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設計出光敏特性拉曼探針實現可控開關的受激拉曼散射成像 | 前沿用戶報道

來源：HORIBA科學儀器事業部 2022年02月24日 09:22

供稿：敖建鵬

成果簡介

2021年5月，復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，設計出一類具有光敏特性的拉曼探針，實現了可控開關的受激拉曼散射成像。

背景介紹

在生命科學研究中，直接可視化細胞內大量不同的分子種類對于理解復雜的系統和過程愈漸重要。而對于熒光顯微技術而言，由于熒光分子本質上的寬光譜特性，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出的拉曼探針已經實現了超多色復用成像，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，實現可逆光開關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的應用可行性，為開發具備超多色復用的遠場超分辨顯微技術突破了關鍵一環。

圖文導讀

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點在顯微成像領域備受青睞。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并用于SRS，打破了熒光顯微成像中難以逾越的“多色復用壁壘”，展現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勢。

基于化學鍵振動的拉曼信號具有很好的光穩定性，早期開發的拉曼探針幾乎都是“always-on”類型，意味著信號不受外界調控，失去了隨機發光、光開關性等性質，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母體分子（二芳基乙烯）上，通過光異構分子對外界光刺激的響應來調控拉曼信號，從而實現對光敏感的拉曼光譜響應。

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，有利于后續推進至生物體系）引入二芳基乙烯母體分子中；

2. 通過自發拉曼及受激拉曼散射技術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；

左：自發拉曼；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；

通過紫外光在薄膜上手寫的“復旦”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性質的受激拉曼散射成像。

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，相比于自發拉曼而言損失了全光譜信息，因此在對未知物質檢測時自發拉曼光譜的測定依舊*。

HORIBA LabRAM HR Evolution的1064nm激發模式很大程度上解決了常用可見光光源激發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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總結展望

“山重水復疑無路，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，最終實現了可控開關的受激拉曼散射成像，不僅為開發具有光開關性質的振動光譜探針提供了新思路，同時為光開關受激拉曼散射顯微成像技術的提供可行性基礎，拓展了SRS的應用范圍，將有望推動超多色復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研發，并將它們用于生物醫學光子學應用研究和新型材料的光電性質基礎研究。在生物醫學光子學領域主要發展用于腫瘤組織的快速無標記病理檢測方法和脂質代謝等生物醫學問題；在材料學領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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