受激拉曼光热显微镜提供的超灵敏化学成像。图片由Xiaowei Ge提供。

—— Cheng及其团队在振动成像^[1]领域取得了重大进展

当显微镜难以捕捉到微弱的信号时，就像不戴眼镜就想在一幅画或一张照片中发现细微的细节一样。对于研究人员来说，这使得他们很难捕捉到细胞或其他材料中发生的细微变化。在一项新的研究中，波士顿大学光子学与光电子学讲座教授Ji-Xin Cheng（ECE，BME，MSE）及其合作者正在创造更先进的技术，使显微镜能够在不需要特殊染料的情况下更好地观察微小样品的细节。他们的研究成果分别发表在《自然-通讯》（Nature Communications）和《科学进展》（Science Advances）上，帮助科学家以更轻松、更准确地观察和了解他们的样品。

在这个问答中，Cheng深入探讨了两篇研究论文中的发现，重点介绍了他和他的团队目前正在开展的工作，并全面阐述了这些发现将如何影响显微镜领域，并有可能影响未来的科学应用。

您和您的研究合作者最近在《自然通讯》和《科学进展》上发表了两篇关于显微镜的论文，这两篇论文的主要发现是什么？

这两篇论文旨在解决振动成像这一新兴领域的一个根本性挑战，该领域为生命科学和材料科学打开了一扇新的窗口。挑战在于如何突破检测极限，使振动成像与荧光成像一样灵敏，从而使我们能够以不使用染料的方式观察极低浓度（微摩尔至纳摩尔）的目标分子。为应对这一根本性挑战，我们的创新之举是利用光热显微镜来检测样品中的化学键。激发化学键振动后，能量迅速消散成热量，导致温度升高。这种光热效应可通过穿过焦点的探针光束进行测量。

我们的方法与相干拉曼散射显微镜有本质区别，相干拉曼散射显微镜是我在2015年科学评论中描述的一种高速振动成像平台。我们共同建立了一类新的化学成像工具箱，称为振动光热显微镜，或VIP显微镜。在《自然-通讯》的论文中，我们开发了一种宽视场中红外光热显微镜，用于观察信号病毒粒子的化学成分。在《科学进展》论文中，我们开发了一种基于受激拉曼过程（SRP）的新型振动光热显微镜。

这两篇论文中是否有出乎意料或令人惊讶的结果？如果有，这些结果是如何挑战有关显微镜的现有知识或理论？

SRP显微镜的发展出乎意料。我们从未相信拉曼效应对光热显微镜来说足够强大，但我们的想法在2021年8月发生了转变。为了庆祝我的50岁生日，我和我的学生们组织了一个体育主题聚会。在庆祝活动中，《科学进展》论文的第一作者Yifan Zhu不幸受伤，医生建议他限制行动两个月。在他康复期间，我请他计算了SRS（受激拉曼散射）显微镜焦点处的温升。通过这次意外，我们发现了强烈的受激拉曼光热（SRP）效应。随后，Yifan和其他学生花了两年时间研发。这就是SRP显微镜的发明过程。

这些论文是否指出了其研究结果的局限性或不足之处？这些局限性会如何影响研究的整体意义？

当然，没有什么是完美的。在研究SRP显微镜时，我们发现每束光都可能有吸收，从而导致SRP图像中出现微弱的非拉曼背景。我们正在开发一种去除这种背景的新方法。

一篇论文的研究结果与另一篇论文的研究结果相互补还是相互矛盾？它们之间有什么关系？

这两篇论文所报道的方法是互补的。WIDE-MIP方法擅长检测红外活性键，而SRP方法则对拉曼活性键敏感。

这些论文是否为未来的显微镜研究提出了可能具有重大长远影响的新方向？

是的，确实如此。这两篇论文共同揭示了一类新型化学显微技术，被称为振动光热显微技术或VIP显微技术。VIP显微镜提供了一种非常灵敏的探测特定化学键的方法。因此，我们可以利用它来绘制浓度极低的分子图，而无需染料标记。

您实验室以外的其他研究人员目前是否可以使用或正在使用这些成像技术？

我们已通过波士顿大学的技术开发办公室为这两项技术申请了临时专利。至少有两家公司对SRP技术的商业化感兴趣，其中一家也对WIDE-MIP技术感兴趣。

您的主要研究合作者是谁？

在WIDE-MIP的论文中，病毒样本由波士顿大学国家新发传染病实验室微生物学副教授John Connor提供。WIDE-MIP技术开发是与波士顿大学工程学院电子与计算机工程教授Selim ünlü合作进行的。因此，这是波士顿大学内部的一项合作工作。

注：

[1] vibrational imaging，振动成像，主要是拉曼光谱成像。红外光谱（Infrared spectrometry）和拉曼光谱（Raman spectrometry）同属于分子振动光谱，红外光谱是吸收光谱，拉曼光谱是散射光谱。拉曼光谱成像是一种无损的分析技术，它是基于光和材料内化学键的相互作用而产生的，可以提供样品化学结构、相和形态、结晶度以及分子相互作用的详细信息。更多信息可参考 《一文带你看懂拉曼光谱》和 《拉曼or红外光谱，你真的分清了吗？》。

BMEN202312160001
来源：Boston University College of Engineering
标题：Unveiling a New Era of Imaging: BU Engineers Lead Breakthrough Microscopy Techniques