Only Perception: 受激發射顯微術：首度看到先前無法看見的分子

2012-09-20

受激發射顯微術：首度看到先前無法看見的分子

Seeing Previously Invisible Molecules for the First Time
http://www.physorg.com/news175513649.html

October 23rd, 2009

(PhysOrg.com) -- 由哈佛化學家 X. Sunney Xie（謝曉亮）所領導的團隊已開發出一種新的顯微術，能（在不同顏色中）看見具「不可測螢光」的分子。這種室溫技術讓研究者能確認先前在活生物體中無法看見的分子，並在生醫成像與研究中提供廣泛的應用。

研究者的結果發表在 10/22 當期 Nature 上。此計畫的部份資金由 NSF 所提供。

螢光（Fluorescence）是一種現象，在其中，分子裡的某個電子吸收來自光線的能量並移動到較高的能階（即激態）。光的能量包含在一個稱為光子的單元中。

在激態待了非常短的時間後，藉由發射出一個新光子，電子回到原本的能階（即基態）。獲釋光子的能量在可偵測的可見光波長範圍中釋放，持續時間只有幾十億分之一秒。

許多生物學上的重要有色分子，諸如血紅素（在紅血細胞中的輸氧蛋白）吸收光但不會發出螢光。相反的，在這些分子中的電子，將之轉換成熱，藉此釋出其額外但短暫的能量。

"因為這些分子並不會發出螢光，它們完全被現代光學顯微術所忽略，" Xie 表示。

為了在生物系統中偵測非螢光分子，Xie 及其團隊基於受激發射（stimulated emission）開發出新型顯微術。

受激發射首度由 Albert Einstein（愛因斯坦）於 1917 年描述，而且成為今日雷射的基礎。總括來說，那是一種過程，一個激態電子（受具有正確能量的光子所擾動），藉此落回其基態，產生了一個額外的光子。

Xie 的新顯微術，藉由二種仔細掌握時機的輸入與輸出脈衝串（pulse trains），來產生並記錄一種受激發射訊號。在輸入脈衝串中，一個調變器以 5 MHz 的頻率，使激發射束的強度在 on 與 off 之間切換。此調變在相同的頻率上創造出一種受激發射訊號。每個脈衝串具有令人難以置信的、大約 200 飛秒（femtoseconds）的短暫脈衝持續時間（pulse duration）。一飛秒等於 10^-15 秒。

非螢光分子所產生的訊號，提供先前「不可見」分子的高感度影像。

這些科學家的創新的其中幾種可能應用之一是，以彩色方式測繪「將非螢光藥物傳遞到其目標細胞」的過程。另一種可能性是讓細微結構成像，諸如包含各個紅血球的血管與單根毛細血管。（詳見原站影像）

血管的結構與血紅素動態（hemoglobin-dynamics）在許多生醫過程中扮演主要角色。二個例子是：腫瘤從蟄伏狀態轉變到惡性狀態，以及氧在腦中的傳遞。

目前已確立的成像技術，例如 MRIs 與 CT 掃描，不是缺乏解析個別毛細血管所需要的空間解析度，就是需要額外的顯影劑。

為觀察生物分子的活動以及區分細胞中的目標分子，螢光標籤，如綠螢光蛋白（GFP）被密集使用。GFP 標記技術提供清晰可辨的影像。但這種笨重的蛋白質會擾亂精巧的生物路徑，尤其是那些比它還小的生物分子。

Xie 的團隊測繪了非螢光藥物分子的傳遞，並在無螢光標記的情況下，將血管成像。

他們的新技術也能夠使活大腸桿菌細胞內的非螢光蛋白質成像。

"雖然早期的研究使用類似的激發探測（pump-probe）實驗來提供螢光分子的影像，其空間解析度與共軛焦（Confocal）螢光顯微術相當，且具有高時間解析度，不過這項研究，卻是首度使用受激發射顯微術使非螢光分子成像，" Zeev Rosenzweig 說， NSF 化學部門的計畫主管。

然而，潛在的光損害，以及此系統的複雜與花費，都仍需要解決以獲得廣泛的應用性，"毫無疑問地，這項研究提供一種獨特方法，使一堆利用今日最先進的光學顯微術，都仍難以見到的分子能夠成像，" Rosenzweig 提到。

"這只是個開端，" Xie 補充。"這種新成像形式的許多有趣應用即將到來。"

※ 相關報導：

＊ Imaging chromophores（發色團） with undetectable fluorescence by stimulated emission microscopy
http://www.nature.com/nature/journal/v461/n7267/full/nature08438.html

Wei Min, Sijia Lu, Shasha Chong, Rahul Roy, Gary R. Holtom &
X. Sunney Xie
Nature 461, 1105-1109 (22 October 2009)
doi: 10.1038/nature08438

....Here we use stimulated emission, which competes effectively with the nonradiative decay, to make the chromophores detectable, and report a new contrast mechanism for optical microscopy. In a pump–probe experiment, on photoexcitation by a pump pulse, the sample is stimulated down to the ground state by a time-delayed probe pulse, the intensity of which is concurrently increased. We extract the miniscule intensity increase with shot-noise-limited sensitivity by using a lock-in amplifier and intensity modulation of the pump beam at a high megahertz frequency. The signal is generated only at the laser foci owing to the nonlinear dependence on the input intensities, providing intrinsic three-dimensional optical sectioning capability.