設(shè)計(jì)出光敏特性拉曼探針實(shí)現(xiàn)可控開(kāi)關(guān)的受激拉曼散射成像 | 前沿用戶報(bào)道

時(shí)間：2022-2-24 閱讀：424

供稿：敖建鵬

成果簡(jiǎn)介

2021年5月，復(fù)旦大學(xué)季敏標(biāo)課題組與南方科技大學(xué)吳長(zhǎng)鋒課題組合作，在國(guó)際期刊 Nature Communications 發(fā)表了題為 Switchable stimulated Raman scattering microscopy with photochromic vibrational probes 的論文，通過(guò)在二芳基乙烯母體分子中引入炔基，設(shè)計(jì)出一類(lèi)具有光敏特性的拉曼探針，實(shí)現(xiàn)了可控開(kāi)關(guān)的受激拉曼散射成像。

背景介紹

在生命科學(xué)研究中，直接可視化細(xì)胞內(nèi)大量不同的分子種類(lèi)對(duì)于理解復(fù)雜的系統(tǒng)和過(guò)程愈漸重要。而對(duì)于熒光顯微技術(shù)而言，由于熒光分子本質(zhì)上的寬光譜特性，限制了其可分辨標(biāo)記對(duì)象的能力，常稱為“多色復(fù)用壁壘”。與熒光分子電子躍遷相對(duì)，拉曼散射表征的是振動(dòng)躍遷，譜線寬度較窄，具有*的化學(xué)特異性，目前基于炔基、氰基等拉曼信源開(kāi)發(fā)出的拉曼探針已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超多色復(fù)用成像，但成像分辨率依舊受到光學(xué)衍射極限的限制。

在此研究背景下, 復(fù)旦大學(xué)季敏標(biāo)課題組與南方科技大學(xué)吳長(zhǎng)鋒課題組合作通過(guò)賦予拉曼信號(hào)光敏活性，實(shí)現(xiàn)可逆光開(kāi)關(guān)的拉曼振動(dòng)光學(xué)成像，探索具有光敏活性的拉曼探針及其顯微技術(shù)的應(yīng)用可行性，為開(kāi)發(fā)具備超多色復(fù)用的遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨顯微技術(shù)突破了關(guān)鍵一環(huán)。

圖文導(dǎo)讀

受激拉曼散射（SRS）以快速、免標(biāo)記和本征三維化學(xué)組分分析的優(yōu)點(diǎn)在顯微成像領(lǐng)域備受青睞。為了提高成像靈敏度與特異性，基于炔基、氰基的拉曼探針被開(kāi)發(fā)并用于SRS，打破了熒光顯微成像中難以逾越的“多色復(fù)用壁壘”，展現(xiàn)了這些生物正交拉曼探針對(duì)比熒光標(biāo)記分子所具備的窄峰寬、無(wú)漂白、信源尺寸小而對(duì)目標(biāo)分子干擾小等優(yōu)勢(shì)。

基于化學(xué)鍵振動(dòng)的拉曼信號(hào)具有很好的光穩(wěn)定性，早期開(kāi)發(fā)的拉曼探針幾乎都是“always-on”類(lèi)型，意味著信號(hào)不受外界調(diào)控，失去了隨機(jī)發(fā)光、光開(kāi)關(guān)性等性質(zhì)，直接通過(guò)外界光刺激改變拉曼信號(hào)幾乎是不可能的。為了解決這一難題，課題組將炔基通過(guò)化學(xué)合成的手段連接到光異構(gòu)母體分子（二芳基乙烯）上，通過(guò)光異構(gòu)分子對(duì)外界光刺激的響應(yīng)來(lái)調(diào)控拉曼信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光敏感的拉曼光譜響應(yīng)。

1. 通過(guò)化學(xué)合成將拉曼探針（炔基，拉曼信號(hào)強(qiáng)且峰位處于生物靜默區(qū)，有利于后續(xù)推進(jìn)至生物體系）引入二芳基乙烯母體分子中；

2. 通過(guò)自發(fā)拉曼及受激拉曼散射技術(shù)對(duì)紫外與可見(jiàn)光照射下的分子的炔基伸縮振動(dòng)模式峰位表征；

左：自發(fā)拉曼；右：受激拉曼

3. 將分子勻涂成膜，通過(guò)光在薄膜上自由書(shū)寫(xiě)/擦除文字信息并以受激拉曼散射顯微讀出信息；

通過(guò)紫外光在薄膜上手寫(xiě)的“復(fù)旦”字樣，并通過(guò)SRS對(duì)其成像

4. 將分子進(jìn)一步修飾以靶向線粒體，在細(xì)胞層面展示光開(kāi)關(guān)性質(zhì)的受激拉曼散射成像。

光控可逆點(diǎn)亮/擦除喂食過(guò)光活性分子的HeLa細(xì)胞，并通過(guò)SRS對(duì)其成像

受激拉曼散射作為相干模式下的拉曼散射，雖然大大提高了拉曼信號(hào)，使得快速化學(xué)成像成為可能，但由于兩束光的共振激勵(lì)（ωp-ωs=Ω）局限在某一個(gè)拉曼峰位，相比于自發(fā)拉曼而言損失了全光譜信息，因此在對(duì)未知物質(zhì)檢測(cè)時(shí)自發(fā)拉曼光譜的測(cè)定依舊*。

HORIBA LabRAM HR Evolution的1064nm激發(fā)模式很大程度上解決了常用可見(jiàn)光光源激發(fā)自身對(duì)光敏分子的影響，對(duì)我們的實(shí)驗(yàn)可靠性論證起到了很大的幫助。

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總結(jié)展望

“山重水復(fù)疑無(wú)路，柳暗花明又一村。”實(shí)驗(yàn)過(guò)程中課題組拋開(kāi)固有實(shí)驗(yàn)套路，另辟蹊徑，最終實(shí)現(xiàn)了可控開(kāi)關(guān)的受激拉曼散射成像，不僅為開(kāi)發(fā)具有光開(kāi)關(guān)性質(zhì)的振動(dòng)光譜探針提供了新思路，同時(shí)為光開(kāi)關(guān)受激拉曼散射顯微成像技術(shù)的提供可行性基礎(chǔ)，拓展了SRS的應(yīng)用范圍，將有望推動(dòng)超多色復(fù)用拉曼顯微跨入超分辨時(shí)代。

文獻(xiàn)信息

Switchable stimulated Raman scattering microscopy with photochromic vibrational probes

文章署名作者：

Jianpeng Ao, Xiaofeng Fang, Xianchong Miao, Jiwei Ling, Hyunchul Kang, Sungnam Park, Changfeng Wu & Minbiao Ji

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季敏標(biāo)教授課題組簡(jiǎn)介

季敏標(biāo)教授課題組主要從事非線性光譜學(xué)和顯微成像技術(shù)研發(fā)，并將它們用于生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)應(yīng)用研究和新型材料的光電性質(zhì)基礎(chǔ)研究。在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)領(lǐng)域主要發(fā)展用于腫瘤組織的快速無(wú)標(biāo)記病理檢測(cè)方法和脂質(zhì)代謝等生物醫(yī)學(xué)問(wèn)題；在材料學(xué)領(lǐng)域主要研究新型二維材料的超快載流子和聲子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題等。

HORIBA科學(xué)儀器事業(yè)部

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