, ων = 1524㎝-1 에서의 CARS 이미지(도 4의 (c))에서는 꽃가루(pollenkitts)가 우세하게 나타난다. 따라서, 도 4의 (d)의 병합된 CARS 이미지에서 서로 다른 유사 색상의 조합에서 PS 비드(orange), 꽃가루 알갱이(green), 꽃가루(purple)의 명확한 CARS 대비를 나타낸다. 또한, 마이크로미터 미만의 해상도에서 꽃가루 알갱이로 둘러싸인 꽃가루의 미세구조가 감지될 수 있다.Using spectral filters, CARS signals were separately measured through photomultiplier tubes (PMTs) placed in the front and rear. The CARS image in (b) of FIG. 4 is related to the CH stretch vibration mode (ω ν = 3050 cm -1 ) of the PS bead, generated by the pump light and the second Stokes light, and another photomultiplier tube (PMT) is detected through Due to the spectral overlap between PS beads, lily pollen grains, and the Raman peaks of pollen, CARS images can appear together spatially. For example, ω ν = 1605 cm -1 CARS image (Fig. 4 (a)) shows both PS beads and pollen grains. ω ν = 3050 cm -1 CARS image (Fig. 4 (b)) provides spatial distribution information of PS beads and pollen kitts. On the other hand, ω ν = 1524 cm -1 In the CARS image (FIG. 4(c)), pollen kitts appear predominantly. Therefore, in the merged CARS image of FIG. 4(d), clear CARS contrasts of PS beads (orange), pollen grains (green), and pollen (purple) are shown in different combinations of similar colors. In addition, the microstructure of pollen surrounded by pollen grains can be detected at sub-micrometer resolution.

한편, 본 실험예에 따른 Multi-color CARS 현미경을 사용하여 2㎛의 PS 비드를 섭취한 후 2시간이 지난 C. elegans을 관찰하였다. 도 4의 (e) 내지 (l)은 2색 CARS 이미지와 auto-TPF 이미지를 나타낸다. PS 특이적 CARS 이미지(도 4의 (f) 및 (j), red)와 지질(lipid) 특이적 CARS 이미지(도 4의 (e) 및 (i), green)에서, 850㎚ 파장의 제1 스톡스광과 1008㎚ 파장의 제2 스톡스광이 사용되었다. 2개의 CARS 이미지는 각각 PS 비드의 ring breathing 모드(ων = 1000㎝-1)와 지질의 CH stretch 모드(ων = 2850㎝-1)와 관련된다. C. elegans 내에서 화학적으로 서로 다른 PS 비드와 지질, 및 이들의 공간적 분포는 PS 특이적 CARS 이미지, 지질 특이적 CARS 이미지, 및 병합 CARS 이미지에서 잘 나타난다. 도 4의 (g) 및 (k)의 auto-TPF 이미지(blue)는 550 ~ 600㎚의 파장 영역에서 자가형광을 검출하여 얻은 것으로, C. elegans의 전체 외형 및 장(intestine) 구조를 보여준다. 여기서, PS 마이크로비드들은 C. elegans의 장을 따라 위치하는데, 인접한 조직으로 침투한 흔적이 관찰되지 않는다. 이와 달리, 서로 다른 크기와 형태를 가지는 많은 지질 축적(lipid storage)이 장 외부 조직에 널리 분포되어 있음을 확인할 수 있다.On the other hand, C. elegans was observed 2 hours after ingestion of 2 μm PS beads using a multi-color CARS microscope according to this experimental example. 4(e) to (l) show a two-color CARS image and an auto-TPF image. In PS-specific CARS images (Fig. 4 (f) and (j), red) and lipid-specific CARS images (Fig. 4 (e) and (i), green), the first 850 nm wavelength A Stokes light and a second Stokes light having a wavelength of 1008 nm were used. The two CARS images are related to the ring breathing mode of PS beads (ω ν = 1000 cm −1 ) and the CH stretch mode of lipids (ω ν = 2850 cm −1 ), respectively. The chemically different PS beads and lipids and their spatial distribution in C. elegans are well represented in PS-specific CARS images, lipid-specific CARS images, and merged CARS images. The auto-TPF images (blue) of (g) and (k) of FIG. 4 were obtained by detecting autofluorescence in the wavelength range of 550 to 600 nm, and show the overall appearance and intestinal structure of C. elegans. Here, PS microbeads are located along the intestine of C. elegans, but no trace of penetration into adjacent tissues is observed. In contrast, it can be confirmed that many lipid storages of different sizes and shapes are widely distributed in the extra-intestinal tissues.

4. PS 비드 및 세포 소기관이 내재된 비표지 생세포 이미징4. Label-free live cell imaging with embedded PS beads and organelles

본 실험예에 따른 CARS 현미경을 이용해, 정적인 생물학적 샘플(백합 꽃가루 및 C. elegans)에서 화학적으로 서로 다른 입자를 동시에 이미징할 수 있음을 위에서 설명하였다. 이하에서는 PS 비드와 세포 소기관의 세포 내 역학을 조사하기 위해 U2OS 세포에 대해 실시간 CARS 이미징을 수행하였고, 그 결과를 도 5에 도시하였다. 도 5의 (a)는 실험예에 따른 2㎛ PS 비드 용액에 노출된 U2OS 세포의 wide-illuminated PC 이미지이고, 도 5의 (b)는 상기 PS 비드 용액에 노출된 U2OS 세포의 Multi-color CARS 이미지이며, 도 5의 (c)~ (f)는 U2OS 세포 내 PS 비드 및 세포 소기관(LDs)의 입자 추적 및 이동 분석 결과이다.It has been described above that chemically different particles can be simultaneously imaged in static biological samples (lily pollen and C. elegans) using the CARS microscope according to the present experimental example. Hereinafter, real-time CARS imaging was performed on U2OS cells to investigate the intracellular dynamics of PS beads and organelles, and the results are shown in FIG. 5 . Figure 5 (a) is a wide-illuminated PC image of U2OS cells exposed to a 2 μm PS bead solution according to the experimental example, and Figure 5 (b) is a multi-color CARS of U2OS cells exposed to the PS bead solution. 5 (c) to (f) are particle tracking and migration analysis results of PS beads and organelles (LDs) in U2OS cells.

도 5의 (a) 및 (b)는 PS 비드에 노출된 U2OS 세포의 종래 wide-illuminated PC 이미지, 및 2색 CARS 이미지를 나타낸다. 도 5의 (a)의 PC 이미지에서, U2OS 세포 내에 밝은 구형 입자가 다수 관찰되었다. 세포 외부의 입자는 완충 용액의 대류(convection)에 의해 초점이 맞지 않는 평면에서 표류하는 PS 비드를 나타낸다. 도 5의 (a)의 하단에 확대된 PC 이미지에서 알 수 있듯이, PS 비드와 세포 소기관 입자가 잘 구별되지 않는다. 이는 PC 이미지 대비(image contrast)가 표적의 화학적 조성에 매우 둔감하기 때문으로 판단된다. 결국, 세포 내에서 구별할 수 없는 크기와 모양을 가진 세포 소기관의 존재로 인해, 크기, 모양 또는 이미지 대조를 통한 입자의 특성화가 불가능하다. 또한, wide-illuminated PC 이미지도 제한된 축 해상도로 인해 세포 외부의 PS 비드와 세포 내부의 PS 비드를 구별하는데 유용하지 않다. 이와 대조적으로, Multi-color CARS 이미지(도 5의 (b))는 세포에 내재화된 PS 비드와 세포 소기관(LD)의 명확한 화학적 대조를 보여주는데, 여기서 PS 특이적 ring breathing 진동(ων = 1000㎝-1: orange)과 소기관(LD) 특이적 CH stretching 진동(ων = 2850㎝-1: green)이 동시에 측정되었다. 실제로, CH stretch 진동 모드와 관련된 PS의 상대적으로 약한 라만 활성 피크는 동일한 진동 주파수 ων = 2850㎝-1에서 훨씬 더 강한 소기관(LD)의 CH stretch 유도 라만 피크와 부분적으로 겹쳐진다. ων = 2850㎝-1에서의 PS 유래 CARS 신호의 작은 기여(small contribution)를 제거하고자, ων = 2850㎝-1에서 적절하게 인수분해된 CARS 신호에서, ων = 1000㎝-1에서 인수분해된 CARS 신호를 차감하였다. 이렇게 ων = 2850㎝-1에서 PS 기여도가 제거된 CARS 이미지는 ων = 1000㎝-1에서의 PS 특이적 CARS 이미지에 병합된다. 이러한 후처리는 PS 비드(orange)와 소기관(green)의 화학적 구별성은 물론 이미지 품질을 향상시킬 수 있다. U2OS 세포의 CARS 이미지에서 다수의 구형 입자가 나타나지만, PC 이미지와 다르게, 병합된 CARS 이미지에서는 2㎛의 PS 비드(orange)와 소기관(green)이 용이하게 구별된다. 5(a) and (b) show conventional wide-illuminated PC images and two-color CARS images of U2OS cells exposed to PS beads. In the PC image of FIG. 5 (a), many bright spherical particles were observed in U2OS cells. Particles outside the cell represent PS beads drifting in the out-of-focus plane by convection of the buffer solution. As can be seen in the enlarged PC image at the bottom of FIG. 5 (a), PS beads and organelle particles are not well distinguished. This is considered to be because the PC image contrast is very insensitive to the chemical composition of the target. Ultimately, the presence of organelles with indistinguishable sizes and shapes within cells makes it impossible to characterize particles through size, shape or image contrast. In addition, wide-illuminated PC images are also not useful for distinguishing PS beads inside cells from those outside cells due to limited axial resolution. In contrast, the multi-color CARS image (Fig. 5(b)) shows a clear chemical contrast between PS beads internalized in cells and organelles (LD), where PS-specific ring breathing vibrations (ω ν = 1000 cm -1 : orange) and organelle (LD) specific CH stretching vibration (ω ν = 2850 cm -1 : green) were measured simultaneously. Indeed, the relatively weak Raman activity peaks of PS associated with the CH stretch vibrational mode are at the same vibrational frequency ων = 2850 cm -1 partially overlaps with the much stronger CH stretch-induced Raman peak of the organelle (LD). ω ν = 2850 cm -1 to remove the small contribution of the PS-derived CARS signal, ω ν = 2850 cm -1 in the appropriately factored CARS signal, ω ν The CARS signal factored at = 1000 cm -1 was subtracted. like this ω ν = 2850 cm -1, the CARS image with PS contribution removed is ω ν = merged into the PS specific CARS image at 1000 cm −1 . This post-processing can improve image quality as well as chemical differentiation between PS beads (orange) and organelles (green). A large number of spherical particles appeared in the CARS image of U2OS cells, but unlike the PC image, 2 μm PS beads (orange) and organelles (green) were easily distinguished in the merged CARS image.

PS 비드와 소기관을 개별적으로 동시에 추적하는 고속 레이저 스캐닝 2색 CARS 이미징을 통해 실시간으로 PS 비드와 소기관의 세포 내 움직임을 추적할 수 있다. 6분 동안 30초마다 촬영한 타임 랩스(time-lapse) 이미지에서 52개의 PS 비드 궤적을 얻었고, 그 평균속도가 14.0 ± 6.4 ㎚/s임을 측정하였다. 그 중 특정 방향으로 움직이는 소정의 PS 비드의 대표적 궤적을 도 5의 (d)에 도시하였다. 한편, PS 비드 중 일부는 확산 운동 및 무작위 방향 전환을 가지는 브라운 유사 거동(Brownian-like behavior)을 나타냈다. 또한, 세포 경계 근처에서 서로 인접한 다수의 PS 비드가 세포체(cell body)를 향해 같은 방향으로 함께 움직이는 것도 관찰되었다. 이러한 상관적인 움직임은 원형질막 표면에 국부적으로 트랩된 PS 비드가 세포 운동에서 일반적으로 관찰되는 원형질막 유동에 따라 수동적으로 움직이는 것으로 판단된다. 또한, 도 5의 (c)를 참고로 소기관의 다른 궤적을 통해 알 수 있듯이, 간단하게 다수의 소기관을 동시에 추적할 수도 있다. 21개의 소기관의 평균속도는 18.9 ± 11.3 ㎚/s로 내재화된 PS 비드보다 약 35% 빠른 것으로 확인되었다.High-speed laser scanning two-color CARS imaging, which individually and simultaneously tracks PS beads and organelles, allows tracking the intracellular movement of PS beads and organelles in real time. 52 PS bead trajectories were obtained from time-lapse images taken every 30 seconds for 6 minutes, and it was determined that the average speed was 14.0 ± 6.4 nm/s. Among them, a representative trajectory of a predetermined PS bead moving in a specific direction is shown in FIG. 5(d). On the other hand, some of the PS beads showed a Brownian-like behavior with diffusion motion and random direction conversion. It was also observed that a plurality of PS beads adjacent to each other near the cell boundary moved together in the same direction toward the cell body. This correlative movement is thought to be the passive movement of the PS beads locally trapped on the plasma membrane surface according to the plasma membrane flow commonly observed in cell movement. In addition, as can be seen from the different trajectories of organelles with reference to FIG. 5(c), multiple organelles can be simultaneously tracked. The average velocity of the 21 organelles was 18.9 ± 11.3 nm/s, approximately 35% faster than that of the internalized PS beads.

6. 다색 CARS 이미징 방법과 다른 비표지 이미징 방법 비교6. Comparison of multicolor CARS imaging method with other label-free imaging methods

샘플의 다양한 굴절률과 두께에 따라 생성된 빛의 간섭에 의해 밝기 변화를 매핑하는 PC 현미경 및 DIC 현미경과 같은 위상 이미징 방법은 미세플라스틱이 내재화된 생세포와 같은 투명한 생물학적 샘플을 분석하는데 널리 사용되어 왔다. 그러나 이러한 굴절률 기반 이미징 접근 방식은 피분석물의 화학적 조성에 관한 직접적인 정보를 제공할 수 없고, 화학적으로 서로 다른 미세입자를 구별할 수 없다.Phase imaging methods such as PC microscopy and DIC microscopy, which map brightness changes by interference of light generated by different refractive indices and thicknesses of samples, have been widely used to analyze transparent biological samples such as live cells in which microplastics are internalized. However, this refractive index-based imaging approach cannot provide direct information on the chemical composition of the analyte and cannot distinguish chemically different microparticles.

도 5의 (a)을 참고로, 생세포 PC 이미지에서 알 수 있듯이, PS 비드가 내재화된 세포에서 PS 비드의 형태는 PS 비드에 노출된 적 없는 세포의 구형 소기관과 유사한 이미지 대조를 보인다. 즉, PS 비드와 세포 소기관과 같이 화학적으로 다른 미세입자들은 PC 이미지에서 구별할 수 없는 위상차를 가진다. 따라서, PC 이미지만으로는 정확한 입자 식별이 매우 어렵다. 이에 반해, Multi-color CARS 이미징의 경우는, 화학결합 특이적 진동 신호를 별개로 감지하여, 화학적으로 다르지만 구별이 곤란한 형태를 가지는 PS 비드와 소기관을 이차원 진동 이미지 맵에서 공간적 및 분광학적으로 분해할 수 있다. 종래 라만 현미경이나 multiplex CARS 현미경 같은 HIS 기반 진동 이미징 기술은 여러 미세입자를 동시에 상당히 안정적이고 정확하게 특성화할 수 있지만, 샘플 스캐닝 방식에 의존하기 때문에 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)가 낮고, 상대적으로 이미징 속도가 일반적으로 프레임당 수십 분에 이를 정도로 느리므로, 빠르게 생체 이미징을 할 수 없다. 또한, 느린 샘플 스캐닝과 신호 평균화로 인해 광 조사 시간이 길어지므로, 생물학적 샘플에 광독성을 유발할 수도 있다. Referring to (a) of FIG. 5 , as can be seen from the live cell PC image, the shape of the PS beads in the cells internalized with the PS beads shows an image contrast similar to that of the spherical organelles of the cells not exposed to the PS beads. That is, microparticles that are chemically different, such as PS beads and organelles, have an indistinguishable phase difference in PC images. Therefore, it is very difficult to accurately identify particles using only PC images. On the other hand, in the case of multi-color CARS imaging, chemical bond-specific vibration signals are separately detected, and PS beads and organelles, which are chemically different but have difficult to distinguish, can be spatially and spectroscopically resolved in a two-dimensional vibration image map. can Conventional HIS-based vibration imaging techniques such as Raman microscopy and multiplex CARS microscopy can characterize multiple microparticles simultaneously and fairly stably and accurately, but have a low signal-to-noise ratio (SNR) due to their reliance on the sample scanning method. , the imaging speed is relatively slow, generally reaching several tens of minutes per frame, so that rapid bioimaging cannot be performed. In addition, since light irradiation time is long due to slow sample scanning and signal averaging, phototoxicity may be induced in biological samples.

반면, 본 실험예에 따른 CARS 현미경은 고속 레이저 스캐닝 CARS 현미경으로서 프레임당 수십 초 미만으로 이미징 속도를 향상시켜 실시간으로 생세포 이미징을 가능하게 한다. On the other hand, the CARS microscope according to the present experimental example is a high-speed laser scanning CARS microscope, and improves the imaging speed to less than several tens of seconds per frame, enabling live cell imaging in real time.

Multi-color CARS 현미경은 기본적으로 형광 배경이 필요 없는 검출방법이지만, 종래 CARS 현미경에서는 비화학적 이미지 대비를 생성하는 진동 비공진(non-resonant, NR) 백그라운드 신호가 문제된다. 이에 반해, 본 실험예에 따른 Multi-color CARS 현미경은 공진 및 비공진 진동 주파수에서 동시에 얻어지는 2개의 CARS 이미지의 차이를 취함으로써 원치 않는 NR 대비를 효과적으로 제거할 수 있다.Multi-color CARS microscopy is basically a detection method that does not require a fluorescence background, but in conventional CARS microscopy, a vibrational non-resonant (NR) background signal that creates non-chemical image contrast is a problem. In contrast, the multi-color CARS microscope according to the present experimental example can effectively remove unwanted NR contrast by taking the difference between two CARS images simultaneously obtained at resonance and non-resonance vibration frequencies.

한편, SRS(Stimulated Raman scattering) 현미경은 환경 미세플라스틱을 신속하게 안정적으로 특성화하는데 유용한 것으로 알려져 있다. SRS 신호는 NR 백그라운드가 없을 뿐만 아니라 농도에 선형적으로 비례하므로, 미세입자의 정확한 스펙트럼 측정 및 화학 측정 분석이 가능하다. 그러나 SRS 현미경은 매우 강한 입사 광에서 약한 SRS 이득 또는 손실 신호를 구별하기 위해서 레이저 광 변조기 및 락인앰프(lock-in amplifier) 등과 같은 추가적인 광학장치가 요구된다. 또한, fingerprint 및 CH stretch 진동 신호를 동시에 이미지화하기 위해서, 원칙적으로 하나의 펌프광과 2개 이상의 스톡스광을 조사할 수 있는 다수의 피코초 레이저 시스템이 구축되어야 한다. 이러한 SRS 이미징을 위한 요구사항으로 인해 광학장비의 설정이 복잡해질 수밖에 없다. 이에 반해, 본 실험예에 따른 Multi-color CARS 현미경은 광결정 광섬유(PCF)와 결합된 단일 발진기를 광원으로 사용하여 상대적으로 저렴하고 단순하게 시스템을 구성할 수 있으며, 초광대역 라만 활성 모드를 사용하여 다양한 생세포 내의 미세플라스틱 입자 및 소기관에 대한 실시간 이미징을 달성할 수 있다. On the other hand, stimulated Raman scattering (SRS) microscopy is known to be useful for rapidly and reliably characterizing environmental microplastics. Since the SRS signal has no NR background and is linearly proportional to the concentration, accurate spectral measurement and chemical measurement analysis of microparticles are possible. However, the SRS microscope requires additional optical devices such as a laser light modulator and a lock-in amplifier to distinguish a weak SRS gain or loss signal from very strong incident light. In addition, in order to simultaneously image fingerprint and CH stretch vibration signals, in principle, a plurality of picosecond laser systems capable of irradiating one pump light and two or more Stokes lights should be constructed. The requirements for such SRS imaging inevitably complicate the setup of optical equipment. On the other hand, the multi-color CARS microscope according to this experimental example uses a single oscillator coupled with a photonic crystal fiber (PCF) as a light source, and can configure a system relatively inexpensively and simply. Real-time imaging of microplastic particles and organelles within a variety of living cells can be achieved.

이상 본 발명을 구체적인 실시예 및 실험예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.Although the present invention has been described in detail through specific examples and experimental examples, this is for explaining the present invention in detail, the present invention is not limited thereto, and within the technical spirit of the present invention, those skilled in the art It is clear that modification or improvement is possible by the person.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications or changes of the present invention belong to the scope of the present invention, and the specific protection scope of the present invention will be clarified by the appended claims.

10: 광원 20: 광분할기
30: 광결정 광섬유 40: 스톡스광분할 이색거울
50: 광결합부 51: 스톡스광 조절기
52: 스톡스광결합 이색거울 53: 결합광생성 이색거울
54: 펌프광 조절기 60: 스캐닝부
61: 갈바노 스캐너 62: 후방 대물렌즈
70: 검출부 71: 전방 대물렌즈
72: 신호분리 이색거울 73: 제1 광전증배관
74: 제2 광전증배관 75: 제3 광전증배관
76: 분광계 80: 펌프광 대역통과필터
90: 제1 스톡스광 대역통과필터 100: 제2 스톡스광 대역통과필터
110: 장파통과필터 PB: 펌프광
SB: 스톡스광 SB1: 제1 스톡스광
SB2: 제2 스톡스광 IB: 결합광
HWP, λ/2: 반파장판 DM: 이색거울
BPF: 대역통과필터 SPF: 단파통과필터
SL: 스캔렌즈 TL: 튜브렌즈
PBS: 빔스플리터 PCF: 광결정 광섬유
PMT: 광전증배관
10: light source 20: light splitter
30: photonic crystal fiber 40: Stokes light splitting dichroic mirror
50: optical coupling unit 51: Stokes light controller
52: Stokes light coupling dichroic mirror 53: coupled light generating dichroic mirror
54: pump light regulator 60: scanning unit
61: galvano scanner 62: rear objective lens
70: detection unit 71: front objective lens
72: signal separation dichroic mirror 73: first photomultiplier tube
74: second photomultiplier tube 75: third photomultiplier tube
76: spectrometer 80: pump light bandpass filter
90: first Stokes optical band-pass filter 100: second Stokes optical band-pass filter
110: long-wave pass filter PB: pump light
SB: Stokes mine SB1: Stokes mine 1
SB2: Second Stokes light IB: Combined light
HWP, λ/2: half-wave plate DM: dichroic mirror
BPF: band pass filter SPF: short pass filter
SL: Scan Lens TL: Tube Lens
PBS: beamsplitter PCF: photonic crystal fiber
PMT: photomultiplier tube

Claims (10)

레이저광을 조사하는 광원;
상기 광원에서 조사된 상기 레이저광을 펌프광 및 스톡스광으로 분할하는 광분할기;
상기 광분할기에서 분할된 상기 스톡스광의 파장범위를 확장하는 광결정 광섬유(photonic crystal fiber, PCF);
소정의 파장범위에 따라, 상기 광결정 광섬유를 통과한 상기 스톡스광을 제1 스톡스광 및 제2 스톡스광으로 분할하는 스톡스광분할 이색거울(dichroic mirror);
상기 펌프광, 상기 제1 스톡스광, 및 상기 제2 스톡스광을 시간적 및 공간적으로 일치시켜, 결합광을 생성하는 광결합부;
CARS(Coherent anti-Stokes Raman Scattering) 신호가 발생되도록, 상기 광결합부에서 생성된 상기 결합광으로 샘플을 스캐닝하는 스캐닝부; 및
상기 CARS 신호를 검출하는 검출부;를 포함하는 광대역 비표지 분자 이미징 시스템.
a light source for irradiating laser light;
a beam splitter splitting the laser light irradiated from the light source into a pump light and a Stokes light;
a photonic crystal fiber (PCF) extending a wavelength range of the Stokes light split in the optical splitter;
a Stokes light splitting dichroic mirror for splitting the Stokes light passing through the photonic crystal fiber into first Stokes light and second Stokes light according to a predetermined wavelength range;
an optical coupling unit configured to temporally and spatially match the pump light, the first Stokes light, and the second Stokes light to generate combined light;
a scanning unit scanning a sample with the combined light generated by the optical coupling unit to generate a Coherent anti-Stokes Raman Scattering (CARS) signal; and
A broadband label-free molecular imaging system comprising a detector for detecting the CARS signal.
청구항 1에 있어서,
상기 광결합부는,
상기 제1 스톡스광과 상기 제2 스톡스광이 시간적으로 일치되도록, 상기 제2 스톡스광의 시간을 조절하는 스톡스광 조절기;
상기 스톡스광 조절기를 통과한 상기 제2 스톡스광과, 상기 제1 스톡스광을 공간적으로 일치시키는 스톡스광결합 이색거울; 및
상기 스톡스광결합 이색거울을 통해 공간적으로 일치된 상기 제1 스톡스광 및 상기 제2 스톡스광과, 상기 펌프광을 공간적으로 일치시켜, 상기 결합광을 생성하고, 생성된 상기 결합광을 상기 스캐닝부로 조사하는 결합광생성 이색거울;을 포함하는 광대역 비표지 분자 이미징 시스템.
The method of claim 1,
The optical coupling unit,
a Stokes light controller that adjusts a time of the second Stokes light so that the first Stokes light and the second Stokes light are temporally matched;
a Stokes light coupling dichroic mirror for spatially matching the second Stokes light passing through the Stokes light controller with the first Stokes light; and
The combined light is generated by spatially matching the first Stokes light and the second Stokes light, which are spatially matched through the Stokes light-coupling dichroic mirror, and the pump light, and the generated combined light is irradiated to the scanning unit. A broadband label-free molecular imaging system comprising a; coupled light-generating dichroic mirror.
청구항 2에 있어서,
상기 광결합부는,
상기 스톡스광 조절기에서 시간적으로 일치된 상기 제1 스톡스광 및 상기 제2 스톡스광과, 상기 펌프광이 시간적으로 일치되도록, 상기 펌프광의 시간을 조절하는 펌프광 조절기;를 더 포함하는 광대역 비표지 분자 이미징 시스템.
The method of claim 2,
The optical coupling unit,
A broadband label-free molecule imaging system further comprising a pump light controller for adjusting the time of the pump light so that the pump light is temporally matched with the first Stokes light and the second Stokes light synchronized in time by the Stokes light controller. .
청구항 1에 있어서,
상기 광결합부로 조사되는 상기 펌프광의 파장범위를 조절하는 펌프광 대역통과필터(band pass filter);
상기 광결합부로 조사되는 상기 제1 스톡스광의 파장범위를 조절하는 제1 스톡스광 대역통과필터; 및
상기 광결합부로 조사되는 상기 제2 스톡스광의 파장범위를 조절하는 제2 스톡스광 대역통과필터;를 더 포함하는 광대역 비표지 분자 이미징 시스템.
The method of claim 1,
a pump light band pass filter for controlling a wavelength range of the pump light irradiated to the optical coupler;
a first Stokes light band pass filter for adjusting a wavelength range of the first Stokes light irradiated to the optical coupler; and
The broadband label-free molecule imaging system further comprising a second Stokes light band pass filter for controlling a wavelength range of the second Stokes light irradiated to the optical coupler.
청구항 1에 있어서,
상기 광결정 광섬유를 통과한 상기 스톡스광이 입사되고, 장파장 영역의 상기 스톡스광을 투과시키는 장파통과필터(long pass filter);를 더 포함하는 광대역 비표지 분자 이미징 시스템.
The method of claim 1,
The broadband label-free molecular imaging system further comprising a long pass filter into which the Stokes light passing through the photonic crystal fiber is incident and transmits the Stokes light in a long wavelength region.
청구항 1에 있어서,
상기 스캐닝부는,
상기 샘플에 대한 상기 결합광의 스캔 영역을 조절하는 갈바노 스캐너(galvano scanner); 및
상기 갈바노 스캐너를 통과한 상기 결합광을 후방에서 상기 샘플을 향해 집속시키는 후방 대물렌즈;를 포함하는 광대역 비표지 분자 이미징 시스템.
The method of claim 1,
The scanning unit,
a galvano scanner for adjusting a scan area of the combined light with respect to the sample; and
A broadband label-free molecular imaging system comprising: a rear objective lens for concentrating the combined light passing through the galvano scanner toward the sample from the rear side.
청구항 1에 있어서,
상기 검출부는,
상기 결합광이 상기 샘플에 집속되어 전방에서 생성된 전방 CARS 신호를 수집하는 전방 대물렌즈;
상기 전방 CARS 신호를, 상기 펌프광과 상기 제1 스톡스광의 조합에 의해 생성된 제1 CARS 신호, 및 상기 펌프광과 상기 제2 스톡스광의 조합에 의해 생성된 제2 CARS 신호를 분리하는 신호분리 이색거울;
상기 신호분리 이색거울에서 분리된 상기 제1 CARS 신호를 검출하는 제1 광전증배관(photomultiplier tube, PMT); 및
상기 신호분리 이색거울에서 분리된 상기 제2 CARS 신호를 검출하는 제2 광전증배관;을 포함하는 광대역 비표지 분자 이미징 시스템.
The method of claim 1,
The detecting unit,
a front objective lens for collecting the front CARS signal generated from the front by focusing the coupled light on the sample;
a signal separation dichroic mirror separating the front CARS signal, a first CARS signal generated by a combination of the pump light and the first Stokes light, and a second CARS signal generated by a combination of the pump light and the second Stokes light;
a first photomultiplier tube (PMT) for detecting the first CARS signal separated by the signal separating dichroic mirror; and
A broadband label-free molecular imaging system comprising: a second photomultiplier tube for detecting the second CARS signal separated by the signal separating dichroic mirror.
청구항 7에 있어서,
상기 검출부는,
상기 결합광이 상기 샘플에 집속되어 후방에서 생성된 후방 CARS 신호를 검출하는 제3 광전증배관;을 더 포함하는 광대역 비표지 분자 이미징 시스템.
The method of claim 7,
The detecting unit,
The broadband label-free molecular imaging system further comprising a third photomultiplier tube for concentrating the combined light on the sample and detecting a rear CARS signal generated from the rear.
청구항 7에 있어서,
상기 검출부는,
상기 결합광이 상기 샘플에 집속되어 후방에서 생성된 후방 CARS 신호의 스펙트럼을 검출하는 분광계;를 더 포함하는 광대역 비표지 분자 이미징 시스템.
The method of claim 7,
The detecting unit,
The broadband label-free molecular imaging system further comprising: a spectrometer configured to focus the combined light on the sample and detect a spectrum of a backward CARS signal generated backward.
청구항 1에 있어서,
상기 샘플은,
미세플라스틱 입자가 내재화된 세포 또는 생체를 포함하는 생물학적 샘플인 광대역 비표지 분자 이미징 시스템.
The method of claim 1,
The sample is
A broadband label-free molecular imaging system that is a biological sample containing cells or living organisms in which microplastic particles are internalized.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Choi, D S; Kim, C H; Lee, T; Nah, S; Rhee, H; Cho, M Vibrational spectroscopy and imaging with non-resonant coherent anti-Stokes Raman scattering: Double stimulated Raman scattering scheme Opt Express 2019, 27, 23558-23575

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