超分辨率顯微鏡的主要局限是什么?大多數(shù)遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨率顯微鏡使用熒光標(biāo)記。這方面的一個(gè)主要問(wèn)題是它需要熒光團(tuán)，其在實(shí)驗(yàn)的時(shí)間尺度期間經(jīng)常漂白。這意味著信號(hào)將在測(cè)量過(guò)程中關(guān)閉，無(wú)法進(jìn)行進(jìn)一步分析。因此，能夠在沒(méi)有漂白的情況下進(jìn)行超分辨率或者能夠擾亂動(dòng)力學(xué)的大型發(fā)色團(tuán)，可能會(huì)非常棒。

如何使用拉曼光譜來(lái)克服這些問(wèn)題?

拉曼光譜本質(zhì)上是無(wú)標(biāo)記的。您可以將它與非常小的兩個(gè)原子標(biāo)簽一起使用以提供更高的靈敏度，但在大多數(shù)情況下，您無(wú)需進(jìn)入并標(biāo)記樣品。相反，您可以通過(guò)其獨(dú)特的拉曼光譜同時(shí)查看幾種化學(xué)成分。

由于拉曼光譜不涉及使用發(fā)色團(tuán)，因此沒(méi)有漂白。這解決了超分辨率顯微鏡中常見(jiàn)的漂白問(wèn)題。

請(qǐng)描述您最近開(kāi)發(fā)的超分辨率拉曼顯微鏡技術(shù)。

我們的技術(shù)結(jié)合了已有的兩種不同技術(shù)。在顯微鏡領(lǐng)域，我們借鑒了受激發(fā)射耗盡顯微鏡(STED)的想法。我們將其與受激拉曼顯微鏡領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)相結(jié)合，創(chuàng)建了超分辨率顯微鏡技術(shù)。

基本上，我們的顯微鏡涉及三激光束技術(shù)，我們?cè)跇悠分挟a(chǎn)生受激拉曼信號(hào)，然后我們可以在這個(gè)初始激發(fā)點(diǎn)周?chē)沫h(huán)形區(qū)域中將其關(guān)閉。我們只從這個(gè)甜甜圈的中心得到一個(gè)拉曼信號(hào)。這類(lèi)似于STED如何與熒光一起工作。

這項(xiàng)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是什么?

該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是它不含標(biāo)簽，因此您無(wú)需預(yù)先進(jìn)行任何樣品制備，以針對(duì)系統(tǒng)中的不同化學(xué)物質(zhì)。

另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是您可以同時(shí)查看多個(gè)組件。例如，在細(xì)胞中，我們可以看到我們添加到系統(tǒng)中的蛋白質(zhì)，脂質(zhì)種類(lèi)和小分子。我們可以在實(shí)際空間和實(shí)時(shí)跟蹤所有這些，無(wú)需任何大量的樣品制備或標(biāo)簽。從這個(gè)意義上講，這是非常有利的。

生物學(xué)之外還有許多系統(tǒng)，標(biāo)簽是不可能的。例如，采用有機(jī)光伏或電化學(xué)系統(tǒng)。將熒光標(biāo)記整合到這些系統(tǒng)中是非常困難的，如果不是不可能的話(huà)。在納米長(zhǎng)度尺度上觀(guān)察這些技術(shù)的大氣光學(xué)成像技術(shù)開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)。

這項(xiàng)新技術(shù)打破了光學(xué)衍射極限。為什么這對(duì)研究細(xì)胞脂質(zhì)動(dòng)力學(xué)有用?

如果你看一下細(xì)胞膜，你會(huì)看到約400,000個(gè)脂質(zhì)分子。我們知道細(xì)胞膜在納米長(zhǎng)度尺度上是非常不均勻的，并且它們?cè)谶@些非常短的長(zhǎng)度尺度上在組成，厚度，流動(dòng)性和曲率上變化。但是，我們不知道這對(duì)他們的功能意味著什么，因?yàn)樗茈y看。

打破這種光學(xué)衍射極限意味著我們可以探測(cè)單個(gè)蛋白質(zhì)周?chē)膮^(qū)域，而不是對(duì)所有這些區(qū)域進(jìn)行平均。我們還可以弄清楚這些局部結(jié)構(gòu)如何影響功能。

研發(fā)科學(xué)家必須了解新化合物如何與細(xì)胞相互作用。如何使用這種技術(shù)來(lái)理解藥物輸送機(jī)制?

目前，大約70%的藥物靶向跨膜蛋白。我們不知道這些蛋白質(zhì)周?chē)木植凯h(huán)境如何影響藥物分子結(jié)合然后影響信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的能力。我們真正想知道的是膜環(huán)境與藥物性能之間的結(jié)構(gòu) - 功能關(guān)系。我們的技術(shù)允許我們通過(guò)專(zhuān)注于細(xì)胞膜的特定組分來(lái)做到這一點(diǎn)。

什么是等離子體納米材料以及等離子體底物如何改善拉曼光譜?

如果你將一個(gè)分子粘在其中一個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域，你會(huì)發(fā)現(xiàn)拉曼信號(hào)顯著增加到可以做單分子表面增強(qiáng)拉曼光譜的程度。在這些非常局部的區(qū)域中，您可以將信號(hào)提升許多個(gè)數(shù)量級(jí)。等離子體材料在與光相互作用方面非常出色。如果你在等離子體材料上發(fā)光，它們可以將光線(xiàn)集中到納米長(zhǎng)度尺度。它們還可以產(chǎn)生增強(qiáng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度的熱點(diǎn)區(qū)域。

了解化學(xué)相互作用是藥物開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵部分。如何使用等離子體增強(qiáng)拉曼技術(shù)以超快的速度實(shí)時(shí)研究反應(yīng)?

現(xiàn)在等離子體世界對(duì)于在這些熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)有很多興奮。如果你將一個(gè)分子粘在這個(gè)電磁場(chǎng)強(qiáng)度非常強(qiáng)的區(qū)域，就會(huì)產(chǎn)生大量的熱量和大量高能電子。這導(dǎo)致了一個(gè)問(wèn)題，即在這個(gè)非常獨(dú)特的環(huán)境中你能做出什么樣的化學(xué)反應(yīng)?

人們已經(jīng)證明你可以用陽(yáng)光和這些納米材料做催化作用。關(guān)于這種機(jī)制還不是很多。我們用超快速表面增強(qiáng)拉曼技術(shù)(SERs)做的是試圖了解這些等離子體如何與分子相互作用，如何斷裂和結(jié)合，并試圖實(shí)時(shí)觀(guān)察這些過(guò)程，以了解這背后的機(jī)制催化。

這種技術(shù)的一個(gè)主要限制是等離子體可能會(huì)損壞樣品并干擾研究結(jié)果。這可以避免或減少嗎?

關(guān)于與熱有關(guān)的損害有很多問(wèn)題。也就是說(shuō)，這些等離子體材料加熱樣品或損壞樣品多少錢(qián)?在某些情況下，這是非常有利的。對(duì)光熱療法有一整類(lèi)等離子體研究。如果您可以將這些材料用于說(shuō)癌細(xì)胞并加熱它們，它們會(huì)損壞材料，這正是您想要的。

然而，在催化領(lǐng)域的情況下，加熱和相關(guān)的損壞不是特別有益。這是加熱分子的非常昂貴的方法。我們有更便宜，更有效的方法。

我們小組中一直在做的事情之一是試圖了解等離子體如何以可能導(dǎo)致熱相關(guān)損害的方式將能量轉(zhuǎn)移到分子上。我們?cè)噲D看看我們是否可以調(diào)整等離子體材料或周?chē)h(huán)境，試圖在這些非?？斓臅r(shí)間尺度上控制它。

您的研究團(tuán)隊(duì)未來(lái)幾年會(huì)是什么樣子?

我們很高興將我們一直在開(kāi)發(fā)的一些拉曼技術(shù)應(yīng)用于新發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。例如，光催化和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換，以及設(shè)計(jì)材料或光學(xué)腔以促進(jìn)某些反應(yīng)。

我認(rèn)為這種超分辨率拉曼技術(shù)有很多令人興奮的應(yīng)用，它可以提供現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法提供的信息。例如，在人類(lèi)健康，能量轉(zhuǎn)換或電池研究中。我們很高興能夠合作并嘗試很多這些不同的領(lǐng)域。

你對(duì)Pittcon 2019有什么看法?您會(huì)向您所在領(lǐng)域的其他人推薦會(huì)議嗎?

Pittcon在分析化學(xué)研究的廣度方面令人驚嘆。我想說(shuō)我的小組并不僅僅將自己定義為分析化學(xué)家。因此，能夠在不同的分析化學(xué)領(lǐng)域獲得不同的觀(guān)點(diǎn)是非凡的。

會(huì)議的規(guī)模和并發(fā)會(huì)談的數(shù)量令人驚訝。這是一個(gè)與光譜學(xué)，電化學(xué)，質(zhì)譜和許多其他分析領(lǐng)域的人交談和認(rèn)識(shí)的好地方。

讀者可以在哪里找到更多信息?

關(guān)于Frontiera研究小組。

Renee和她的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的所有論文。

關(guān)于Renee Frontiera

Renee Frontiera是明尼蘇達(dá)大學(xué)化學(xué)系的副教授和McKnight Land-Grant教授。她獲得了博士學(xué)位。2009年，他從加州大學(xué)伯克利分校畢業(yè)，并在西北大學(xué)獲得博士后博士學(xué)位。自2013年以來(lái)，她一直在明尼蘇達(dá)大學(xué)工作。

Frontiera的研究小組研究膜蛋白生物物理學(xué)，替代能源和納米技術(shù)的基本和應(yīng)用問(wèn)題。

該小組旨在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用新的光譜和顯微技術(shù)，以檢查分子如何在納秒長(zhǎng)度尺度上以飛秒時(shí)間分辨率進(jìn)行動(dòng)態(tài)反應(yīng)。

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