一、組織芯片與高通量需求?

組織芯片（Tissue Microarray, TMA）是現(xiàn)代病理研究的重要工具。一塊標(biāo)準(zhǔn)的組織芯片通常在很小的面積上排列數(shù)十至數(shù)百個直徑約1 mm的組織核心，每個核心來自不同的患者或不同的病灶區(qū)域。這種設(shè)計(jì)使得研究人員可以在分毫不差的實(shí)驗(yàn)條件下，對大量樣本進(jìn)行并行檢測，顯著提高研究效率和統(tǒng)計(jì)可信度。

然而，傳統(tǒng)方法對組織芯片的分析面臨明顯瓶頸。H&E染色和免疫組化雖然是標(biāo)準(zhǔn)手段，但周期較長（免疫組化通常需要2-3天），且依賴操作者經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)面對數(shù)百個組織核心時，逐個染色、判讀的工作量極大。

近二十年來，紅外光譜成像被視為一種潛在的補(bǔ)充手段。其原理在于：組織中蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸等生物大分子在中紅外波段具有特征性的振動吸收，通過測量這些吸收信號，可以在不染色、不標(biāo)記的情況下獲得組織切片的化學(xué)組成分布圖。但傳統(tǒng)FT-IR顯微系統(tǒng)受限于Globar熱輻射光源的低光通量，單個組織核心采集就需要數(shù)小時，對包含148個核心的組織芯片而言，操作上不可行。

二、QCL寬場紅外顯微系統(tǒng)

2015年，美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的Yeh、Kenkel、Liu和Bhargava等人在《Analytical Chemistry》上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)鍵研究，展示了一套基于量子級聯(lián)激光器（QCL）的寬場紅外顯微系統(tǒng)，專門針對高通量組織芯片分析進(jìn)行了優(yōu)化。

該系統(tǒng)采用4個QCL芯片組合，覆蓋776.9-1904.4 cm?1的指紋區(qū)，配合128×128像素制冷MCT（碲鎘汞）焦平面陣列探測器。在0.56 NA物鏡下，每個直徑1.1 mm的組織核心通過5×5拼接圖采集，約2分鐘即可完成。作為對照，若采用FPA FT-IR系統(tǒng)，同等條件下單個核心采集約需2.5小時。

圖 1 （A）倒置透射式量子級聯(lián)激光器寬場成像顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖。該顯微鏡搭載 4 芯片寬調(diào)諧量子級聯(lián)激光器，配套 128×128 焦平面陣列碲鎘汞探測器。（B）系統(tǒng)主控硬件接線圖（位移臺未畫出），標(biāo)注觸發(fā)線路的時序結(jié)構(gòu)（未按比例繪制）。（C）通用同步控制協(xié)議：量子級聯(lián)激光器實(shí)時波數(shù)監(jiān)測信號接入外部振蕩器，振蕩器依據(jù)設(shè)定的光譜分辨率與掃描速率觸發(fā)焦平面陣列探測器采集信號。

系統(tǒng)的核心創(chuàng)新之一在于同步控制協(xié)議的設(shè)計(jì)：QCL實(shí)時波數(shù)監(jiān)測信號接入外部振蕩器，振蕩器依據(jù)設(shè)定的光譜分辨率與掃描速率觸發(fā)FPA探測器采集信號，實(shí)現(xiàn)了光源調(diào)諧與探測器曝光的精確同步。

三、148核心乳腺組織芯片全板掃描

為驗(yàn)證系統(tǒng)的高通量能力，研究團(tuán)隊(duì)對一塊包含148個組織核心的乳腺組織芯片（BRC1501）進(jìn)行了全板掃描。該芯片覆蓋面積約1.5×2.5 cm，總采集時間約5小時。

圖 2：(A) 采用 0.56 數(shù)值孔徑（2.02 μm）物鏡的量子級聯(lián)激光顯微鏡，采集 BRC1501 組織微陣列 148 個組織芯的吸光度數(shù)據(jù)。在 4 cm?1 分辨率下，776.9~1904.4 cm?1 指紋區(qū)掃描耗時約 5 h，圖中僅呈現(xiàn) 1656 cm?1 處酰胺 I 帶信號。

這一結(jié)果的意義需要放在FT-IR的框架下理解：如果采用FPA FT-IR系統(tǒng)，單個核心約需2.5小時，148個核心在操作上完不可行——不僅時間成本高，而且長時間連續(xù)運(yùn)行帶來的儀器漂移和數(shù)據(jù)一致性問題也難以克服。QCL方案將"不可能的任務(wù)"轉(zhuǎn)變?yōu)?一個工作日內(nèi)可完成"的常規(guī)流程。

采集完成后，研究人員利用紅外光譜特征對組織類型進(jìn)行了區(qū)分。由于每個核心都獲得了完整的空間分辨光譜信息，后續(xù)可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型自動分類，無需人工逐片判讀。

四、離散頻率紅外成像（DF-IR）策略

該研究還提出了"離散頻率紅外成像"（Discrete Frequency Infrared Imaging, DF-IR）的策略，這是QCL相對于FT-IR的優(yōu)勢。在許多病理診斷場景中，并不需要完整的連續(xù)光譜，而是只需要若干個具有診斷意義的特征頻率。例如，酰胺I帶（~1650 cm?1）、酰胺II帶（~1550 cm?1）、脂質(zhì)酯羰基（~1740 cm?1）等。

QCL光源可以只在需要的頻率處進(jìn)行采集，而FT-IR必須通過干涉儀采集完整光譜后再提取所需頻率。對于N個必要光譜特征，QCL可實(shí)現(xiàn)約（1100/N）倍的速度提升。當(dāng)N=10時，加速比約為110倍。這種策略在篩查場景中尤為實(shí)用——先用少量關(guān)鍵頻率快速初篩，僅對陽性或可疑樣本進(jìn)行全譜復(fù)測。

表1：不同成像策略速度對比

五、QSweep在高通量場景中的適配

上述研究中，系統(tǒng)使用4個QCL芯片組合來覆蓋776.9-1904.4 cm?1指紋區(qū)。對于高通量平臺而言，多芯片分散架構(gòu)意味著更復(fù)雜的光學(xué)耦合、更長的校準(zhǔn)流程，以及芯片間切換帶來的潛在不穩(wěn)定性。

寧波海爾欣光電科技有限公司推出的QSweep系列EC-QCL模塊，其4-12 μm（約833-2500 cm?1）的寬調(diào)諧范圍可完整覆蓋上述全波段。QSweep采用集成化模塊設(shè)計(jì)，將多芯片封裝于統(tǒng)一模塊內(nèi)，用戶可根據(jù)實(shí)際需求選擇配置。這意味著：外部光路接口更少，設(shè)備集成更簡便；模塊內(nèi)部芯片銜接經(jīng)過優(yōu)化，全波段功率輸出更為一致，有利于定量分析的標(biāo)準(zhǔn)化；日常維護(hù)中無需進(jìn)行芯片間對準(zhǔn)校準(zhǔn)。

對于需要處理大量組織芯片的高通量平臺，波數(shù)重復(fù)性是另一個關(guān)鍵指標(biāo)。QSweep的波數(shù)重復(fù)性測試顯示，10個波數(shù)點(diǎn)四輪測量平均極差為0.35 cm?1。在多設(shè)備并行運(yùn)行的場景下，這一指標(biāo)決定了不同設(shè)備采集的數(shù)據(jù)是否可以直接匯入同一分析模型。對于構(gòu)建區(qū)域性組織芯片數(shù)據(jù)庫或跨中心研究網(wǎng)絡(luò)而言，數(shù)據(jù)一致性是核心前提。

圖4：海爾欣QSweep模塊波數(shù)重復(fù)性測試（10點(diǎn)四輪測量極差分布）

此外，DF-IR策略在QSweep上可以實(shí)現(xiàn)得更高效。集成化模塊將多芯片統(tǒng)一封裝，頻率切換在模塊內(nèi)部完成，無需外部光路調(diào)整，響應(yīng)更快且功率波動更小。對于需要頻繁切換頻率的高通量篩選應(yīng)用，這是一個實(shí)用的工程優(yōu)勢。

六、結(jié)語

QCL紅外顯微為組織芯片的高通量分析提供了可行的技術(shù)路徑。從"單個核心2.5小時"到"全板148核心5小時"，速度的提升不僅是數(shù)字上的變化，更是將這類分析從研究探索推向臨床實(shí)用的關(guān)鍵一步。DF-IR策略進(jìn)一步放大了這一優(yōu)勢，使頻率靶向采集成為可能。

從光源選擇的角度看，高通量場景對QCL的核心訴求在于：寬調(diào)諧范圍以覆蓋所需診斷頻率、穩(wěn)定的波數(shù)輸出以保障多設(shè)備數(shù)據(jù)一致性、足夠的光功率以支撐大面陣探測器的信噪比需求，以及緊湊可靠的模塊設(shè)計(jì)以適應(yīng)自動化平臺的集成要求。對于正在規(guī)劃或升級高通量紅外成像平臺的團(tuán)隊(duì)，光源的選型需要綜合權(quán)衡這些技術(shù)指標(biāo)與實(shí)際通量目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

1. Yeh K., Kenkel S., Liu J.-N., Bhargava R. "Fast Infrared Chemical Imaging with a Quantum Cascade Laser." Analytical Chemistry 87, 485-493 (2015). DOI: 10.1021/ac5027513

2. Kuepper C., Kallenbach-Thieltges A. et al. "Quantum Cascade Laser-Based Infrared Microscopy for Label-Free and Automated Cancer Classification in Tissue Sections." Scientific Reports 8, 7717 (2018). DOI: 10.1038/s41598-018-26098-w

3. Wysocki G. et al. "Widely tunable mode-hop free external cavity quantum cascade lasers for high resolution spectroscopy and chemical sensing." Applied Physics B 92, 305-311 (2008). DOI: 10.1007/s00340-008-3047-x

本文圍繞公開學(xué)術(shù)文獻(xiàn)進(jìn)行技術(shù)解讀，數(shù)據(jù)均來源于已發(fā)表論文。關(guān)于QSweep光源模塊在該應(yīng)用方向上的具體波段適配和測試數(shù)據(jù)，歡迎進(jìn)一步交流。

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