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Nat. Commun. 复旦大学季敏标教授合作研究：设计出光敏特性的拉曼探针，实现可控开关的受激拉曼散射成像 | 前沿用户报道

HORIBA科学仪器事业部
2022.2.24

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供稿：敖建鹏

成果简介

2021年5月，复旦大学季敏标课题组与南方科技大学吴长锋课题组合作，在国际期刊 Nature Communications 发表了题为 Switchable stimulated Raman scattering microscopy with photochromic vibrational probes 的论文，通过在二芳基乙烯母体分子中引入炔基，设计出一类具有光敏特性的拉曼探针，实现了可控开关的受激拉曼散射成像。
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背景介绍

在生命科学研究中，直接可视化细胞内大量不同的分子种类对于理解复杂的系统和过程愈渐重要。而对于荧光显微技术而言，由于荧光分子本质上的宽光谱特性，限制了其可分辨标记对象的能力，常称为“多色复用壁垒”。与荧光分子电子跃迁相对，拉曼散射表征的是振动跃迁，谱线宽度较窄，具有优越的化学特异性，目前基于炔基、氰基等拉曼信源开发出的拉曼探针已经实现了超多色复用成像，但成像分辨率依旧受到光学衍射极限的限制。

在此研究背景下, 复旦大学季敏标课题组与南方科技大学吴长锋课题组合作通过赋予拉曼信号光敏活性，实现可逆光开关的拉曼振动光学成像，探索具有光敏活性的拉曼探针及其显微技术的应用可行性，为开发具备超多色复用的远场超分辨显微技术突破了关键一环。


图文导读

受激拉曼散射（SRS）以快速、免标记和本征三维化学组分分析的优点在显微成像领域备受青睐。为了提高成像灵敏度与特异性，基于炔基、氰基的拉曼探针被开发并用于SRS，打破了荧光显微成像中难以逾越的“多色复用壁垒”，展现了这些生物正交拉曼探针对比荧光标记分子所具备的窄峰宽、无漂白、信源尺寸小而对目标分子干扰小等优势。

基于化学键振动的拉曼信号具有很好的光稳定性，早期开发的拉曼探针几乎都是“always-on”类型，意味着信号不受外界调控，失去了随机发光、光开关性等性质，直接通过外界光刺激改变拉曼信号几乎是不可能的。为了解决这一难题，课题组将炔基通过化学合成的手段连接到光异构母体分子（二芳基乙烯）上，通过光异构分子对外界光刺激的响应来调控拉曼信号，从而实现对光敏感的拉曼光谱响应。

1. 通过化学合成将拉曼探针（炔基，拉曼信号强且峰位处于生物静默区，有利于后续推进至生物体系）引入二芳基乙烯母体分子中；
2. 
通过自发拉曼及受激拉曼散射技术对紫外与可见光照射下的分子的炔基伸缩振动模式峰位表征；


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左：自发拉曼；右：受激拉曼


3. 将分子匀涂成膜，通过光在薄膜上自由书写/擦除文字信息并以受激拉曼散射显微读出信息；


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通过紫外光在薄膜上手写的“复旦”字样，并通过SRS对其成像


4. 将分子进一步修饰以靶向线粒体，在细胞层面展示光开关性质的受激拉曼散射成像。


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光控可逆点亮/擦除喂食过光活性分子的HeLa细胞，并通过SRS对其成像


受激拉曼散射作为相干模式下的拉曼散射，虽然极大的提高了拉曼信号，使得快速化学成像成为可能，但由于两束光的共振激励（ωp-ωs=Ω）局限在某一个拉曼峰位，相比于自发拉曼而言损失了全光谱信息，因此在对未知物质检测时自发拉曼光谱的测定依旧不可或缺。

HORIBA LabRAM HR Evolution的1064nm激发模式很大程度上解决了常用可见光光源激发自身对光敏分子的影响，对我们的实验可靠性论证起到了极大的帮助。


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HORIBA LabRAM HR Evolution


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总结展望

“山重水复疑无路，柳暗花明又一村。”实验过程中课题组抛开固有实验套路，另辟蹊径，最终实现了可控开关的受激拉曼散射成像，不仅为开发具有光开关性质的振动光谱探针提供了新思路，同时为光开关受激拉曼散射显微成像技术的提供可行性基础，拓展了SRS的应用范围，将有望推动超多色复用拉曼显微跨入超分辨时代。


文献信息

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


文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23407-2


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季敏标教授课题组简介

季敏标教授课题组主要从事非线性光谱学和显微成像技术研发，并将它们用于生物医学光子学应用研究和新型材料的光电性质基础研究。在生物医学光子学领域主要发展用于肿瘤组织的快速无标记病理检测方法和脂质代谢等生物医学问题；在材料学领域主要研究新型二维材料的超快载流子和声子动力学问题等。

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文章作者
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