Spørgsmål og svar:Afsløring af en ny æra inden for billeddannelse - ingeniører fører banebrydende mikroskopiteknikker

Når mikroskoper kæmper for at opfange svage signaler, er det som at prøve at se subtile detaljer i et maleri eller fotografi uden dine briller. For forskere gør det det svært at fange de små ting, der sker i celler eller andre materialer. I ny forskning skaber Boston University Moustakas professor i fotonik og optoelektronik, Dr. Ji-Xin Cheng, og samarbejdspartnere mere avancerede teknikker til at gøre mikroskoper bedre til at se små prøvedetaljer uden brug af specielle farvestoffer.

Deres resultater, offentliggjort i Nature Communications og videnskabelige fremskridt hjælper videnskabsmænd med at visualisere og forstå deres prøver på en lettere måde og med mere nøjagtighed.

I denne Q&A dykker Dr. Cheng, der også fungerer som professor i flere afdelinger på BU – biomedicinsk teknik, elektro- og computerteknik, kemi og fysik – ind i resultaterne afdækket i begge forskningsartikler. Han fremhæver det arbejde, han og hans team i øjeblikket har i gang, og giver en omfattende forståelse af, hvordan disse opdagelser kan påvirke mikroskopiområdet og potentielt påvirke fremtidige videnskabelige anvendelser.

Du og dine forskningssamarbejdspartnere har for nylig offentliggjort to artikler om mikroskopi i Nature Communications og videnskabelige fremskridt . Hvad er de primære resultater af hvert papir?

Disse to artikler sigter mod at adressere en grundlæggende udfordring inden for det stigende felt af vibrationsbilleddannelse, der åbner et nyt vindue for biovidenskab og materialevidenskab. Udfordringen er, hvordan man kan skubbe detektionsgrænsen, så vibrationsbilleddannelse er lige så følsom som fluorescensbilleddannelse, så vi kan visualisere målmolekyler i meget lave koncentrationer (mikromolær til nanomolær) på en farvestoffri måde.

Vores innovation til at løse denne grundlæggende udfordring er at implementere fototermisk mikroskopi for at detektere de kemiske bindinger i en prøve. Efter excitation af kemiske bindingsvibrationer spredes energien hurtigt til varme, hvilket forårsager en temperaturstigning. Denne fototermiske effekt kan måles af en sondestråle, der passerer gennem fokus.

Vores metode er fundamentalt forskellig fra sammenhængende Raman-spredningsmikroskopi, en højhastigheds-vibrationsbilleddannelsesplatform beskrevet i min videnskabelige gennemgang fra 2015. Sammen har vi etableret en ny klasse af kemisk billeddannelsesværktøjskasse, kaldet vibrationsfototermisk mikroskopi eller VIP-mikroskopi.

I Nature Communications papir, har vi udviklet et bredfelt midt-infrarødt fototermisk mikroskop til at visualisere det kemiske indhold af en signalviruspartikel. I Videnskabelige fremskridt papir, har vi udviklet et nyt vibrationsfototermisk mikroskop, der er baseret på den stimulerede Raman-proces.

Var der nogen uventede eller overraskende resultater i begge papirer? Hvis ja, hvordan udfordrer disse resultater eksisterende viden eller teorier omkring mikroskopi?

Udvikling af SRP-mikroskopi var uventet. Vi troede aldrig på, at Raman-effekten var stærk nok til fototermisk mikroskopi, men vores tanker skiftede i august 2021. For at fejre min 50-års fødselsdag organiserede mine elever og jeg en fest med sportstema. Under festlighederne, Yifan Zhu, den første forfatter til Science Advances papir, pådrog sig desværre en skade, hvilket førte til, at hans læge anbefalede en periode på to måneder med begrænset mobilitet.

Under sin bedring bad jeg ham om at køre en beregning af temperaturstigning i fokus på et SRS-mikroskop (stimuleret Raman-spredning). Gennem denne ulykke fandt vi en stærk stimuleret Raman fototermisk (SRP) effekt. Yifan og andre studerende brugte derefter to år på udviklingen. Sådan blev SRP-mikroskopi opfundet.

Indikerede papirerne nogen begrænsninger eller huller i deres resultater? Hvordan kan disse begrænsninger påvirke de overordnede implikationer af forskningen?

Bestemt, intet er perfekt. Ved at forfølge SRP-mikroskopi fandt vi ud af, at hver stråle kan have absorption, hvilket forårsager en svag ikke-Raman-baggrund i SRP-billedet. Vi er ved at udvikle en ny måde at fjerne denne baggrund på.

Kompletterer eller modsiger resultaterne af det ene papir resultaterne af det andet? Hvordan forholder de sig til hinanden?

Metoderne rapporteret i disse to papirer er komplementære. WIDE-MIP-metoden er god til at detektere IR-aktive bindinger, mens SRP-metoden er følsom over for Raman-aktive bindinger.

Foreslår artiklerne nye retninger for fremtidig mikroskopiforskning, som kan have betydelige langsigtede implikationer?

Ja bestemt. Disse to papirer indikerer tilsammen en ny klasse af kemisk mikroskopi betegnet som vibrationsfototermisk mikroskopi eller VIP-mikroskopi. VIP-mikroskopi tilbyder en meget følsom måde at sondere specifikke kemiske bindinger på; således kan vi bruge dem til at kortlægge molekyler med meget lave koncentrationer uden farvestofmærkning.

Er disse billeddannelsesteknologier tilgængelige i øjeblikket eller bliver de brugt af andre forskere uden for dit laboratorium?

Vi har indgivet foreløbige patenter for begge teknologier via BU's teknologiudviklingskontor. Mindst to virksomheder er interesserede i kommercialisering af SRP-teknologien, og en af ​​dem er også interesseret i WIDE-MIP-teknologien.

Hvem er dine vigtigste forskningssamarbejdspartnere?

I WIDE-MIP papiret er virusprøverne leveret af John Connor, en lektor i mikrobiologi ved BU's National Emerging Infectious Diseases Laboratories. WIDE-MIP teknologiudviklingen er i samarbejde med Selim Ünlü, professor i elektro- og computerteknik ved BU's Ingeniørhøjskole. Dette er således et samarbejde inden for Boston University.

Flere oplysninger: Qing Xia et al., Single virus fingerprinting ved widefield interferometrisk defokus-forstærket melleminfrarød fototermisk mikroskopi, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42439-4

Yifan Zhu et al., Stimuleret Raman fototermisk mikroskopi mod ultrasensitiv kemisk billeddannelse, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi2181

Journaloplysninger: Nature Communications , Videnskabelige fremskridt

Leveret af Boston University