问答:揭开成像工程师引领突破性显微镜技术的新时代
发布时间：2023-12-05 12:00:08 阅读数： 10
当显微镜难以捕捉到微弱的信号时，就好比不戴眼镜就无法发现绘画或照片中的微妙细节。对于研究人员来说，这使得他们很难捕捉到细胞或其他材料中发生的细微变化。
在新的研究中，波士顿大学光子学与光电子学穆斯塔卡斯讲座教授程继新博士及其合作者正在创造更先进的技术，使显微镜无需特殊染料就能更好地观察微小样本的细节。 他们的研究成果分别发表在《Nature Communications》和《Science Advances》上，帮助科学家们更轻松、更准确地可视化和理解他们的样本。
(A) 受激拉曼增益和损耗示意图。(B) SRP 效应示意图。(C) 在时间域（上）和空间域（下）模拟 SRP 引起的温升。空间比例尺为 1 μm。(D) 纯 DMSO 中 SRP 诱导的热透镜模拟曲线。(E) 荧光温度计测量 SRP 介导的温度升高的示意图。(F) SRS 过程中 DMSO 中罗丹明 B 的荧光强度。跳动频率（ωp - ωs）被调至 2913 cm-1 为开启共振，2850 cm-1 为关闭共振 (BG)。从导通共振曲线中减去非导通共振（BG），以消除非光热贡献，从而得到导通共振（去除 BG）曲线。BG : 背景；a.u. : 任意单位。资料来源：《Science Advances》（2023 年）。
在本问答中，同时兼任麻省理工大学生物医学工程、电子与计算机工程、化学和物理学等多个系教授的Cheng博士深入探讨了这两篇研究论文中的发现。他重点介绍了他和他的团队目前正在进行的工作，并全面阐述了这些发现会如何影响显微镜领域，并有可能影响未来的科学应用。
Q: 您和您的研究合作者最近在《Nature Communications》和《Science Advances》上发表了两篇关于显微镜的论文。每篇论文的主要发现是什么？
A: 这两篇论文旨在解决正在崛起的振动成像领域的一个基本挑战，该领域正在为生命科学和材料科学打开一扇新的窗口。这一挑战是如何突破检测极限，使振动成像与荧光成像一样灵敏，从而使我们能够以不使用染料的方式观察极低浓度（微摩尔至纳摩尔）的目标分子。 为应对这一根本性挑战，我们的创新之举是利用光热显微镜来检测试样中的化学键。激发化学键振动后，能量会迅速散失为热量，导致温度升高。这种光热效应可以通过穿过焦点的探针光束进行测量。 我们的方法与相干拉曼散射显微镜有着本质区别，后者是我在 2015 年科学评论中描述的一种高速振动成像平台。我们共同建立了一类新的化学成像工具箱，称为振动光热显微镜，或 VIP 显微镜。 在《Nature Communications》论文中，我们开发了一种宽视场中红外光热显微镜，用于观察信号病毒粒子的化学成分。在《Science Advances》论文中，我们开发了一种基于受激拉曼过程的新型振动光热显微镜。
Q: 这两篇论文中是否有出乎意料或令人惊讶的结果？如果有，这些结果是如何挑战现有知识或显微镜理论的？
A: SRP 显微技术的发展出乎意料。我们从未相信拉曼效应足以用于光热显微镜，但我们的想法在 2021 年 8 月发生了转变。为了庆祝我的 50 岁生日，我和我的学生们组织了一个体育主题派对。在庆祝活动中，《Science Advances》论文的第一作者朱一帆不幸受伤，医生建议他在两个月内行动不便。 在他康复期间，我请他计算了 SRS（受激拉曼散射）显微镜焦点处的温升。通过这次意外，我们发现了强烈的受激拉曼光热（SRP）效应。随后，一帆和其他学生花了两年时间进行研发。这就是 SRP 显微镜的发明过程。
Q: 这些论文是否发现了研究结果的局限性或不足之处？这些局限性会如何影响研究的整体意义？
A: 当然，没有什么是完美的。在研究 SRP 显微镜的过程中，我们发现每束光都可能有吸收，这会导致 SRP 图像中出现微弱的非拉曼背景。我们正在开发一种消除这种背景的新方法。
Q: 一篇论文的研究结果与另一篇论文的研究结果是互补还是矛盾？它们之间的关系如何？
A: 这两篇论文中报告的方法是互补的。WIDE-MIP 方法擅长检测红外活性键，而 SRP 方法对拉曼活性键比较敏感。
Q: 这两篇论文是否为未来的显微镜研究提出了新的方向，从而产生重大的长远影响？
A: 是的，确实如此。这两篇论文共同指出了一种新型化学显微技术，称为振动光热显微技术或 VIP 显微技术。VIP 显微镜提供了一种非常灵敏的探测特定化学键的方法；因此，我们可以利用它来绘制浓度极低的分子图，而无需染料标记。
Q: 您的实验室以外的其他研究人员目前是否也在使用这些成像技术？
A: 我们已经通过 BU 的技术开发办公室为这两项技术申请了临时专利。至少有两家公司对 SRP 技术的商业化感兴趣，其中一家也对 WIDE-MIP 技术感兴趣。 Q: 您的主要研究合作者是谁？
A: 在 WIDE-MIP 论文中，病毒样本由 BU 国家新发传染病实验室微生物学副教授 John Connor 提供。WIDE-MIP 技术开发是与 BU 工程学院电子与计算机工程教授 Selim Ünlü 合作进行的。因此，这是波士顿大学内部的一项合作工作。