将中红外高光谱成像的速度提高一个数量级——也可以测量动态变化，有望用于癌组织的高速诊断——

丰田技术学院
V体育
日本科学技术振兴机构 (JST)

　丰田理工学院激光科学实验室教授富士隆夫、博士后研究员赵跃(现任室兰工业大学副教授) 和V体育工学研究科工学部(生命/应用化学领域) Yuji Furuya 副教授和他的同事开发了一种高速中红外高光谱成像的创新方法。
　中红外高光谱成像是一种在每个波长获取图像的光谱技术。它有望应用于广泛的领域，例如癌组织的高速诊断、自然生物体中摄入的污染物的跟踪、样本组织中药物分布的测量以及分子水平上的化学反应分析。我们开发了一种将性能提高了一个数量级的技术。
　这个研究结果是2023年7月4天 (日本时间)，英国自然出版集团的在线科学杂志“

演示要点

〇 传统的中红外高光谱成像由于光源和探测器的性能相对于可见光区域较低，需要大量的测量时间，但这次我们大幅提高了性能，成功地将测量时间缩短了一个数量级
〇°约10飞秒 (10^－15秒) 的极短中红外光脉冲作为光源，我们建立了一种技术，可以轻松地将中红外光的波长转换为可见光，并用高性能可见光相机进行测量
〇无需染色即可测量植物细胞内成分的分布并识别细胞核的位置，这是中红外成像所难以做到的
〇可以在短时间内获取大量数据并测量样本的动态变化，有望应用于医学、环境、化学、制药等广泛领域

研究概述

中红外高光谱成像是一种在解析中红外光波长的同时获取图像的技术，在各个领域都显示出了巨大的效果。在现有技术中，用热光源或量子级联激光器（QCL）发出的光照射样品，红外探测器测量透射或反射的光。热光源具有较宽的波长带但较低的强度，而QCL具有较高的强度但较窄的波长带。因此，目前的中红外高光谱成像比可见光成像要花费数十倍的时间。使用可见光设备可以在几秒钟内测量出具有多种波长和分辨率的图像，而使用中红外设备则需要几分钟甚至几天的时间。

虽然是中红外高光谱成像，但实现了与可见光相当的测量速度和像素数
它已经出现了。 （图1）

图1 本发明技术示意图。通过在成像平面将中红外光波长转换为可见光，可以使用高性能可见光相机来测量高光谱图像。

　

　图2 是观察洋葱球茎表皮细胞的结果。从形态上看，洋葱鳞茎表皮细胞的细胞壁和细胞质可以用可见光显微镜来区分，但细胞核不能在不染色的情况下观察到。另一方面，中红外高光谱成像无需染色即可区分细胞壁、细胞膜、细胞核和细胞质。还，8非常短的测量时间（秒） (利用现有技术7约1分钟内从测绘图像中提取中红外透射光谱） (图2(g))中的蛋白质、碳水化合物和磷脂等生物分子。

图2 (a)使用可见光拍摄的洋葱鳞茎表皮细胞的显微图像。通过中红外高光谱成像绘制图像：(b)细胞壁，(c)细胞膜，(d)细胞核，(e)细胞质，和(f)由它们制成的雕像。(g)从测绘图像中提取的红外透射光谱。(h)细胞核染色结果。

未来发展

　该技术可以快速进行对物质化学结构信息敏感的分布测量，使得无损观察分子的结构和化学成分成为可能，因此有望广泛应用于基础科学研究和工业领域，包括癌症组织诊断等医疗治疗。如果研究激光器的小型化，将能够应用于更广泛的领域。我想拓展中红外高光谱成像的可能性，为各个领域的进一步发展做出贡献。

论文详细信息

标题：高速无扫描全带宽中红外化学成像
作者姓名：赵越、草间翔太、古谷雄二、黄伟红、罗志伟、富士隆雄
杂志：自然通讯
DOI 号：

研究支持

这项研究基于JST 冠 (JPMJCR17N5)的支持和其他人。此外，丰田理工学院的 Takao Fuji 教授隶属于智能光和材料研究中心(文部科学省私立大学一般费用补助金、“推进研究生院功能等”特别补助金的研究中心) 的研究成果之一

联系信息

研究相关

丰田理工学院工程研究生院激光科学实验室
藤隆夫教授
电话：052-809-1890
电子邮件：fuji[at]toyota-tiacjp

V体育工学研究科光生物技术研究中心
古谷雄二副教授
电话：052-735-5127
电子邮件：furutaniyuji[at]nitechacjp

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