图 研究人员在演示BonFIRE显微镜的操作
如果让你想象通过显微镜可以观察到什么，你可能会想象一个变形虫的载玻片或者一个人体细胞，亦或是某种小昆虫。但显微镜能看到的远远不仅是这些微小的生物，近日，美国加州理工学院传统医学研究所Lu Wei研究员的研究团队成功设计出一种键选择性荧光检测红外激发光谱显微镜(BonFIRE)，可以通过振动对比度可视化单个分子，能够使人们在前所未有的单分子水平上可视化生物过程，并从分子角度理解生物机制。该研究以“Bond-selective fluorescence imaging with single-molecule sensitivity”为题发表在Nature Photonics上(DOI: 10.1038/s41566-023-01243-8)。
BonFIRE将荧光显微技术和振动显微技术结合到一起，其具有更高的选择性和灵敏度。其中荧光显微镜是通过用荧光化学标记分子或其他微观结构，使它们在成像时发光的一种成像技术。振动显微镜是基于分子或原子结合在一起所形成的键的自然振动。人们通过光轰击要成像的样本，从而导致材料分子的键振动，进而可以识别它们的类型。举例来讲，碳碳三键的振动“听起来”与单键的振动不同，并且与另一个碳原子键合的碳原子的振动听起来与氮原子键合的碳原子的振动不同。这与经验丰富的吉他手只需听其发出的音调就能够辨别出吉他上的哪根弦被拨动以及它是由什么材料制成的有着相通之处。
Wei表示，虽然人们可以通过荧光显微镜观察单个分子，但无法获得丰富的化学信息。另一方面，振动显微镜提供了丰富的化学信息，但只有当被成像的分子大量存在时才起作用。BonFIRE 有效结合了振动与荧光显微两者的优势来克服这些限制。其原理是首先用荧光染料对样品进行染色，该荧光染料与要成像的分子结合。然后，样品受到红外光脉冲的轰击，以激发该染料中的特定键。一旦该键被红外光的单个光子激发，第二个更高能量的光脉冲就会照射到这个键上并激发它发出通过荧光显微镜可以检测到的荧光。通过这种方式，BonFIRE就可以对整个细胞或单个分子进行成像。
研究人员在论文中提到，他们的新型显微镜还具备用“颜色”标记生物分子的能力，使它们能够彼此区分，该过程是通过使用构成染料分子的原子的几种同位素来完成的。同位素是具有不同原子量的元素的形式，因为它们的原子核具有不同数量的中子。它们键振动的频率随着原子质量的增加或减少而变化。
“与一次只能区分几种颜色的传统荧光显微镜不同，BonFIRE 通过红外光激发不同的化学键能够产生多如彩虹的振动颜色，”Wei 提到。“你可以同时对同一样本中的多个不同目标进行标记和成像，并以非常精细的细节揭示生命的分子多样性。”他们计划能够在不久的将来在活细胞中展示数十种颜色的成像能力。
原标题：基于荧光显微和振动显微的新型成像设备
