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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院Zachary J. Smith教授團(tuán)隊和華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院高婷娟教授團(tuán)隊在拉曼生物成像研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，提出了一種基于線掃描拉曼成像系統(tǒng)和偶氮增強(qiáng)拉曼探針相結(jié)合的快速生物成像方法，實現(xiàn)了對細(xì)胞器動態(tài)過程的高分辨率、低功耗的影像。相關(guān)研究成果于2022年8月15日以“High-resolution low-power hyperspectral line-scan imaging of fast cellular dynamics using azo-enhanced Raman scattering probes”為題在線發(fā)表于著名學(xué)術(shù)期刊《Journal of the American Chemical Society》。

拉曼成像是一種無標(biāo)記的單細(xì)胞分析技術(shù)，能夠從分子水平獲得細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和組成信息，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥研究領(lǐng)域。然而，拉曼散射截面十分微小，通常需要在高激光照度下歷經(jīng)數(shù)小時才能獲得一幀細(xì)胞拉曼圖像，無法捕捉到細(xì)胞器的時空演變信息。相干拉曼成像技術(shù)能夠很大程度提高拉曼信號，但是該方法只能獲得窄帶拉曼光譜信息，需要較強(qiáng)的激光功率，并且設(shè)備昂貴。拉曼探針作為另一種拉曼信號增強(qiáng)方法，具有細(xì)胞可透過性、靶向性、低毒性等特點，但是常見的炔烴標(biāo)記的拉曼探針還無法滿足高分辨率的快速細(xì)胞動態(tài)成像。為此，我們設(shè)計了一種動態(tài)偶氮增強(qiáng)拉曼成像系統(tǒng)，能夠是實現(xiàn)對細(xì)胞器動態(tài)過程的高分辨低功耗快速拉曼成像。傳統(tǒng)點掃描自發(fā)拉曼成像、相干拉曼成像和動態(tài)偶氮增強(qiáng)拉曼成像的比較如圖1所示。

圖1.三種拉曼生物成像技術(shù)原理的比較，包括傳統(tǒng)點掃描自發(fā)拉曼成像、相干拉曼成像和動態(tài)偶氮增強(qiáng)拉曼成像。

本研究工作采用了一種新型的超靈敏共振拉曼探針，即偶氮增強(qiáng)拉曼散射探針，在極大提高拉曼信號的同時，能夠抑制熒光背景。偶氮增強(qiáng)拉曼探針與傳統(tǒng)的5-乙炔基-2-脫氧尿苷（EdU）相比，相對拉曼強(qiáng)度提高了3-4個數(shù)量級（圖2a）。結(jié)合我們自主設(shè)計的線掃描自發(fā)拉曼成像系統(tǒng)，實現(xiàn)對偶氮增強(qiáng)拉曼探針標(biāo)記后的活細(xì)胞中多種細(xì)胞器的快速拉曼成像，并且能夠獲得全拉曼光譜（500-3200 cm-1）信息。動態(tài)偶氮增強(qiáng)拉曼成像系統(tǒng)在低激光照度下（75 μW/μm2），成像速率最快可以達(dá)到3.5秒/幀，共聚焦空間分辨率為270 nm。

圖2.（a）多種拉曼標(biāo)記物的相對拉曼強(qiáng)度；（b）基于偶氮增強(qiáng)拉曼探針的線粒體、溶酶體和脂滴的同步成像。

該動態(tài)偶氮增強(qiáng)拉曼成像系統(tǒng)用多種拉曼探針對細(xì)胞進(jìn)行同時標(biāo)記，實現(xiàn)了線粒體、溶酶體和脂滴的同步成像（圖2b）；成功獲取了活細(xì)胞中線粒體和溶酶體的快速影像（圖3）；通過溶酶體的影像數(shù)據(jù)，分析了溶酶體運(yùn)動的生物物理動態(tài)屬性；通過加入解偶聯(lián)劑FCCP，研究了線粒體解耦動態(tài)過程。該動態(tài)偶氮增強(qiáng)拉曼成像系統(tǒng)能夠?qū)?xì)胞器動態(tài)過程進(jìn)行定量且多元的成像，將為生物醫(yī)藥的研究提供有力的幫助。

圖3.利用動態(tài)偶氮增強(qiáng)拉曼成像系統(tǒng)對活細(xì)胞中線粒體和溶酶體的快速成像。

中國科大工程科學(xué)學(xué)院特任副研究員于亞軍和華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院唐浴塵博士為本論文共同第一作者，中國科大Zachary J. Smith教授和華中師范大學(xué)高婷娟教授為論文的共同通訊作者，論文作者還包括我校蘇州高等研究院儲開芹研究員。這項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省科技重大專項、中國博士后科學(xué)基金等項目的資助支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c06275

（工程科學(xué)學(xué)院、科研部）