高婷娟教授研究团队在活细胞高分辨快速动态拉曼成像（DAERI）领域取得新进展

华大在线讯（通讯员 朱潇潇）拉曼散射光谱提供了化学键的振动能级跃迁信息，被广泛用于生物传感和细胞成像。其化学信息丰富、信号稳定，非常适合活细胞的多色动态成像。但是，它的灵敏度较低，很难实现低功率激发的活细胞高分辨快速动态成像。近日，我校化学学院高婷娟教授与中国科技大学Zachary Smith教授在国际顶级期刊JACS上发表文章（High-resolution low-power hyperspectral line-scan imaging of fast cellular dynamics using azo-enhanced Raman scattering probes https://doi.org/10.1021/jacs.2c06275），阐述了基于偶氮增强的活细胞高分辨快速动态拉曼成像（DAERI：dynamic azo-enhanced Raman imaging）的研究成果。DAERI突破了细胞经典拉曼探针位于静默区的限制，采用低功率激光（75 μW/μm²）和线扫描方式，实现了对活细胞多个细胞器的高分辨（270 nm分辨率）快速动态（3.5s/frame）全谱（500 - 3200 cm^-1）自发拉曼成像。中国科技大学特任副研究员于亚军博士和我校唐浴尘博士为共同第一作者，高婷娟教授与中国科技大学Zachary J. Smith教授为共同通讯作者。

图1. DAERI的原理示意。（a）偶氮增强拉曼探针的结构与性质。（b）线扫描自发拉曼显微成像装置。（c）传统拉曼探针EdU与AERS探针Triazo细胞成像的灵敏度比较。

此项研究基于设计搭建的线扫描自发拉曼成像系统与偶氮增强拉曼探针的结合。高婷娟教授研究小组于2021年报道了一种分子内拉曼增强的新方法偶氮增强拉曼散射（AERS：azo-enhanced Raman scattering,ACS Cent. Sci., 2021, 7, 768−780）。AERS通过共轭连接偶氮苯与振动基团，增加电子能级与振动能级的耦合程度，红移分子吸收峰至可见区，在实现共振拉曼效应的同时抑制了荧光背景，大幅提高了拉曼散射强度。相较于传统的拉曼探针，AERS探针的信号强度提高了10²-10⁴倍。由于AERS探针的高灵敏度，其信号远高于细胞自身信号，使得DAERI不局限于拉曼静默区。DAERI通过结合AERS探针与线扫描自发拉曼成像系统，在较低的功率下即可实现活细胞的高分辨快速动态成像，并且获得拉曼全谱信息。

图2.活细胞线粒体与溶酶体的DAERI成像

图3.活细胞溶酶体的生物物理动态性质

DAERI成功获取了活细胞中线粒体和溶酶体的快速动态影像。通过溶酶体的动态影像数据，作者分析了单个溶酶体运动的轨迹以及生物物理动态属性。通过加入解偶联剂FCCP，作者研究了线粒体解耦的动态过程。通过使用多种拉曼探针对细胞进行同时标记，作者实现了线粒体、溶酶体和脂质滴的三色DAERI成像。DAERI对于多种活细胞过程的多色动态成像，可为细胞生物学、生物物理化学以及生物医药领域提供新颖、有力的研究手段。

课题组链接：

高婷娟：http://chem.ccnu.edu.cn/info/1060/1191.htm

ZacharySmith：http://staff.ustc.edu.cn/~zsmith/

（审读人：郭彦炳）