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.

超高解析度的螢光顯微術讓你看清細胞結構
光之聲:創新技術破除光學顯微術的障礙
林政鞍奈米生醫大突破
顯微鏡看世界朱棣文大突破
三維奈米成像
能重新配置成像特性的「奈米線透鏡」
電子偵測突破能激發次世代術
科學家將單個癌症分子(端粒酶)的作用視覺化

振動-- 綠螢光蛋白效率關鍵
綠螢光蛋白成為「單細胞生物雷射」的基礎
電漿子裝置將光轉換成電流
* 室溫下的固態邁射
* 量子懸浮能防止奈米系統相互碰撞 

沒有留言: