中國科學家革新成像技術, 「看清」分子結構

2021-01-07 果殼網

分子大小一般在1納米左右，不僅肉眼看不到，連光學顯微鏡都無能為力。而中國科學技術大學董振超教授的團隊革新了探測微觀世界的拉曼成像技術（Raman Imaging），使其成像的空間解析度達到了0.5納米，使得人類能夠識別分子內部的結構和分子在表面上的吸附構型。這一研究結果發表在今日出版的《自然》雜誌上。

經過董振超團隊的改良，單光子光學拉曼成像的空間解析度從3到15納米提高到了0.5納米，在國際上首次實現亞納米分辨。「這項研究對了解微觀世界，特別是微觀催化反應機制、分子納米器件的微觀構造和包括DNA測序在內的高分辨生物分子成像，都具有極其重要的科學意義和實用價值。」董振超教授接受果殼網採訪時介紹道。

拉曼光譜分析技術是在科學研究中被廣泛使用的一項技術，通過檢測分子的旋轉和振動信息對分子進行鑑別。數十年來，拉曼光譜技術通過不同手段得到發展革新，表面增強拉曼光譜技術（SERS）、針尖增強拉曼光譜技術（TERS）等分析技術應運而生。其中，TERS是掃描隧道顯微鏡（STM）和拉曼光譜分析技術的結合產物，利用納米尺度的STM針尖增強樣品分子的拉曼光譜信號。「我們的研究成果是基於TERS做出的改進，特別是通過頻譜匹配調控把非線性效應引入到TERS中，進而實現拉曼信號增強，並提高空間解析度。」董振超教授告訴果殼網。藉助雙共振過程產生非線性效應，改進後的TERS技術可以識別分子內部結構以及分子在表面上的吸附構型。

左圖:STM控制的針尖增強拉曼散射測量原理示意圖。圖中所示為共焦邊照射實驗構型，Vb是加在樣品上的偏壓，It為控制探針與襯底間距的隧穿電流。當一束雷射聚焦到金屬針尖與襯底之間的納腔時，就會產生很強的高度局域化的等離激元電磁場，後者會顯著增強針尖下單個分子的拉曼散射信號。右上圖：分子拉曼光譜。右下圖：拉曼成像圖和強度分布曲線。圖片來源：董振超 圖片文字來源：中國科大新聞中心

 

這種新的拉曼成像技術將在納米光子學、生物光子學、乃至任何需要在分子尺度上識別樣品成分及結構的領域上得到廣泛應用。《自然》的審稿人表示，董振超團隊的研究「是該領域迄今質量最高的頂級工作，開闢了該領域的一片新天地」。然而，繼續進行技術革新的腳步並未停止。

問及這項技術尚存的限制時，董振超教授表示：「這項技術對STM納腔中的等離激元共振模式有要求，如何方便地控制針尖形狀以獲得所要的共振模式，成為制約解析度的瓶頸。」另一方面，由於目前局域等離激元場強的大小是通過針尖與金屬襯底之間的間距來控制的，「如果實驗測量可以不依賴金屬襯底，而單純依靠針尖等離激元的模式和強度就可以實現，那這項技術的應用範圍就會更廣。」

董振超教授指出，鑑於當前的電化學針尖製作方法，得到一根好針尖還帶有一定的運氣成分。有鑑於此，「發展的方向應該是在針尖結構的調控上下功夫。」他對果殼網說，「一種可能的解決途徑是利用先進的納米加工手段，對針尖結構加以可控制備，獲得想要的模式和強度。」拉曼光譜技術的成像極限，將繼續受到科學家們的挑戰。

在綠色入射雷射的激發下，處於STM納腔中的卟啉分子受到高度局域且增強的等離激元光的強烈影響，使得分子的振動指紋信息可以通過拉曼散射光進行高分辨成像。圖片是實驗原理的藝術化處理，分子的振動信息成像通過投影到底幕中的振動影像來表示。圖片作者:王國燕 梁琰 圖片文字來源：中國科大新聞中心

信息來源：Nature News

相關的果殼網小組

相關焦點

  • 挑戰化學成像極限:中國科大實現單分子拉曼光譜成像
    拉曼散射中光子的能量變化通常起源於分子振動能量與入射光子能量的疊加，因此拉曼散射光中包含了豐富的分子振動結構的信息。由於不同分子的拉曼光譜的譜形特徵各不相同，因此可作為分子識別的「指紋」光譜，就像人的指紋可以用來識別人的身份一樣。現今拉曼光譜已經成為物理、化學、材料、生物等領域研究分子結構的重要手段。
  • PNAS:單分子成像:結構生物學的未來
    2017年2月20日/生物谷BIOON/--- 結構到功能的研究對生物學領域有著重要的意義。自從解析出DNA的三維結構後，結構生物學幫助科學家們解析出了更多的生物大分子的結構，解決了很多生物學的根基上的問題。然而，結構生物學的發展受到了技術層面上的重大瓶頸。新技術的出現，將對結構生物學的發展帶了跨越式的進展。
  • 中國科學家合成高效長壽命有機室溫磷光分子
    新華社華盛頓１０月１４日電（記者林小春）從生物成像、光學記錄到防偽系統，純有機磷光材料在諸多高新科技領域有著誘人的應用前景，但在室溫下實現高效純有機磷光發射是一個極大的挑戰。中國科學家近日報告說，他們設計併合成了一系列有機室溫磷光分子，它們都兼具高效率和長壽命的優異特性。
  • 西安科學家讓電子顯微鏡能看清有機分子
    「通俗地講，就是在以前用電子顯微鏡看清金屬表面是沒有問題的，但是不可能看清有機分子國際著名科技期刊《自然·材料》（《Nature Materials》），日前刊發了西安科技大學鄭斌博士參與的研究成果論文「高分辨透射電鏡揭露金屬有機骨架材料的表面及界面結構」。在13位作者中，鄭斌博士排名第3，為唯一的國內人員，西安科技大學為唯一的國內單位。
  • 2分30秒,看清一個蛋白質結構
    國家蛋白質科學中心（上海）主任雷鳴說，解析蛋白質的分子結構，關乎人類對生命本質的認識，也是全球生命科學家目前面臨的最重大課題之一。「整個博士階段，我花了4年時間來解析一個蛋白質分子的結構。」 2015年7月，作為全球生命科學領域首個綜合性大科學裝置，總投資7.56億元的國家蛋白質科學中心（上海）設施通過驗收。
  • 螢光探針成像技術 幫助人們看清「神經」活動
    螢光探針成像技術，就是近年來在醫學領域中逐漸發展起來的一項新技術。相信日常生活中，很多人對於螢光探針技術都是一知半解。其實只要你用心了解的話，就會在自然環境中發現很多螢光現象，例如螢火蟲、螢光棒以及閃閃發光的水母等。
  • 看清活細胞裡分子運動速度的快慢—論文—科學網
    -美國華人科學家光學成像研究新成果   生命在於運動。
  • 《自然》:新型顯微技術可看清DNA旋轉,解析度達單分子!
    ▎學術經緯/報導 今日，哈佛大學（Harvard University）的莊小威教授團隊帶來了顯微技術的一項新突破：利用一種新穎的方法，他們能夠在單分子的解析度上追蹤DNA轉瞬之間發生的旋轉。
  • 陳興課題組開發基於點擊化學的膨脹顯微成像技術
    （Click-ExM），提供了一種通用、便捷的策略對各種生物分子進行超分辨螢光成像。然而由於光學衍射極限的限制，常規的螢光顯微鏡難以對精細的亞細胞結構進行分辨。超分辨螢光成像技術，使人們能夠看清在200nm以內的生物分子。不過這些技術通常依賴於昂貴的儀器和精密的算法，而且在組織樣品中的成像性能一般。膨脹顯微成像技術（Expansion microscopy，ExM）則從樣品製備入手，繞過了光學衍射極限，實現了讓超分辨螢光成像「飛入尋常百姓家」。
  • 賽默飛拉曼成像光譜儀 快速提供分子結構研究級圖像
    科技日報訊 （記者盧素仙）一種新型的賽默飛顯微拉曼成像光譜儀DXRxi日前面世，與其他拉曼成像技術不同，賽默飛DXRxi顯微拉曼成像光譜儀採用實時圖像反饋和以圖像為中心的驅動方式，能夠實現大面積區域的快速掃描，在數秒鐘內就能提供詳細的光譜信息。
  • 革新底層傳感技術,新一代硬核晶片助力X射線影像突破像素極限
    深耕研發硬科技核心技術，新一代TFT傳感器問世桑鈞晟博士領銜的團隊經過數年摸索與研究，最終找到了打破現有傳感器技術限制的方法，並對傳感器底層核心技術進行了革新，開發出了新一代TFT傳感器技術，在2017年底創立了中科愛銳，致力於半導體傳感器晶片設計、工藝及其在醫療健康領域的應用，生產製造全球領先的高端醫療影像核心部件及設備，面向全球市場提供一流產品和綜合解決方案。
  • 利用X射線晶體學及冷凍電子顯微鏡成像技術確定大分子結構
    生物大分子採用的三維結構在很大程度上決定了它們在不同細胞過程中的作用。從X射線晶體學到冷凍電子顯微鏡的幾種不同的成像技術已成功地用於眾多大分子的結構表徵。圖片來源：Sergei Drozd / Shutterstock.com什麼是大分子?
  • 新技術提供更高解析度的分子成像和分析
    西北大學的一個研究小組開發了一種進行光譜納米技術的新方法，該方法可以幫助研究人員了解更複雜的生物分子相互作用，並在單分子水平上表徵細胞和疾病。當前的光譜單分子定位顯微鏡技術同時實現了超解析度成像和單分子光譜，而當前的sSMLM設計卻遭受了成像解析度和光譜精度下降的困擾。這是由於系統在兩個單獨的通道之間劃分了有限數量的發射光子（傳輸電磁光的原子粒子）以進行空間和光譜成像的緣故。
  • 分子超快成像研究取得重要進展
    分子成像技術在物理學、化學和生物學領域中扮演著重要角色。X-射線衍射和電子衍射是測定分子結構的兩種典型方法，它們分別藉助外部光子和電子撞擊分子靶實現分子結構成像。近年來，隨著超快強雷射與氣相原子分子相互作用研究的深入，人們發現可利用強雷射驅動分子產生的相干電子波包對分子自身結構進行自探測，通過解析電子波包與母離子相互作用引起的光電子衍射圖案，獲得分子結構及其超快動力學演化信息，實現分子自成像。相比傳統的X-射線衍射和電子衍射，該方法同時具備亞飛秒時間與亞埃空間分辨能力。
  • 中國科學家國際首獲水合離子原子級解析度圖像
    中國科學家這一重要科研成果，已於當地時間14日獲國際權威學術期刊《自然》在線發表。　　水是自然界中最豐富、人們最為熟悉，同時也是最不了解的一種物質。其中，離子水合物即水合離子的微觀結構和動力學，100多年來一直是學術界爭論的焦點。
  • 2017年諾貝爾化學獎再次頒給革新性工具:細數多項榮膺諾獎的技術
    這種革新性的技術為生物化學研究領域帶來了一番新的面貌，比如今年榮膺諾貝爾生理學或醫學獎的生物鐘研究，還有去年爆發的寨卡疫情，都是這項新技術實際應用的例子。Frank 長期以來從事電子顯微鏡成像方面的研究，並在發明冷凍電鏡的過程中做出了重要貢獻。此後，他利用自己發明的冷凍電鏡成像技術闡明了細胞內核糖體的結構。Frank 是美國科學院院士和美國人文與科學院院士。2014 年，他獲得了班傑明 · 富蘭克林生命科學獎。
  • 中國成功研發出新型近紅外二區螢光成像系統及手術導航技術
    5月19日記者從中國科學院自動化研究所獲悉，設在該所的中科院分子影像重點實驗室歷經近3年的醫-工交叉深入探索，成功研發出新型近紅外二區螢光成像系統及手術導航技術，並在國際上首次開展臨床應用轉化研究。
  • 螢光顯微成像技術簡介
    光學顯微鏡將螢光光譜技術利用到顯微成像技術上可以基於樣本發射螢光的特性對單個分子物質的分布進行成像，監測細胞內部特定螢光團標記的成分的確切位置以及相關的擴散係數、轉運特性、或與其他生物分子的相互作用等。
  • Science:結構生物學不再混沌
    Amunts等人根據利用低溫冷凍電鏡技術獲得的酵母線粒體大核糖體亞單位及完整核糖體的結構圖譜，一個個地合成出了上述這些組分蛋白。這個經過不斷完善的結果與根據X線晶體成像技術獲得的原子模型非常吻合。單粒子電子顯微鏡技術（Single-particle electron microscopy, EM）則能夠觀察少量非結晶樣品，獲得高解析度的結構圖譜。　　使用單粒子電子顯微鏡技術可以獲得任意排列方向的分子複合體（ molecular complexes）的結構圖像。該技術會從每一幅圖像中選出單個的複合體（粒子），然後藉助計算機來判斷它們的排列方向。
  • Nature Methods:看清活細胞內任何活動的新型成像技術
    生物谷報導：美國麻省理工學院的科學家今天宣布說，運用類似X光CT掃描的方法，他們開發出一種新型成像技術，可在不用螢光標記或其他外加對比試劑的情況下展現活細胞內的任何活動。該技術使人類首次能夠對活體細胞在自然狀態下的各種功能加以研究。