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大咖講堂 | 相干拉曼散射顯微術Ⅰ

發布時間:2019-11-29 16:15:49

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“一花一世界”,這句充滿禪意的話在微觀視野中得到完美詮釋。而構成世間萬千紛繁的原子由化學鍵聯合為分子,不同的分子往往具有特異性的化學鍵振動,成為它們的指紋特征。相干拉曼散射(Coherent Raman Scattering,CRS)顯微術便是通過探測目標分子的特征振動來提供成像所需的襯度, 同時基于非線性光學過程大大增強拉曼散射的信號,提高成像速率以及檢測靈敏度的新型顯微技術[1][2]


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▲水分子的三種振動模式示意



常見的光譜學手段按躍遷類型可分為兩大類:電子光譜和振動光譜。電子光譜涉及電子在不同能級間的躍遷(如吸收光譜和熒光光譜等);振動光譜則作用于化學鍵或聲子的振動(如紅外吸收譜和拉曼散射譜)。如果把電子光譜比作靜如處子但威力強大的內功;振動光譜則好似動如脫兔、招式鮮明的外家拳(見水分子振動示意圖)。紅外譜為直接共振吸收,信號很強但波長較長(中遠紅外),不利于含水環境的高分辨生物成像;我們通常講的拉曼散射指自發拉曼散射過程,信號非常弱(比熒光低 8-10 個數量級),無法用于快速成像。相干拉曼是增強拉曼的手段之一,利用短脈沖激光的非線性效應實現增強,具有獨特的優勢和應用前景。

 

簡單概括,相干拉曼散射顯微術具有如下優點

 


  1. 免標記和分子特異性:CRS 成像的信號來源于目標分子本身,無需外源標記物,也避開了藥物小分子等不易標記的問題,在活體(in vivo)觀測上更具有優勢;可對具有不同拉曼譜的分子進行選擇性成像,比如生物樣品里常見的脂質、蛋白、核酸和糖類等(如圖 1);

  2. 較高的探測靈敏度:相比于自發拉曼,成像速度一般有 3-5 個數量級的提升,一定條件下可實現視頻成像速度(每秒幾十幀);

  3. 光學層析和三維掃描:類似多光子顯微鏡的光學層析和三維成像功能;且由于所用的激發波長一般在近紅外,有較好的穿透深度和更小的光毒性。



根據非線性光學過程的不同,可將相干拉曼散射分為兩種:相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering,CARS)和受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)。雖然這兩種非線性光學現象很早就被發現(上世紀 60 年代),但長期僅作為光譜學測量手段,直到 1999 年以及 2008 年,哈佛大學謝曉亮教授才分別將它們以實用顯微成像技術推廣開來[4][5]


自發與相干拉曼散射的能級示意圖見圖 2。自發拉曼只需要一束激發光,稱為泵浦光(ωp),泵浦光子與分子發生非彈性碰撞,將部分能量轉移給分子振動。因此散射出來的光相對于泵浦光將發生一系列的頻率紅移,稱為斯托克斯光(ωs),對應到光譜儀中的一系列譜峰,成為該分子的指紋特征。泵浦和斯托克斯光子的頻率差正好共振于化學鍵的振動頻率(Ω=ωps),滿足能量守恒。對于相干拉曼散射,需將泵浦和斯托克斯這兩束激光同時作用于分子,當它們的頻率差(拍頻)共振于某個化學鍵的振動時,大量分子的同一個振動模式將被同步(相干地)激發起來,使得散射效率得到大大地增強。最終表現為:泵浦光減弱(受激拉曼損失,SRL)、斯托克斯光增強(受激拉曼增益,SRG),并且出現反斯托克斯(ωas=2ωp-ωs)的新頻率分量(CARS)。自發拉曼散射與熒光、吸收等同屬線性光學范疇,一般使用連續激光即可。相干拉曼與雙光子熒光、二次諧波等都屬非線性光學范疇,需使用超短脈沖激光。最常見的用于相干拉曼的光源是皮秒光參量振蕩器(OPO),輸出兩路皮秒光,一束波長固定(如 1064nm),另一束波長在近紅外區間可調,它們分別作為斯托克斯和泵浦光。調節激光波長使得我們可以改變待測拉曼頻率,選擇性地去探測不同的化學鍵/分子。


CARS 與 SRS 雖然都是三階非線性光學過程,它們之間有明顯的區別:CARS 是個四波混頻過程,產生的光子具有第三種頻率——反斯托克斯光子 ωas,因此只需采用合適的濾波片就可以簡單地提取出來;而 SRS 是泵浦和斯托克斯光之間的相互轉化過程,泵浦光子的湮滅和斯托克斯光子的產生同時發生,但沒有產生第三種光子;因此,通常用泵浦-探測技術中常見的調制解調的方式來提取信號,需要借助鎖相放大器來實現。CARS 顯微成像技術自 1999 年被發明以來,一直受困于非共振背景信號的干擾,典型的表現為光譜發生畸變(圖 3)。在苦苦求索了近 10 年之后,謝教授課題組于 2008 年推出了 SRS 技術,完美地解決了上述問題。CARS 過程中能量被封鎖于電磁場/光子中,電子躍遷可繞過分子振動直接通過虛能級產生;而 SRS 的發生依賴于光子能量與分子振動之間的交換,具有嚴格的共振吸收特征。因此 SRS 在光譜上與自發拉曼一致(圖 3),在圖像上也不再受非共振背景的困擾(圖 4)。此外,SRS 的信號與分子濃度呈線性關系,更方便于定量解析復雜混合物體系中的各種化學成分。也因為這些特性,SRS 不斷獲得研究者們的青睞。



綜上,CARS 與 SRS 都可以基于生物體中核酸、脂質和蛋白等物質自身的 Amide I、CH2、CH3 等化學鍵進行特異性成像。由于其免標記、高分辨率、快速成像以及三維掃描的優點,CRS 在病理檢測、生物代謝、藥物運輸等方面具有廣泛應用。具體的應用部分將在下一課堂詳細講解。

 



下面讓我們先開啟幾個 CRS 的成像結果

 




參考文獻:


1.Alfonso-Garcia, A., Mittal, R., Lee, E. S. & Potma, E. O. Biological imaging with coherent Raman scattering microscopy: a tutorial. J Biomed Opt 19, 71407,

doi:10.1117/1.JBO.19.7.071407 (2014)

 


2.Cheng, J. X. & Xie, X. S. Vibrational spectroscopic imaging of living systems: An emerging platform for biology and medicine. Science350,aaa8870,

doi:10.1126/science.aaa8870 (2015).


3.He, R. et al. Dual-phase stimulated Raman scattering microscopy for real-time two-color imaging. Optica 4,

doi:10.1364/optica.4.000044 (2016).


4.Zumbusch, A., Holtom, G. R. & Xie, X. S. Three-Dimensional Vibrational Imaging by Coherent Anti-Stokes Raman Scattering. Physical Review Letters 82, 4142-4145,

doi:10.1103/PhysRevLett.82.4142 (1999).


5.Freudiger, C. W. et al. Label-free biomedical imaging with high sensitivity by stimulated Raman scattering microscopy.Science 322, 1857-1861,

doi:10.1126/science.1165758 (2008).


6.Wang, M. C., Min, W., Freudiger, C. W., Ruvkun, G. & Xie, X. S. RNAi screening for fat regulatory genes with SRS microscopy.Nat Methods 8, 135-138,

doi:10.1038/nmeth.1556 (2011).


7.Lu et al., Label-free DNA imaging in vivo with stimulated Raman scattering microscopy. Proc Natl Acad Sci U S A 112, E5902,

doi:10.1073/pnas.1515121112 (2015).


8.Ji, M. et al. Rapid, label-free detection of brain tumors with stimulated Raman scattering microscopy.Science translational medicine 5, 201ra119,

doi:10.1126/scitranslmed.3005954 (2013).




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