イントロダクション
ワシントン大学では、早期がん検出や神経変性疾患の進行過程の解明といった用途に向けた化学イメージングツールの開発に、2色誘導ラマン散乱（SRS）顕微鏡が用いられています。実験セットアップには通常、リアルタイム2色SRSイメージングや、2つの広い間隔を置いたラマン遷移の同時イメージングを行うために、複数の複雑で高性能な装置が組み込まれています。Moku:Proロックインアンプとマルチ装置モードを用いることで、研究者たちは1台のコンパクトなマルチチャンネル装置で様々な実験を行い、低強度SRS信号を抽出できるようになりました。
課題
SRS は、スペクトル情報と空間情報の両方による化学イメージングを可能にするコヒーレントラマン散乱プロセスです。 一般的なセットアップでは、２つの同期パルスレーザー、つまりポンプレーザーとストークスレーザー (図 １) を使用して、分子の振動をコヒーレントに励起します。 ノイズの多い背景から非常に小さな SRS 信号を抽出するには、高周波変調と位相敏感検出方式が必要です。
図1：SRSによるストークス光からポンプ光への振幅変調伝達を検出する。実証されたポンプ光の繰り返し周波数は80MHzであり、ストークス光も同様に80MHzの繰り返し周波数を持ちながら、20MHzで変調されている。この検出方式ではΔpumpが抽出される。
リアルタイム ２色 SRS イメージングで実験を実行するには、研究者は直交変調を適用し、同相信号成分と直交信号成分の両方を検出する必要があります。 「ほとんどの SRS 顕微鏡実験では、レーザーの総帯域幅に制限があるため、スペクトル範囲は約３００ cm-１ に制限されます。」 「これを回避するアプローチの１つは、可変レーザーで波長をスキャンすることですが、これでは時間がかかり、生細胞イメージングなどの時間に敏感な実験には不十分なことがよくあります。」とワシントン大学化学部のDan Fu助教授は述べています。
これらの限界を克服するために、ワシントン大学の研究者らは、３番目のレーザービームを使用して、間隔の広い２つのスペクトル領域、たとえば１つは指紋領域（例えば、アミド振動の場合は約１６００cm-１）、もう１つはC-H領域の同時イメージングを可能にしました。 (例: タンパク質の場合は約２９００ cm-１)、ただし、これにより実験セットアップのフットプリントと複雑さが増加します。
図 2: Moku:Pro マルチ機器モード設定で、広範囲に離れたラマン遷移時に撮影された HeLa 細胞 SRS 画像。
ソリューション
高品質のロックインアンプは、変調伝達検出方式を使用した SRS 顕微鏡実験において重要なハードウェアコンポーネントです。 Moku:Pro のロックインアンプは、SRS 顕微鏡実験におけるセルフヘテロダイン信号検出のための直感的で正確かつ堅牢なソリューションを提供します。ユーザーインターフェイスにより、低強度の SRS 信号を抽出するための直感的かつ強力なコントロールが可能になります。
図 3: 一般的な単一チャネル構成設定を備えた Moku:Pro ロックイン アンプ。
Moku:Pro ロックインアンプは、実験用に最適化された位相シフト、ローパス フィルター、ゲイン設定で構成されています。内蔵プローブポイントは、設定を調整しながらリアルタイムモニタリングに使用されます。 X 出力と Y 出力の両方をデュアルチャネルイメージングに使用できます。
3台のレーザーを使用する場合、Moku:Proのマルチインストゥルメントモードは2台のロックインアンプで構成でき、システムを1台のデバイスに簡素化できるため、妥協することなくシステム全体を簡素化できます。これにより、研究者は1台のMoku:Proで2つのフォトダイオード検出器の信号を処理することで、波数差の大きい2枚のSRS画像を同時に取得できます。
図 4: マルチチャンネル ロックイン アンプ構成を備えた Moku:Pro のマルチ インストルメント モード。
図 4 に、同時 SRS 顕微鏡実験用の 1 つのロックイン アンプを備えたマルチ機器モード構成を示します。スロット 1 のロックイン アンプの場合、入力 In 2 は最初のフォトダイオードの検出信号、In 1 はリファレンス、Out 3 は外部データ取得カードに送信される信号、Out 2 は破棄されます。スロット 3 のロックイン アンプの場合、In 2 は 2 番目のフォトダイオードの検出信号、In 4 は再びリファレンス、Out 1 は外部データ取得カードに送信される信号、Out 2 は破棄されます。検出された各信号 (Out 3 と Out 4) は、データ取得カードに送信される前に個別の位相シフトを調整することによって最大化されます。この例のスロット XNUMX と XNUMX はオシロスコープで構成されていますが、別の Moku:Pro 機器に置き換えることができます。 
図 5: XNUMX つの入力チャネルと XNUMX つの出力チャネルが使用されている XNUMX つのロックイン アンプで構成されたマルチ インストゥルメント モードの Moku:Pro。
結果
Moku:Proのロックインアンプは、様々なSRS顕微鏡実験に最適なソリューションを提供します。「ユーザーインターフェースは、低強度SRS信号の抽出を直感的で強力な操作で可能にし、Moku:Proのマルチ機器モードは、コンパクトなシステムで複雑なイメージング実験を可能にします」とFu博士は述べています。ワシントン大学の研究者たちは、典型的なシングルチャンネルSRSイメージングからデュアルチャンネルイメージング、さらにはマルチ機器イメージングまで、妥協することなく実験セットアップを簡素化することができました。
