2017中國光學重要成果推薦
 

生物系統(tǒng)，如細胞、模式生物等，具有復雜的三維結構和化學組分。借助于熒光標記技術，人們可以用三維影像的方式直觀地展示復雜生物系統(tǒng)中化學組分的空間分布，動態(tài)觀測其功能特性與變化，這對于全面理解和研究復雜生物系統(tǒng)具有重要意義。然而，用于熒光標記的熒光染料可能會影響生物系統(tǒng)的生物功能，還會帶來諸如靶向非特異性、細胞毒性、光漂白等問題。

 

西安電子科技大學陳雪利副教授和美國普渡大學程繼新教授（通訊作者）實驗室合作，發(fā)展了一種新型的容積化學成像(volumetric chemical imaging)方法：受激拉曼投影成像技術(stimulated Raman projection, SRP)，并借此技術實現(xiàn)了對復雜生物系統(tǒng)的快速、定量、三維免標記分子顯微成像。相關成果以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的一段距離內保持聚焦狀態(tài)，因此可以在一段細長的圓柱聚焦體積內(直徑：亞微米-微米，長度：幾百微米-毫米)產生受激拉曼信號。

 

通過在樣本后收集受激拉曼信號沿光束傳播方向的累積信號，同時結合二維平面掃描技術、斷層成像技術和樣本旋轉技術，該研究團隊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的化學成分及其分布信息。

 

 

圖2 (a) 高斯光束受激拉曼顯微鏡獲取的單個脂肪細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脂肪細胞容積圖像，包含了整個細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 單個脂肪細胞的受激拉曼投影斷層成像

 

得益于貝塞爾光束的長聚焦距離和焦點自我修復特性，受激拉曼投影成像技術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。這一技術有望突破已有顯微成像技術在樣本尺度上的瓶頸，在研究細胞新陳代謝、腦功能、發(fā)育生物學等領域具有重要應用價值；有望實現(xiàn)避免采集血液樣本進行藥物測試或靶標篩選，從而實現(xiàn)非侵入式的早期疾病診斷。