När mikroskop kämpar för att fånga svaga signaler är det som att försöka upptäcka subtila detaljer i en målning eller fotografi utan dina glasögon. För forskare gör detta det svårt att fånga de små sakerna som händer i celler eller andra material. I ny forskning skapar Boston University Moustakas ordförande professor i fotonik och optoelektronik, Dr Ji-Xin Cheng, och medarbetare mer avancerade tekniker för att göra mikroskop bättre på att se små provdetaljer utan att behöva speciella färgämnen.
Deras resultat, publicerade i Nature Communications och vetenskapliga framsteg hjälper forskare att visualisera och förstå sina prover på ett enklare sätt och med större noggrannhet.
I den här frågan och svaren fördjupar Dr. Cheng, som också fungerar som professor vid flera avdelningar vid BU—biomedicinsk teknik, el- och datorteknik, kemi och fysik—i resultaten som avslöjats i båda forskningsartiklarna. Han lyfter fram det arbete han och hans team för närvarande har på gång, och ger en omfattande förståelse för hur dessa upptäckter kan påverka mikroskopiområdet och potentiellt påverka framtida vetenskapliga tillämpningar.
Du och dina forskare publicerade nyligen två artiklar om mikroskopi i Nature Communications och vetenskapliga framsteg . Vilka är de primära resultaten av varje papper?
Dessa två artiklar syftar till att ta itu med en grundläggande utmaning inom det växande fältet av vibrationsavbildning som öppnar ett nytt fönster för biovetenskap och materialvetenskap. Utmaningen är hur man kan tänja på detektionsgränsen så att vibrationsavbildning är lika känslig som fluorescensavbildning så att vi kan visualisera målmolekyler vid mycket låga koncentrationer (mikromolär till nanomolär) på ett färgämnesfritt sätt.
Vår innovation för att ta itu med denna grundläggande utmaning är att använda fototermisk mikroskopi för att detektera de kemiska bindningarna i ett prov. Efter excitation av kemiska bindningsvibrationer försvinner energin snabbt till värme, vilket orsakar en temperaturhöjning. Denna fototermiska effekt kan mätas med en sondstråle som passerar genom fokus.
Vår metod skiljer sig fundamentalt från koherent Raman-spridningsmikroskopi, en höghastighetsvibrationsplattform som beskrivs i min vetenskapsöversikt 2015. Tillsammans har vi etablerat en ny klass av kemisk avbildningsverktygslåda, kallad vibrationsfototermisk mikroskopi eller VIP-mikroskopi.
I Nature Communications papper, har vi utvecklat ett bredfälts mellaninfrarött fototermiskt mikroskop för att visualisera det kemiska innehållet i en signalviruspartikel. I Science Advances papper har vi utvecklat ett nytt fototermiskt vibrationsmikroskop som är baserat på den stimulerade Raman-processen.
Utvecklingen av SRP-mikroskopi var oväntad. Vi trodde aldrig att Raman-effekten var tillräckligt stark för fototermisk mikroskopi, men våra tankar ändrades i augusti 2021. För att fira min 50-årsdag anordnade jag och mina elever en fest med sporttema. Under festligheterna, Yifan Zhu, den första författaren till Science Advances papper, ådrog sig tyvärr en skada, vilket ledde till att hans läkare rekommenderade en tvåmånadersperiod med begränsad rörlighet.
Under hans tillfrisknande bad jag honom att göra en beräkning av temperaturökningen i fokus för ett SRS-mikroskop (stimulerad Raman-spridning). Genom denna olycka hittade vi en starkt stimulerad Raman fototermisk (SRP) effekt. Yifan och andra studenter ägnade sedan två år åt utvecklingen. Så här uppfanns SRP-mikroskopi.
Visst, ingenting är perfekt. Vid SRP-mikroskopi fann vi att varje stråle kan ha absorption, vilket orsakar en svag icke-Raman-bakgrund i SRP-bilden. Vi utvecklar ett nytt sätt att ta bort denna bakgrund.
Metoderna som rapporteras i dessa två artiklar är komplementära. WIDE-MIP-metoden är bra för att detektera IR-aktiva bindningar, medan SRP-metoden är känslig för Raman-aktiva bindningar.
Ja verkligen. Dessa två papper tillsammans indikerar en ny klass av kemisk mikroskopi som kallas vibrationsfototermisk mikroskopi eller VIP-mikroskopi. VIP-mikroskopi erbjuder ett mycket känsligt sätt att undersöka specifika kemiska bindningar; sålunda kan vi använda dem för att kartlägga molekyler med mycket låga koncentrationer utan färgämnesmärkning.
Vi har lämnat in provisoriska patent för båda teknologierna via BU:s teknikutvecklingskontor. Minst två företag är intresserade av kommersialisering av SRP-tekniken och ett av dem är också intresserad av WIDE-MIP-tekniken.
I WIDE-MIP-artikeln tillhandahålls virusproverna av John Connor, en docent i mikrobiologi vid BU:s nationella laboratorier för nya infektionssjukdomar. WIDE-MIP-teknikutvecklingen sker i samarbete med Selim Ünlü, professor i elektro- och datateknik vid BU:s Ingenjörshögskola. Detta är alltså ett samarbete inom Boston University.
Mer information: Qing Xia et al, Fingeravtryck av enstaka virus genom bredfältsinterferometrisk defokusförstärkt mellaninfraröd fototermisk mikroskopi, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42439-4
Yifan Zhu et al, Stimulated Raman photothermal microscopy toward ultrasensitive chemical imaging, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi2181
Journalinformation: Nature Communications , Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Boston University
