物理学系季敏标课题组合作研究实现可逆光开关的拉曼散射成像
发布时间: 2021-05-27     文章作者:     访问次数: 10

近日,我系季敏标教授课题组与南方科技大学吴长锋教授课题组合作,通过在二芳基乙烯母体分子中引入炔基,设计出一类具有光敏特性的拉曼探针,实现了可控开关的受激拉曼散射成像。相关研究成果以《基于光致变色振动探针的光开关受激拉曼散射显微镜(“Switchable stimulated Raman scattering microscopy with photochromic vibrational probes”为题在线发表于《自然··通讯》[Nat Commun 12, 3089 (2021)]。我系博士生敖建鹏为论文第一作者,南方科技大学博士后房晓峰为共同第一作者,季敏标教授与吴长锋教授为通讯作者。韩国高丽大学Sungnam Park教授课题组为理论计算提供了帮助。该工作得到了国家自然科学基金、国际人类表型组计划、复旦大学和应用表面物理国家重点实验室等支持。

受激拉曼散射SRS显微术利用受激辐射原理将微弱的拉曼信号放大数个量级,可实现快速的振动光谱成像。最初,SRS以快速、免标记和本征三维化学组分分析的优点在显微成像领域备受青睐。然而,内源分子的拉曼光谱交叠严重且活性较弱,使得传统SRS显微镜的灵敏度与特异性有所限制,阻碍了其在分子、细胞生物学中的应用。为此,目前已经有专门的基于炔基、氰基的拉曼探针被开发并用于SRS,打破了荧光显微成像中难以逾越的“多色复用壁垒”,展现了这些生物正交拉曼探针对比荧光标记分子所具备的窄峰宽、无漂白、信源结构小而对目标分子干扰小等优势。然而,局域化学键的振动一般具有很好的光稳定性,虽然这常常是优点但却阻碍了拉曼探针获得荧光分子的诸多特性,如随机发光、光饱和性及光开关性等,正是这些性质是荧光显微跨向超分辨时代的关键环节。

为了突破这一难题,合作团队提出设想:利用可逆光异构化的分子偶联上拉曼探针,实现对异构化敏感的拉曼光谱响应。他们首先想到将常用的拉曼探针——炔基引入光异构母体分子中。二芳基乙烯DTE是一类优良的可逆光异构化分子,在紫外光/可见光的照射下,能够产生闭环/开环响应。当炔基连接在二芳基乙烯的两侧,三键的振动性质将由于闭环/开环的共轭结构改变发生变化。SRS实验中发现,分子从开环态向闭环态转变时,炔基伸缩振动模的拉曼峰位会发生红移,该现象通过DFT计算得到验证。因此,将SRS成像的共振拉曼峰固定在红移之后的峰位位置,通过紫外/可见光的交替照射可以将SRS图像在亮/暗之间转变,从而实现可逆光开关的SRS成像。

1a)拉曼光活性分子结构式及其在紫外/可见光照射下发生的闭环/开环转变;(b)拉曼光活性分子在紫外/可见光照射下的SRS光谱响应;(c)交替照射紫外、可见光时2194cm-1通道的受激拉曼信号出现开关特性。


为了展示这项新型技术的应用前景,他们将分子匀涂成PMMA薄膜,并通过可编程振镜控制紫外/可见光在薄膜上随意写出/擦除文字等信息。之后,他们还将分子做了进一步修饰,使之能够特异性靶向活细胞中的线粒体,在细胞甚至亚细胞层面实现了可逆的SRS光开关成像。

2aPMMA薄膜上通过振镜控制光进行手动书写的“复旦”字样;(b)光控可逆点亮/擦除喂食过光活性分子的HeLa细胞


这项研究为开发具有光开关性质的振动光谱探针提供了新思路,为光开关受激拉曼散射显微成像技术的提供可行性基础,拓展了SRS的应用范围,也为进一步实现具备超多色复用的远场超分辨拉曼显微打下铺垫。

季敏标教授课题组主要从事非线性光谱学和显微成像技术研发,并将它们用于生物医学光子学应用研究和新型材料的光电性质基础研究。在生物医学光子学领域主要发展用于肿瘤组织的快速无标记病理检测方法和脂质代谢等生物医学问题;在材料学领域主要研究新型二维材料的超快载流子和声子动力学问题等。



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