Cobolt激光器助力生物材料研究：基于Brillouin成像的胶原蛋白凝胶力学分析
近日，一项发表于《Biomedical Optics Express》的研究成功应用Cobolt Samba™ 532nm单频DPSS激光器，实现了对胶原蛋白凝胶的高精度Brillouin光谱成像与自动化分析。该研究由英国埃克塞特大学牵头，联合多个研究机构完成，首次将双级VIPABrillouin显微镜与定制化图像处理软件结合，为生物材料的微观力学性能研究提供了全新解决方案。
Brillouin 光散射谱（BLS）技术以其非接触、高分辨率的优势，在探测生物材料微观力学性能方面具有独特价值。尤其在生物医学领域，该技术可用于研究细胞、组织及其模拟材料的微观力学行为，具有重要的科研与临床潜力。
然而，传统的Brillouin光谱系统往往依赖扫描式干涉仪，采集速度慢、对比度要求高，限制了其在生物样品中的应用。近年来，基于VIPA（VirtuallyImaged Phase Array）的光谱仪技术显著提高了采集效率，但仍缺乏高效的图像与数据处理方法。
研究内容
本研究开发了一套完整的Brillouin图像采集与分析流程：
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系统搭建：采用Cobolt Samba™ 532 nm单频激光器作为光源，其300 mW输出功率和<1 MHz的窄线宽为高信噪比光谱提供了坚实基础。激光通过双级VIPA光谱仪耦合至倒置显微镜，实现对样品的高分辨率光谱成像。
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双级 VIPA 光谱仪:在 Cobolt 激光器照射下，样品中的热声声子与光子发生布里渊散射，产生 10–20 GHz 频移的散射光。双级交叉级联 VIPA 光栅实现了高速角色散与较高通光效率，将Brillouin 信号快速区分出 Rayleigh 背景。经过两段圆柱透镜与狭缝光阑滤波后，散射光被聚焦至 sCMOS 检测器，实现 60× 、NA 1.2 水浸物镜下约 270 nm 轴向、1 μm 横向的空间分辨。
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自动化数据处理与实时可视化：利用自主研发的软件算法，实时完成影像中的 Rayleigh 峰校正、布里渊峰提取与谱线参数拟合。Cobolt 激光长时间运行中的频率稳定性，使得谱线漂移校正无需额外光路，软件通过加权重心与阈值分割实现自动标定。数据处理速度快于图像采集速率，支持大面积高分辨率扫描而无需海量原始数据存储。
研究结果
通过分析不同浓度胶原和甲醛处理的凝胶，研究发现Brillouin频率随浓度增加而上升，表明材料刚度增强。这一结果与已有文献一致，验证了该方法在生物材料力学表征中的准确性与可靠性。
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高速成像：在 1–4 s 曝光条件下，系统实现了 3–5 mW 激光功率下的 Brillouin 映像，极大提升了弱散射样品的成像效率。
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全自动化：无需人工干预，系统可在实时采集过程中完成谱线识别与拟合分析，便于在活细胞组织等动态样本中应用。
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高稳定性：得益于 Cobolt Samba 激光器的窄线宽与出色的输出稳定性，系统长期运行中得益于激光频率稳定性（<1 MHz漂移），减少系统复杂度，即可保持数据一致性。
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可扩展性：算法及系统设计可兼容单级 VIPA 甚至多级干涉仪，满足不同研究场景对对比度与速度的需求。
该研究不仅提供了一种新的Brillouin图像分析方法，也展示了Cobolt激光器在高端生物光子学应用中的强大性能，为其在细胞力学、组织工程和临床诊断中的进一步应用奠定了基础。
Cobolt激光器的关键作用
Specifications |
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参考文献： Image analysis applied to Brillouin images of tissue-mimicking collagengelatins https://doi.org/10.1364/BOE.10.001329