顯微鏡技術(shù)結(jié)合創(chuàng)造出更強(qiáng)大的成像設(shè)備

Idler和DFG紅外激光器的功率輸出。使用熱電堆功率計(jì)（919P-003-10，Newport）測(cè)量激光器輸出的功率。覆蓋了800至4800 cm-1（2.1-12 μm）之間的所有文數(shù)。根據(jù)制造商（APE Angewandte Physik & Elektronik GmbH, Berlin, Germany），脈沖寬度為2 ps，帶寬為8-10 cm-1。資料來源：《自然-光子學(xué)》（2023）。DOI: 10.1038/s41566-023-01243-8

如果你想象自己通過顯微鏡來觀察，你可能會(huì)想象自己在玻璃片上看到一個(gè)變形蟲，或者可能是一個(gè)人類細(xì)胞，甚至可能是某種小昆蟲。

但是顯微鏡能看到的東西遠(yuǎn)不止這些小生物，而加州理工學(xué)院開發(fā)的一種新型顯微鏡正在使我們更容易看到構(gòu)成生物的分子。

在《自然-光子學(xué)》雜志上發(fā)表的一篇論文中，來自化學(xué)助理教授和遺產(chǎn)醫(yī)學(xué)研究所調(diào)查員Lu Wei實(shí)驗(yàn)室的研究人員展示了他們所謂的鍵選擇熒光檢測(cè)紅外激發(fā)光譜顯微術(shù)，或BonFIRE。

BonFIRE將兩種顯微鏡技術(shù)結(jié)合成一個(gè)過程，具有更大的選擇性和敏感性，使研究人員能夠在前所未有的單分子水平上觀察生物過程，并從分子的角度理解生物機(jī)制。

"研究報(bào)告的共同作者、化學(xué)工程研究生Dongkwan Lee說："有了我們的新顯微鏡，我們現(xiàn)在可以用振動(dòng)對(duì)比來觀察單分子，這在現(xiàn)有技術(shù)中是具有挑戰(zhàn)性的。

BonFIRE涉及的一項(xiàng)技術(shù)是熒光顯微鏡，它通過給分子和其他微觀結(jié)構(gòu)貼上熒光化學(xué)標(biāo)記來成像，使它們?cè)诔上駮r(shí)發(fā)亮。

博士后學(xué)者Haomin Wang（左）和研究生Dongkwan Lee（右）演示BonFIRE顯微鏡儀器的操作。資料來源：加州理工學(xué)院

另一項(xiàng)技術(shù)是振動(dòng)顯微鏡，它利用了將分子中的原子結(jié)合在一起的自然振動(dòng)。要成像的樣品被光轟擊，在這種情況下是紅外光。這種轟擊導(dǎo)致材料分子的鍵以這樣一種方式振動(dòng)，從而可以確定其類型。例如，三鍵的振動(dòng)將 "聽起來 "與單鍵的振動(dòng)不同，一個(gè)碳原子與另一個(gè)碳原子結(jié)合的振動(dòng)將聽起來與一個(gè)碳原子與氮原子結(jié)合的振動(dòng)不同。這與訓(xùn)練有素的吉他手僅通過聽其發(fā)出的音就能分辨出吉他上的哪根弦被撥動(dòng)以及它是由什么材料制成的并無(wú)不同。

Wei說，熒光顯微鏡允許研究人員觀察單分子，但它并不提供豐富的化學(xué)信息。另一方面，振動(dòng)顯微鏡提供了豐富的化學(xué)信息，但只有當(dāng)被成像的分子大量存在時(shí)才能發(fā)揮作用。

BonFIRE通過將振動(dòng)與熒光耦合，有效地結(jié)合了兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從而繞過了這些限制。這個(gè)過程是這樣的： 樣品首先被一種熒光染料染色，這種染料與要成像的分子結(jié)合。然后，樣品被紅外光脈沖轟擊，其頻率被調(diào)整為激發(fā)該染料中的一個(gè)特定鍵。一旦該鍵被該光的單個(gè)光子激發(fā)，第二個(gè)更高能量的光脈沖就會(huì)照到它，并激發(fā)它發(fā)出可被顯微鏡檢測(cè)到的熒光。通過這種方式，顯微鏡可以對(duì)整個(gè)細(xì)胞或單個(gè)分子進(jìn)行成像。

"我們對(duì)這種光譜學(xué)過程非常著迷，并為將其轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代生物成像的新型工具而感到興奮，"研究的共同作者、化學(xué)博士后學(xué)者研究助理王浩民說。"在過去的三年里，我們一直在冒險(xiǎn)建立我們的定制BonFIRE顯微鏡，并對(duì)這個(gè)光譜過程有了更深的了解，這進(jìn)一步幫助我們優(yōu)化了我們?cè)O(shè)置中的每個(gè)組件，以達(dá)到我們現(xiàn)在的性能。"

在他們的論文中，研究人員還展示了用 "顏色 "標(biāo)記生物大分子的能力，使它們能夠彼此區(qū)分開來。這是通過使用構(gòu)成染料分子的原子的幾種同位素來實(shí)現(xiàn)的。(同位素是一種元素的形式，具有不同的原子量，因?yàn)樗鼈兊脑雍擞懈嗷蚋俚闹凶樱?。它們的鍵的振動(dòng)頻率隨著原子質(zhì)量的增加或減少而變化。

"與傳統(tǒng)的熒光顯微鏡不同，它一次只能區(qū)分少數(shù)幾種顏色，BonFIRE使用紅外光來激發(fā)不同的化學(xué)鍵，產(chǎn)生彩虹般的振動(dòng)顏色，"Wei說。"你可以從同一個(gè)樣品中一次標(biāo)記和成像許多不同的目標(biāo)，以驚人的細(xì)節(jié)揭示生命的分子多樣性。我們希望在不久的將來能夠在活體細(xì)胞中展示數(shù)十種顏色的成像能力。"

其他共同作者是化學(xué)系研究生曹雨露、畢曉天、杜佳俊和苗坤。

參考資料

Haomin Wang et al, Bond-selective fluorescence imaging with single-molecule sensitivity, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01243-8