Science，Nature子刊两篇文章引领突破性显微镜技术：成像新时代

　　BU工程师在振动成像领域取得了重大进展。

　　

当显微镜很难捕捉到微弱的信号时，就像不戴眼镜就想在一幅画或一张照片中发现细微的细节一样。对于研究人员来说，这使得他们很难捕捉到细胞或其他材料中发生的小事情。在一项新的研究中，波士顿大学光子学和光电子学讲座教授Ji-Xin Cheng博士及其合作者正在创造更先进的技术，使显微镜在不需要特殊染料的情况下更好地观察微小的样品细节。他们的研究结果分别发表在《自然通讯》和《科学进展》杂志上，帮助科学家以更容易、更准确的方式可视化和理解他们的样本。

在本次问答中，同时担任波士顿大学生物医学工程、电子与计算机工程、化学和物理等多个系教授的Ji-Xin Cheng博士深入探讨了两篇研究论文中的发现。他重点介绍了他和他的团队目前正在进行的工作，并全面介绍了这些发现如何影响显微镜领域，并可能影响未来的科学应用。

你和你的研究合作者最近在《自然通讯》和《科学进展》上发表了两篇关于显微镜的论文。每篇论文的主要发现是什么?

这两篇论文旨在解决振动成像这一新兴领域的一个基本挑战，这一领域正在为生命科学和材料科学打开一扇新的窗口。挑战在于如何突破检测极限，使振动成像与荧光成像一样敏感，这样我们就可以以无染料的方式在非常低的浓度(微摩尔到纳摩尔)下可视化目标分子。为了解决这一基本挑战，我们的创新是利用光热显微镜来检测样品中的化学键。化学键振动激发后，能量迅速消散为热，引起温度升高。这种光热效应可以通过穿过焦点的探针光束来测量。

我们的方法与相干拉曼散射显微镜有本质的不同，相干拉曼散射显微镜是我在2015年的科学评论中描述的一种高速振动成像平台。我们共同建立了一类新的化学成像工具箱，称为振动光热显微镜，或VIP显微镜。在《自然通讯》的论文中，我们开发了一种宽视场中红外光热显微镜，用于可视化信号病毒颗粒的化学成分。在《科学进展》的论文中，我们开发了一种基于受激拉曼过程的新型振动光热显微镜。

这两篇论文中是否有任何出乎意料或令人惊讶的结果?如果是这样，这些结果如何挑战现有的关于显微镜的知识或理论?

SRP显微镜的发展是出乎意料的。我们从不相信拉曼效应对光热显微镜来说足够强大，但我们的想法在2021年8月发生了变化。为了庆祝我的50岁生日，我和我的学生组织了一个体育主题的聚会。在庆祝活动期间，《科学进展》论文的第一作者朱一凡不幸受了伤，他的医生建议他进行两个月的活动限制。在他康复期间，我让他在SRS(受激拉曼散射)显微镜下计算焦点的温升。通过这次事故，我们发现了一个强烈的受激拉曼光热(SRP)效应。一凡和其他学生随后花了两年时间进行开发。这就是SRP显微镜的发明过程。

这些论文是否发现了他们的发现中的局限性或缺陷?这些限制会如何影响研究的整体意义?

当然，没有什么是完美的。在进行SRP显微镜时，我们发现每个光束都有吸收，这导致SRP图像中出现弱的非拉曼背景。我们正在研究一种消除背景的新方法。

一篇论文的发现是与另一篇论文的发现相补充还是相矛盾?它们是如何相互联系的?

这两篇论文所报道的方法是互补的。WIDE-MIP方法对红外活性键的检测效果较好，而SRP方法对拉曼活性键的检测效果较好。

这些论文是否暗示了未来显微镜研究的新方向，可能具有重要的长期影响?

是的,确实。这两篇论文共同指出了一类新的化学显微镜，称为振动光热显微镜或VIP显微镜。VIP显微镜提供了一种非常敏感的探测特定化学键的方法;因此，我们可以使用它们来绘制非常低浓度的分子，而不需要染料标记。

这些成像技术目前是否可用，或正在被您实验室以外的其他研究人员使用?

我们已经通过BU的技术开发办公室为这两项技术申请了临时专利。至少有两家公司对SRP技术的商业化感兴趣，其中一家也对WIDE-MIP技术感兴趣。

谁是你的主要研究合作者?

在WIDE-MIP的论文中，病毒样本由约翰·康纳提供，他是波士顿大学国家新发传染病实验室的微生物学副教授。WIDE-MIP技术的开发是与波士顿大学工程学院电气和计算机工程教授Selim ünlü合作进行的。因此，这是波士顿大学的一个合作项目。

文章标题

Single virus fingerprinting by widefield interferometric defocus-enhanced mid-infrared photothermal microscopy