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設(shè)計出光敏特性拉曼探針實現(xiàn)可控開關(guān)的受激拉曼散射成像 | 前沿用戶報道

來源：HORIBA（中國）   2022年02月24日 09:22  

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供稿：敖建鵬
   

成果簡介            

2021年5月，復(fù)旦大學季敏標課題組與南方科技大學吳長鋒課題組合作，在國際期刊 Nature Communications 發(fā)表了題為 Switchable stimulated Raman scattering microscopy with photochromic vibrational probes 的論文，通過在二芳基乙烯母體分子中引入炔基，設(shè)計出一類具有光敏特性的拉曼探針，實現(xiàn)了可控開關(guān)的受激拉曼散射成像。            
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背景介紹            

在生命科學研究中，直接可視化細胞內(nèi)大量不同的分子種類對于理解復(fù)雜的系統(tǒng)和過程愈漸重要。而對于熒光顯微技術(shù)而言，由于熒光分子本質(zhì)上的寬光譜特性，限制了其可分辨標記對象的能力，常稱為“多色復(fù)用壁壘”。與熒光分子電子躍遷相對，拉曼散射表征的是振動躍遷，譜線寬度較窄，具有*的化學特異性，目前基于炔基、氰基等拉曼信源開發(fā)出的拉曼探針已經(jīng)實現(xiàn)了超多色復(fù)用成像，但成像分辨率依舊受到光學衍射極限的限制。
           
在此研究背景下, 復(fù)旦大學季敏標課題組與南方科技大學吳長鋒課題組合作通過賦予拉曼信號光敏活性，實現(xiàn)可逆光開關(guān)的拉曼振動光學成像，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，為開發(fā)具備超多色復(fù)用的遠場超分辨顯微技術(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、免標記和本征三維化學組分分析的優(yōu)點在顯微成像領(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比熒光標記分子所具備的窄峰寬、無漂白、信源尺寸小而對目標分子干擾小等優(yōu)勢。
           
基于化學鍵振動的拉曼信號具有很好的光穩(wěn)定性，早期開發(fā)的拉曼探針幾乎都是“always-on”類型，意味著信號不受外界調(diào)控，失去了隨機發(fā)光、光開關(guān)性等性質(zhì)，直接通過外界光刺激改變拉曼信號幾乎是不可能的。為了解決這一難題，課題組將炔基通過化學合成的手段連接到光異構(gòu)母體分子（二芳基乙烯）上，通過光異構(gòu)分子對外界光刺激的響應(yīng)來調(diào)控拉曼信號，從而實現(xiàn)對光敏感的拉曼光譜響應(yīng)。
           
1. 通過化學合成將拉曼探針（炔基，拉曼信號強且峰位處于生物靜默區(qū)，有利于后續(xù)推進至生物體系）引入二芳基乙烯母體分子中；
2. 通過自發(fā)拉曼及受激拉曼散射技術(shù)對紫外與可見光照射下的分子的炔基伸縮振動模式峰位表征；

               

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左：自發(fā)拉曼；右：受激拉曼 

 

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

    

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通過紫外光在薄膜上手寫的“復(fù)旦”字樣，并通過SRS對其成像

           

4. 將分子進一步修飾以靶向線粒體，在細胞層面展示光開關(guān)性質(zhì)的受激拉曼散射成像。

 

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光控可逆點亮/擦除喂食過光活性分子的HeLa細胞，并通過SRS對其成像

           

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，使得快速化學成像成為可能，但由于兩束光的共振激勵（ωp-ωs=Ω）局限在某一個拉曼峰位，相比于自發(fā)拉曼而言損失了全光譜信息，因此在對未知物質(zhì)檢測時自發(fā)拉曼光譜的測定依舊*。            

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

 

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HORIBA LabRAM HR Evolution

           

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總結(jié)展望                

“山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村。”實驗過程中課題組拋開固有實驗套路，另辟蹊徑，最終實現(xiàn)了可控開關(guān)的受激拉曼散射成像，不僅為開發(fā)具有光開關(guān)性質(zhì)的振動光譜探針提供了新思路，同時為光開關(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，將有望推動超多色復(fù)用拉曼顯微跨入超分辨時代。  

               

文獻信息            

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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季敏標教授課題組簡介

季敏標教授課題組主要從事非線性光譜學和顯微成像技術(shù)研發(fā)，并將它們用于生物醫(yī)學光子學應(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)學光子學領(lǐng)域主要發(fā)展用于腫瘤組織的快速無標記病理檢測方法和脂質(zhì)代謝等生物醫(yī)學問題；在材料學領(lǐng)域主要研究新型二維材料的超快載流子和聲子動力學問題等。            

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