Nature發文報道成像技術重大突破

來自美國哥倫比亞大學的研究人員報道了一種全新的成像技術：電子預共振受激拉曼散射顯微鏡（Electronic Pre-Resonance Stimulated Raman Scattering Microscopy）。這一技術結合了拉曼散射光譜窄（～1 nm）以及熒光分析靈敏度高的優點。研究人員利用這種熒光成像技術，發現了24種顏色各異的探針，展示了多達16種顏色的活細胞成像和8種顏色的腦組織成像。

這一研究成果公布在4月19日的Nature雜誌上，文章的通訊作者是哥倫比亞大學化學系閔瑋教授，閔瑋早年畢業於北京大學，2008年在哈佛大學獲化學博士學位，導師為美國科學院院士謝曉亮教授，之後在其課題組從事博士後研究。閔瑋博士現任哥倫比亞大學化學系終身教授，研究成果多次發表在Nature Method、PNAS等國際學術期刊，因其科學貢獻獲得過很多獎項，其中包括2013年的斯隆研究獎。

近年來，顯微鏡技術在不斷地突破自身的局限。2000年以來興起的超分辨熒光成像技術，已經突破了光學衍射極限。2015年，閔瑋研究組開發出一種新的方法，即基於受激拉曼散射（SRS）成像，可視化單細胞內的葡萄糖攝取活性，並展示了其在肝癌細胞、腫瘤異種移植組織、原代神經元及小鼠腦組織中的應用。這是亞細胞解析度的一個突破。

電子預共振受激拉曼散射是拉曼散射的一種特殊形式。拉曼散射信號通常很微弱，受激拉曼散射通過兩束滿足共振條件泵浦和斯托克斯激光與分子特定振動發生特異性耦合來增強信號。受激拉曼散射和生物成像的結合是由哈佛大學謝曉亮教授首次在Science雜誌報導，閔瑋博士就是其中的主要發明人，謝曉亮教授曾表示，他想在無熒游標記的情況下增加拉曼光譜的靈敏度，甚至來檢測單分子。但是這個項目實在太難了，謝曉亮幾乎無法說服學生們來嘗試，最終是閔瑋接受了挑戰，他與一位德國的研究生Chris Freudiger取得了突破：通過探測受激拉曼散射信號獲得了無需熒游標記的生物醫學顯微圖像。

自此之後，這一技術被廣泛應用在生命分析研究中。電子共振拉曼散射則是另一種增強拉曼信號的方法：當泵浦激光的頻率接近分子的電子能級躍遷頻率（即吸收波長）時，與電子能級躍遷耦合相關的分子振動光譜也被選擇性增強。因此，將電子共振拉曼散射和受激拉曼散射結合，可以極大地提升拉曼信號。

然而當泵浦激光頻率嚴格等於分子的電子能級躍遷頻率時，分子不但會經歷電子共振受激拉曼散射，同時也有其他的泵浦-探測過程干擾檢測信號。在這篇文章中，研究人員發現當泵浦激光頻率略低於分子的電子能級躍遷頻率（實驗發現與分子吸收峰相差2100波數左右）時，可以在實現最大的信號增強的同時，避免檢測背景的干擾。

這項技術就是電子預共振受激拉曼散射，可以將以前普遍使用的無共振的受激拉曼散射信號提升1000倍左右，1毫秒內的對應檢出限在250 nM，從而可以勝任大部分生物分子的成像分析。