Wanneer microscopen moeite hebben om zwakke signalen op te vangen, is het alsof je zonder bril subtiele details in een schilderij of foto probeert te ontdekken. Voor onderzoekers maakt dit het moeilijk om de kleine dingen te vangen die in cellen of andere materialen gebeuren. In nieuw onderzoek creëren Dr. Ji-Xin Cheng, voorzitter van Boston University Moustakas, hoogleraar fotonica en opto-elektronica, en medewerkers geavanceerdere technieken om microscopen beter te maken in het zien van kleine monsterdetails zonder dat er speciale kleurstoffen nodig zijn.

Hun resultaten, gepubliceerd in Nature Communications en Wetenschappelijke vooruitgang respectievelijk helpen wetenschappers hun monsters op een eenvoudigere manier en met meer nauwkeurigheid te visualiseren en te begrijpen.

In deze vraag-en-antwoordsessie gaat Dr. Cheng, die tevens hoogleraar is op meerdere afdelingen van de BU – biomedische technologie, elektrische en computertechniek, scheikunde en natuurkunde – in op de bevindingen die in beide onderzoekspapers aan het licht zijn gekomen. Hij belicht het werk dat hij en zijn team momenteel uitvoeren en geeft een uitgebreid inzicht in hoe deze ontdekkingen van invloed kunnen zijn op het gebied van de microscopie en mogelijk toekomstige wetenschappelijke toepassingen kunnen beïnvloeden.

U en uw onderzoeksmedewerkers hebben onlangs twee artikelen over microscopie gepubliceerd in Nature Communications en Wetenschappelijke vooruitgang . Wat zijn de belangrijkste bevindingen van elk artikel?

Deze twee artikelen zijn bedoeld om een ​​fundamentele uitdaging aan te pakken in het opkomende veld van vibratiebeeldvorming, dat een nieuw venster opent voor de levenswetenschappen en materiaalwetenschappen. De uitdaging is hoe we de detectielimiet kunnen verleggen, zodat vibratiebeeldvorming net zo gevoelig is als fluorescentiebeeldvorming, zodat we doelmoleculen bij zeer lage concentraties (micromolair tot nanomolair) op een kleurstofvrije manier kunnen visualiseren.

Onze innovatie om deze fundamentele uitdaging aan te pakken, is het inzetten van fotothermische microscopie om de chemische bindingen in een monster te detecteren. Na excitatie van de trillingen van de chemische binding verdwijnt de energie snel in warmte, waardoor de temperatuur stijgt. Dit fotothermische effect kan worden gemeten door een sondebundel die door het brandpunt gaat.

Onze methode verschilt fundamenteel van de coherente Raman-verstrooiingsmicroscopie, een supersnel vibrerend beeldvormingsplatform dat werd beschreven in mijn wetenschappelijke review uit 2015. Samen hebben we een nieuwe klasse gereedschapskist voor chemische beeldvorming ontwikkeld, genaamd vibrationele fotothermische microscopie of VIP-microscopie.

In de Natuurcommunicatie Op papier hebben we een mid-infrarood fotothermische microscoop met groot veld ontwikkeld om de chemische inhoud van een signaalviraal deeltje te visualiseren. In de Wetenschappelijke vooruitgang Op papier hebben we een nieuwe vibrerende fotothermische microscoop ontwikkeld die gebaseerd is op het gestimuleerde Raman-proces.

Zijn er onverwachte of verrassende resultaten in beide artikelen? Zo ja, hoe vormen deze resultaten een uitdaging voor de bestaande kennis of theorieën rond microscopie?

De ontwikkeling van SRP-microscopie was onverwacht. We hadden nooit geloofd dat het Raman-effect sterk genoeg was voor fotothermische microscopie, maar in augustus 2021 veranderden onze gedachten. Om mijn 50e verjaardag te vieren, organiseerden mijn studenten en ik een feest met een sportthema. Tijdens de festiviteiten, Yifan Zhu, de eerste auteur van de Science Advances papier, liep helaas een blessure op, waardoor zijn arts een periode van twee maanden beperkte mobiliteit aanbeveelde.

Tijdens zijn herstel vroeg ik hem een ​​berekening uit te voeren van de temperatuurstijging in het brandpunt van een SRS-microscoop (gestimuleerde Raman-verstrooiing). Door dit ongeval vonden we een sterk gestimuleerd Raman fotothermisch (SRP) effect. Yifan en andere studenten hebben vervolgens twee jaar aan de ontwikkeling besteed. Dit is hoe SRP-microscopie werd uitgevonden.

Hebben de artikelen beperkingen of hiaten in hun bevindingen geïdentificeerd? Hoe kunnen deze beperkingen de algemene implicaties van het onderzoek beïnvloeden?

Zeker, niets is perfect. Bij het nastreven van SRP-microscopie hebben we ontdekt dat elke straal absorptie kan hebben, wat een zwakke niet-Raman-achtergrond in het SRP-beeld veroorzaakt. We ontwikkelen een nieuwe manier om deze achtergrond te verwijderen.

Zijn de bevindingen van het ene artikel een aanvulling op of zijn ze in tegenspraak met de bevindingen van het andere? Hoe verhouden ze zich tot elkaar?

De methoden die in deze twee artikelen worden gerapporteerd, zijn complementair. De WIDE-MIP-methode is goed voor het detecteren van IR-actieve bindingen, terwijl de SRP-methode gevoelig is voor Raman-actieve bindingen.

Suggereren de artikelen nieuwe richtingen voor toekomstig microscopieonderzoek die aanzienlijke implicaties op de lange termijn zouden kunnen hebben?

Ja inderdaad. Deze twee artikelen duiden samen op een nieuwe klasse van chemische microscopie, genaamd vibrationele fotothermische microscopie of VIP-microscopie. VIP-microscopie biedt een zeer gevoelige manier om specifieke chemische bindingen te onderzoeken; dus kunnen we ze gebruiken om moleculen met zeer lage concentraties in kaart te brengen zonder kleurstoflabeling.

Zijn deze beeldvormingstechnologieën momenteel beschikbaar of worden ze gebruikt door andere onderzoekers buiten uw laboratorium?

We hebben voor beide technologieën voorlopige patenten aangevraagd via het Technology Development-kantoor van de BU. Minstens twee bedrijven zijn geïnteresseerd in de commercialisering van de SRP-technologie en één daarvan is ook geïnteresseerd in de WIDE-MIP-technologie.

Wie zijn uw belangrijkste onderzoeksmedewerkers?

In het WIDE-MIP-artikel worden de virusmonsters geleverd door John Connor, universitair hoofddocent microbiologie bij de National Emerging Infectious Diseases Laboratories van de BU. De technologieontwikkeling van WIDE-MIP vindt plaats in samenwerking met Selim Ünlü, hoogleraar elektrische en computertechniek aan het BU's College of Engineering. Dit is dus een samenwerking binnen de Universiteit van Boston.

Meer informatie: Qing Xia et al., Single virus-vingerafdrukken door middel van widefield interferometrische defocus-verbeterde midden-infrarood fotothermische microscopie, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42439-4

Yifan Zhu et al., Stimuleerde Raman-fotothermische microscopie voor ultragevoelige chemische beeldvorming, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi2181

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie , Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Boston University