西安電子科技大學(xué)陳雪利副教授和美國(guó)普渡大學(xué)程繼新教授實(shí)驗(yàn)室合作，發(fā)展了一種新型的容積化學(xué)成像方法——受激拉曼投影成像技術(shù)，并借此技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜生物系統(tǒng)的快速、定量、三維免標(biāo)記分子顯微成像。
2017中國(guó)光學(xué)重要成果推薦
生物系統(tǒng)，如細(xì)胞、模式生物等，具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分。借助于熒光標(biāo)記技術(shù)，人們可以用三維影像的方式直觀地展示復(fù)雜生物系統(tǒng)中化學(xué)組分的空間分布，動(dòng)態(tài)觀測(cè)其功能特性與變化，這對(duì)于全面理解和研究復(fù)雜生物系統(tǒng)具有重要意義。然而，用于熒光標(biāo)記的熒光染料可能會(huì)影響生物系統(tǒng)的生物功能，還會(huì)帶來(lái)諸如靶向非特異性、細(xì)胞毒性、光漂白等問(wèn)題。
西安電子科技大學(xué)陳雪利副教授和美國(guó)普渡大學(xué)程繼新教授（通訊作者）實(shí)驗(yàn)室合作，發(fā)展了一種新型的容積化學(xué)成像(volumetric chemical imaging)方法：受激拉曼投影成像技術(shù)(stimulated Raman projection, SRP)，并借此技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜生物系統(tǒng)的快速、定量、三維免標(biāo)記分子顯微成像。相關(guān)成果以Volumetric Chemical Imaging by Stimulated Raman Projection Microscopy and Tomography為題于2017年4月24日發(fā)表在Nature Communications [8, 15117 (2017)]上。
圖1 基于受激拉曼散射現(xiàn)象的容積成像模態(tài)。(a) 基于已有高斯光束受激拉曼顯微鏡的層析成像方法；(b) 基于貝塞爾光束的受激拉曼投影顯微成像方法；(c) 基于貝塞爾光束的受激拉曼投影斷層成像方法。
受激拉曼投影成像利用一對(duì)貝塞爾光束代替?zhèn)鹘y(tǒng)受激拉曼散射顯微鏡中的高斯光束作為激發(fā)源照射樣品。相比于高斯光束，貝塞爾光束可以在較長(zhǎng)的一段距離內(nèi)保持聚焦?fàn)顟B(tài)，因此可以在一段細(xì)長(zhǎng)的圓柱聚焦體積內(nèi)(直徑：亞微米-微米，長(zhǎng)度：幾百微米-毫米)產(chǎn)生受激拉曼信號(hào)。
通過(guò)在樣本后收集受激拉曼信號(hào)沿光束傳播方向的累積信號(hào)，同時(shí)結(jié)合二維平面掃描技術(shù)、斷層成像技術(shù)和樣本旋轉(zhuǎn)技術(shù)，該研究團(tuán)隊(duì)建立了受激拉曼投影顯微和斷層成像方法，可快速地定量三維體積內(nèi)的化學(xué)成分及其分布信息。
圖2 (a) 高斯光束受激拉曼顯微鏡獲取的單個(gè)脂肪細(xì)胞不同深度上的切片圖像；(b) 50張切片圖像的疊加圖像；(c) 受激拉曼投影顯微成像方法獲取的同一個(gè)脂肪細(xì)胞容積圖像，包含了整個(gè)細(xì)胞中的脂肪含量分布；(d) 拉曼共振偏移情況下的受激拉曼投影顯微圖像。
圖3 單個(gè)脂肪細(xì)胞的受激拉曼投影斷層成像
得益于貝塞爾光束的長(zhǎng)聚焦距離和焦點(diǎn)自我修復(fù)特性，受激拉曼投影成像技術(shù)更適合于深度組織成像，在大尺度樣本成像中具有優(yōu)越的定量能力和快速的三維成像能力。這一技術(shù)有望突破已有顯微成像技術(shù)在樣本尺度上的瓶頸，在研究細(xì)胞新陳代謝、腦功能、發(fā)育生物學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值；有望實(shí)現(xiàn)避免采集血液樣本進(jìn)行藥物測(cè)試或靶標(biāo)篩選，從而實(shí)現(xiàn)非侵入式的早期疾病診斷。
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