科研捷报 | 季敏标教授课题组合作研究实现可逆光开关的拉曼散射成像

       近日，我系季敏标教授课题组与南方科技大学吴长锋教授课题组合作，通过在二芳基乙烯母体分子中引入炔基，设计出一类具有光敏特性的拉曼探针，实现了可控开关的受激拉曼散射成像。相关研究成果以《基于光致变色振动探针的光开关受激拉曼散射显微镜》（“Switchable stimulated Raman scattering microscopy with photochromic vibrational probes”）为题在线发表于《自然··通讯》[Nat Commun 12, 3089 (2021)]。我系博士生敖建鹏为论文第一作者，南方科技大学博士后房晓峰为共同第一作者，季敏标教授与吴长锋教授为通讯作者。韩国高丽大学Sungnam Park教授课题组为理论计算提供了帮助。该工作得到了国家自然科学基金、国际人类表型组计划、复旦大学和应用表面物理国家重点实验室等支持。

       受激拉曼散射（SRS）显微术利用受激辐射原理将微弱的拉曼信号放大数个量级，可实现快速的振动光谱成像。最初，SRS以快速、免标记和本征三维化学组分分析的优点在显微成像领域备受青睐。然而，内源分子的拉曼光谱交叠严重且活性较弱，使得传统SRS显微镜的灵敏度与特异性有所限制，阻碍了其在分子、细胞生物学中的应用。为此，目前已经有专门的基于炔基、氰基的拉曼探针被开发并用于SRS，打破了荧光显微成像中难以逾越的“多色复用壁垒”，展现了这些生物正交拉曼探针对比荧光标记分子所具备的窄峰宽、无漂白、信源结构小而对目标分子干扰小等优势。然而，局域化学键的振动一般具有很好的光稳定性，虽然这常常是优点但却阻碍了拉曼探针获得荧光分子的诸多特性，如随机发光、光饱和性及光开关性等，正是这些性质是荧光显微跨向超分辨时代的关键环节。

       为了突破这一难题，合作团队提出设想：利用可逆光异构化的分子偶联上拉曼探针，实现对异构化敏感的拉曼光谱响应。他们首先想到将常用的拉曼探针——炔基引入光异构母体分子中。二芳基乙烯（DTE）是一类优良的可逆光异构化分子，在紫外光/可见光的照射下，能够产生闭环/开环响应。当炔基连接在二芳基乙烯的两侧，三键的振动性质将由于闭环/开环的共轭结构改变发生变化。SRS实验中发现，分子从开环态向闭环态转变时，炔基伸缩振动模的拉曼峰位会发生红移，该现象通过DFT计算得到验证。因此，将SRS成像的共振拉曼峰固定在红移之后的峰位位置，通过紫外/可见光的交替照射可以将SRS图像在亮/暗之间转变，从而实现可逆光开关的SRS成像。

图1 （a）拉曼光活性分子结构式及其在紫外/可见光照射下发生的闭环/开环转变；（b）拉曼光活性分子在紫外/可见光照射下的SRS光谱响应；（c）交替照射紫外、可见光时2194cm-1通道的受激拉曼信号出现开关特性。

      为了展示这项新型技术的应用前景，他们将分子匀涂成PMMA薄膜，并通过可编程振镜控制紫外/可见光在薄膜上随意写出/擦除文字等信息。之后，他们还将分子做了进一步修饰，使之能够特异性靶向活细胞中的线粒体，在细胞甚至亚细胞层面实现了可逆的SRS光开关成像。

图2 （a）PMMA薄膜上通过振镜控制光进行手动书写的“复旦”字样；（b）光控可逆点亮/擦除喂食过光活性分子的HeLa细胞

       这项研究为开发具有光开关性质的振动光谱探针提供了新思路，为光开关受激拉曼散射显微成像技术提供了可行性基础，拓展了SRS的应用范围，也为进一步实现具备超多色复用的远场超分辨拉曼显微打下铺垫。