2017中国光学重要成果推荐
 

生物系统，如细胞、模式生物等，具有复杂的三维结构和化学组分。借助于荧光标记技术，人们可以用三维影像的方式直观地展示复杂生物系统中化学组分的空间分布，动态观测其功能特性与变化，这对于全面理解和研究复杂生物系统具有重要意义。然而，用于荧光标记的荧光染料可能会影响生物系统的生物功能，还会带来诸如靶向非特异性、细胞毒性、光漂白等问题。

 

西安电子科技大学陈雪利副教授和美国普渡大学程继新教授（通讯作者）实验室合作，发展了一种新型的容积化学成像(volumetric chemical imaging)方法：受激拉曼投影成像技术(stimulated Raman projection, SRP)，并借此技术实现了对复杂生物系统的快速、定量、三维免标记分子显微成像。相关成果以Volumetric Chemical Imaging by Stimulated Raman Projection Microscopy and Tomography为题于2017年4月24日发表在Nature Communications [8, 15117 (2017)]上。

 

 

图1 基于受激拉曼散射现象的容积成像模态。(a) 基于已有高斯光束受激拉曼显微镜的层析成像方法；(b) 基于贝塞尔光束的受激拉曼投影显微成像方法；(c) 基于贝塞尔光束的受激拉曼投影断层成像方法。

 

受激拉曼投影成像利用一对贝塞尔光束代替传统受激拉曼散射显微镜中的高斯光束作为激发源照射样品。相比于高斯光束，贝塞尔光束可以在较长的一段距离内保持聚焦状态，因此可以在一段细长的圆柱聚焦体积内(直径：亚微米-微米，长度：几百微米-毫米)产生受激拉曼信号。

 

通过在样本后收集受激拉曼信号沿光束传播方向的累积信号，同时结合二维平面扫描技术、断层成像技术和样本旋转技术，该研究团队建立了受激拉曼投影显微和断层成像方法，可快速地定量三维体积内的化学成分及其分布信息。

 

 

图2 (a) 高斯光束受激拉曼显微镜获取的单个脂肪细胞不同深度上的切片图像；(b) 50张切片图像的叠加图像；(c) 受激拉曼投影显微成像方法获取的同一个脂肪细胞容积图像，包含了整个细胞中的脂肪含量分布；(d) 拉曼共振偏移情况下的受激拉曼投影显微图像。

 

图3 单个脂肪细胞的受激拉曼投影断层成像

 

得益于贝塞尔光束的长聚焦距离和焦点自我修复特性，受激拉曼投影成像技术更适合于深度组织成像，在大尺度样本成像中具有优越的定量能力和快速的三维成像能力。这一技术有望突破已有显微成像技术在样本尺度上的瓶颈，在研究细胞新陈代谢、脑功能、发育生物学等领域具有重要应用价值；有望实现避免采集血液样本进行药物测试或靶标筛选，从而实现非侵入式的早期疾病诊断。