加州理工学院魏璐教授团队Chem. Biomed. Imaging | 迈向分子振动生物成像的下一个前沿
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英文原题： Toward the Next Frontiers on Vibrational Bioimaging
通讯作者： 魏璐 ，加州理工学院
作者： Haomin Wang (王浩民), Dongkwan Lee (李洞官)
背景介绍
生物分子中的化学键包含特定的振动信息，形成了每个分子独特的振动“指纹”。拉曼（Raman）和红外（IR）作为两种成熟的光谱方法，能够揭示分子振动信息并进行具有化学键选择性的分子识别。然而，与广泛应用于生物成像领域的荧光（Fluorescence）相比，传统的远场Raman和IR技术在信号强度、灵敏度、空间分辨率和背景干扰等方面仍存在不足。为了更好地获取生物成像应用中的分子振动信息，我们需要更加灵敏的Raman和IR方法。近年来，在振动生物成像领域具有广阔潜力的三种方法包括相干拉曼散射（CRS）显微镜、中红外光热（MIP）显微镜和力检测红外光热原子力显微镜（AFM+IR）（图1）。这三种方法极大地提高了Raman和IR的灵敏度和空间分辨率，并提供了丰富的原位分子振动信息，引领着生物成像领域的下一个前沿。
图1. 多种Raman和IR过程的振动跃迁能级图及检测原理
文章亮点
近日， 加州理工学院魏璐教授团队在 Chemical & Biomedical Imaging 上发表了一篇对上述三种方法的展望文章 。相比基于电子跃迁的宽波段荧光，基于化学键振动的Raman和IR方法能够提供更丰富的窄波段分子振动信息，在揭示深层分子机理、环境检测和多重成像等方面有着不可替代的作用。文章总结了近十年来这三种技术的发展，回顾了它们各自的原理、仪器和在生物成像中的应用，并进行了对比和讨论 （表1）。为了追求更高的灵敏度、分辨率以及快速和多重成像能力，以适应日益增长的生物问题和生物成像需求，文章还讨论了这三种技术的发展方向和潜在的全新应用。
表1. 三种技术的参数及性能对比
图2. 利用振动成像技术解决生物成像的需求
图2演示了如何用各种技术的最新进展来满足振动生物成像中的需求。为了提高灵敏度，人们既可以通过分子工程制备高信号的Raman和IR探针，也可以在光学技术上寻求突破，例如使用电子预共振增强的受激拉曼散射（epr-SRS）、利用近场或等离子共振增强、或检测包含红外信息的高灵敏度荧光信号。为了达到超空间分辨率，人们可以利用基于非线性Raman的饱和/耗尽现象、利用红外光热现象在样品不同区域随时间衰减的特异性、使用扩展显微镜（ExM）中的样品扩展技术或利用原子力显微镜中的针尖增强原理。为了将振动光谱的窄波段优势转化为多重成像能力，人们还可以通过分子工程来合成并使用一系列振动能级各异的生物正交Raman和IR探针。例如，对探针分子或生物分子的某个化学键（氰基、羰基等）进行同位素替代可显著改变该化学键的振动能级，而整个分子的生物活性和功能并不会改变。这一方法对研究动态生物学过程（如细胞代谢）意义重大。随着越来越多技术的涌现，除了生物样品中各化学组分的精细位置分布和动态过程外，人们还可以获得更多有用的分子振动信息，如原位化学环境、电场强度和pH等。
总结/展望
随着对生物体系和机理研究的日益深入，获取精细分子振动信息变得极为重要。相干拉曼散射（CRS）显微镜、中红外光热（MIP）显微镜和力检测红外光热原子力显微镜（AFM+IR）代表了三个正在快速发展的振动成像技术。这三种技术可以提供比荧光更丰富的分子振动信息，并已在生物成像领域得到广泛应用。三种方法对更高灵敏度、更高空间分辨率、以及快速和多重生物成像能力的追求仍在继续。在不久的将来，人们可以期待这三种技术为带来更多技术突破和重大的科学发现。
相关论文发表在高质量期刊 Chemical & Biomedical Imaging 上，加州理工学院王浩民博士为文章的第一作者， 魏璐教授 为通讯作者。该工作收到美国国立卫生研究院基金（DP2 GM140919-01）支持。
通讯作者信息
实验室主页:
https://www.weilab.caltech.edu
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Chem. Biomed. Imaging 2023, ASAP
Publication Date: March 28, 2023
https://doi.org/10.1021/cbmi.3c00004
Copyright © 2023 The Authors. Co-published by Nanjing University and American Chemical Society
关于 Chemical & Biomedical Imaging
Chemical & Biomedical Imaging 将聚焦单分子、单颗粒、单细胞成像以及新型分子影像探针和活体成像新技术、新方法。内容涵盖光学成像、质谱成像、扫描探针显微成像、磁共振成像、核素成像、成像探针和造影剂、用于原位成像的微流控和纳米流体平台、图像处理和数据分析工具等。发表主题包括：单分子成像，生物相互作用和界面的超分辨成像，单细胞超分辨成像，生物体内化学过程的实时可视化，组织器官和全身成像，分子影像探针与造影剂，医学影像技术，疾病诊疗新方法，化学反应与过程的超分辨成像，化学发光和电化学发光成像，纳米材料的分子尺度成像，用于成像的大数据、人工智能和机器学习等。
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