基于分子探针的超光谱受激拉曼散射显微成像的研究和应用

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经过一个多世纪的发展,拉曼散射光谱的应用取得了长足的进步,从最开始的自发拉曼散射光谱到表面增强拉曼散射光谱光谱,再到相干反斯托克斯拉曼散射光谱和受激拉曼散射光谱(stimulated Raman scattering,SRS),每一次技术的更新都极大的拓展了其在生物成像方面应用。基于受激拉曼散射光谱的显微成像技术是近十年发展起来的一项全新的显微成像技术。该成像技术的成像对比度源于分子中不同化学键产生拉曼散射过程中的“指纹光谱”,因此这项技术对不同的分子有良好的选择性和特异性。此外,与普通SRS成像技术相比,以飞秒激光为光源的超光谱受激拉曼散射显微镜系统拥有高分辨率和高灵敏度的优点,该方法能在每个成像的像素点处产生一段拉曼光谱,从而区分具有部分重叠的拉曼光谱带的不同分子,同时提供丰富的化学键信息。因此超光谱SRS显微成像技术的应用变成了近几年的研究热点。SRS显微成像技术的发展确实方便了人们对生物代谢过程的了解。因为在生物体的组织和细胞中,组成各种大分子的化学键的差别不是很大,所以,在成像过程中,不同生物分子之间的信号干扰较大,从所得到的图像中分析出的有用信息有限。为了减小或消除这种干扰,研究人员合成了一系列拉曼信号位于细胞拉曼静默区(1800-2800 cm-1)的拉曼探针分子来进行生物成像研究,这些分子主要是炔基修饰的或氘标记的核苷、氨基酸、葡萄糖或各种脂质类化合物的前驱体。结合SRS显微成像技术,这类探针的合成和应用加深了人们对核酸、蛋白质、多糖和脂质这四种常见生物大分子代谢过程的认识。为了获得更高分辨率的图像,研究人员一直在寻求合成具有更强振动信号的新型拉曼探针分子,这些分子大部分都含有一个聚炔结构、其振动光谱线宽大约只有1纳米、拉曼信号强且稳定。同时分子的信号强度与浓度成较好的线性关系,因此,这些探针分子亦可用于对生物体系进行定量或半定量成像分析。在本文中,基于双芳基丁二炔结构,我们合成了一种含有吗啉的具有活细胞溶酶体靶向性功能的拉曼探针Lyso-BADY。拉曼光谱分析表明该分子的拉曼位移为2225 cm-1,且拉曼信号强度是5-乙炔基-2’-脱氧尿苷(5-ethynyl-2’-deoxyuridine,EdU)的28倍。在超光谱SRS显微镜下,通过与商业染料Lyso-Tracker-Red的共定位分析,我们成功观察到了活细胞中溶酶体的分布和状态。进一步的光稳定性实验表明,相比于双光子荧光成像图片,即使在长时间的激光照射后,超光谱SRS成像图片的分辨率也没有改变,这说明活细胞中的Lyso-BADY分子在长时间激光照射后没有分解,并且始终保持着较强的拉曼信号。本文的研究成果丰富并拓展了新型拉曼探针分子和超光谱SRS技术在细胞器层面上了成像应用,对SRS显微成像技术在生物领域的发展有着积极的推动意义。
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