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亞微米分辨紅外測(cè)量系統(tǒng)mIRage在亞細(xì)胞無(wú)標(biāo)記化學(xué)成像中的應(yīng)用

瀏覽次數(shù):291 發(fā)布日期:2024-10-9  來(lái)源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
O-PTIR技術(shù)
 
O-PTIR (Optical Photothermal Infrared)是一種快速簡(jiǎn)單、非接觸式的光熱紅外技術(shù),突破了傳統(tǒng)IR衍射的極限。該技術(shù)不依賴于殘留的IR 輻射分析,而是通過(guò)檢測(cè)因本征紅外吸收引發(fā)的樣品表面快速的光熱膨脹或收縮,來(lái)反映微小樣品區(qū)域的化學(xué)信息。
 
O-PTIR 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)中的各個(gè)領(lǐng)域,尤其是細(xì)胞與亞細(xì)胞水平的原位分子結(jié)構(gòu)研究,如檢查亞細(xì)胞位置的淀粉樣蛋白折疊。
 
非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)——mIRage
 
美國(guó)PSC公司基于新型光熱紅外(O-PTIR)技術(shù),研發(fā)了全新非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)——mIRage。設(shè)備不僅具備傳統(tǒng)FTIR的特性,可以對(duì)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析,還克服了傳統(tǒng)紅外空間分辨率不足的問(wèn)題,其分辨高達(dá)500 nm,可在亞微米尺度上實(shí)現(xiàn)單個(gè)細(xì)胞與組織的無(wú)標(biāo)記含水分析,如對(duì)單個(gè)細(xì)胞內(nèi)蛋白、脂質(zhì)等生物大分子的無(wú)標(biāo)記探測(cè)。本文將結(jié)合三篇高水平文獻(xiàn)概述該技術(shù)在亞細(xì)胞水平無(wú)標(biāo)記成像的能力。
 
       
非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)——mIRage
 
一、單神經(jīng)元細(xì)胞中β淀粉樣蛋白無(wú)標(biāo)記成像分析
 
瑞典隆德大學(xué)的Oxana Klementieva與Gunnar K. Gouras團(tuán)隊(duì)使用非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)——mIRage和X射線熒光直接對(duì)神經(jīng)元中的微量元素和相關(guān)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)成像,在這一研究中該團(tuán)隊(duì)使用mIRage對(duì)單神經(jīng)元細(xì)胞中β淀粉樣蛋白的分布和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,該成果在2021年以Correlative optical photothermal infrared and X-ray fluorescence for chemical imaging of trace elements and relevant molecular structures directly in neurons為名發(fā)表在Light: Science and Applications(影響因子20.6)上。
 
 
 
在這項(xiàng)研究中,作者結(jié)合了兩種位于電磁波譜兩端的成像模式用于直接評(píng)估單個(gè)神經(jīng)元中的結(jié)構(gòu)和化學(xué)信息。通過(guò)非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)——mIRage和同步加速器 X 射線熒光 (S-XRF) 納米成像技術(shù)的無(wú)標(biāo)記超分辨率微光譜進(jìn)行亞細(xì)胞成像并捕獲了同一神經(jīng)元中β淀粉樣蛋白的纖維形式。該研究發(fā)現(xiàn)在原代AD樣神經(jīng)元中,鐵簇與升高的淀粉樣蛋白β片層結(jié)構(gòu)和氧化脂質(zhì)共定位。
 
該團(tuán)隊(duì)首先使用mIRage可視化了β淀粉樣蛋白片層結(jié)構(gòu)和氧化脂質(zhì)的分布(下圖a);隨后,使用S-XRF可視化了相同神經(jīng)元中金屬離子的分布(圖b)。通過(guò)擬合mIRage和S-XRF圖像可以發(fā)現(xiàn)金屬鐵簇的位置與升高的β淀粉樣蛋白片層結(jié)構(gòu)和氧化脂質(zhì)高度相關(guān)(圖c和d)。


該研究運(yùn)用mIRage/S-XRF聯(lián)合單細(xì)胞成像技術(shù),成功證實(shí)了聚集鐵與升高的β淀粉樣蛋白片層結(jié)構(gòu)共定位的顯著相關(guān)性,表明使用 Aβ(1–42) 治療可能導(dǎo)致Fe失衡,進(jìn)而可能引發(fā)脂質(zhì)氧化。
 
二、腦組織切片中β淀粉樣蛋白無(wú)標(biāo)記成像分析
 
上述團(tuán)隊(duì)瑞典隆德大學(xué)的Oxana Klementieva繼續(xù)使用非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)——mIRage表征了新提取的AD動(dòng)物模型的腦組織,對(duì)淀粉樣蛋白結(jié)構(gòu)形成進(jìn)行了化學(xué)成像分析,該成果在2022年以Label-Free High-Resolution Photothermal Optical Infrared Spectroscopy for Spatiotemporal Chemical Analysis in Fresh, Hydrated Living Tissues and Embryos為題發(fā)表在Journal of the American Chemical Society(影響因子14.4)上。
 
 
 
在該研究中,作者使用非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)——mIRage檢測(cè)了新提取的含水組織,從而避免了傳統(tǒng)紅外檢測(cè)制樣中必須要通過(guò)大量操作排除水分子干擾而無(wú)法對(duì)蛋白分子進(jìn)行原位結(jié)構(gòu)研究的弊端。
 
結(jié)果表明,mIRage可對(duì)從各種器官(包括活體大腦和肺組織)中提取的未處理、完全水合的組織活檢樣本進(jìn)行化學(xué)成像分析。借助mIRage,該團(tuán)隊(duì)跟蹤了功能性腦組織中淀粉樣蛋白隨時(shí)間的結(jié)構(gòu)變化,首次觀察到新形成的淀粉樣蛋白的出現(xiàn),而淀粉樣蛋白結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)固定和脫水程序后發(fā)生了改變。
 
如下圖所示,該團(tuán)隊(duì)以對(duì) APP/PS1模型小鼠腦切片中相同的淀粉樣斑塊進(jìn)行時(shí)間分辨觀察。為了可視化 β淀粉樣蛋白的片層結(jié)構(gòu),該團(tuán)隊(duì)獲取了 1656、1630 和 1680 cm-1 頻率的紅外圖,這是淀粉樣蛋白的雙波段特征。由于氧化脂質(zhì)先前與淀粉樣蛋白結(jié)構(gòu)相關(guān),該團(tuán)隊(duì)還獲取了頻率為 1740 cm–1 的圖譜,以使用 1656 cm–1 圖譜作為相應(yīng)比率圖譜的分母來(lái)檢測(cè)氧化脂質(zhì) (圖C)。該團(tuán)隊(duì)在該時(shí)間點(diǎn)觀察到具有β片層結(jié)構(gòu)的新小斑點(diǎn)的形成 (圖A下中箭頭指示的2張圖像),其中反向平行β片層結(jié)構(gòu)含量較高(圖 B下,箭頭所示)。新β片層結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)伴隨著氧化脂質(zhì)的存在增加,而氧化脂質(zhì)的存在伴隨著 AD 組織中的淀粉樣蛋白聚集(圖C、D)。
 
 
 
該研究證明了非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)——mIRage無(wú)需標(biāo)記即可直接對(duì)新鮮的生物樣本進(jìn)行檢測(cè),分辨率達(dá)亞微米水平,代表了生物組織原位化學(xué)成像分析技術(shù)的新突破。
 
三、單細(xì)胞脂質(zhì)代謝成像分析
 
加州大學(xué)圣巴巴拉分校的Kenneth S. Kosik研究組以棕櫚酸疊氮化物(azide-PA)作為探針,使用非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)——mIRage檢測(cè)體外細(xì)胞模型中新合成的脂質(zhì)以研究細(xì)胞脂代謝。該成果以Single-cell mapping of lipid metabolites using an infrared probe in human-derived model systems為題發(fā)表在Nature communication(影響因子16.6 ) 上。
 
 
 
在該研究中,作者構(gòu)建了一個(gè)單細(xì)胞代謝成像平臺(tái),能夠在各種人類衍生的 2D 和 3D 培養(yǎng)系統(tǒng)中以高特異性直接成像脂質(zhì)代謝。通過(guò)加入疊氮化物標(biāo)記的紅外探針(azide-PA),可用作核苷酸的修飾標(biāo)記,脂肪酸代謝的分子探針;azide-PA加入培養(yǎng)基后,可被細(xì)胞利用合成甘油三酯,磷脂和固醇類。mIRage檢測(cè)azide-PA的光譜結(jié)果顯示和PA相比,其在2100cm-1具有疊氮基團(tuán)的吸收峰,因此azide-PA非常適合用于檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)分布。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)此體系在前顆粒蛋白敲低的人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞及其分化的小膠質(zhì)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了上調(diào)的脂質(zhì)代謝。
 
如下圖所示,該團(tuán)隊(duì)將hiPSC與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在含有azide-PA的培養(yǎng)基中培養(yǎng)24h后,通過(guò)mIRage成像發(fā)現(xiàn),神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在2096 cm-1和1744 cm-1的信號(hào)強(qiáng)度(圖A&圖B),及總脂質(zhì)/蛋白比(1740/1650)與新合成脂質(zhì)/總脂質(zhì)比(2096/1740)均高于hiPSC(圖C&圖D),表示在hiPSC分化過(guò)程中脂質(zhì)的合成更加活躍,脂質(zhì)的合成可能與早期腦發(fā)育有關(guān)。

以上研究結(jié)果表明, mIRage可以在亞微米水平進(jìn)行高分辨率的單細(xì)胞化學(xué)成像分析,O-PTIR技術(shù)與紅外探針結(jié)合的單細(xì)胞代謝成像,將帶來(lái)更多生物領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn),助力開(kāi)發(fā)更有效的疾病療法。
 
mIRage的特有優(yōu)勢(shì):
• 亞微米空間分辨的紅外光譜和成像(~500 nm);
• 與透射模式相媲美的反射模式下的圖譜效果;
• 非接觸測(cè)量模式—使用簡(jiǎn)單快捷,無(wú)交叉污染風(fēng)險(xiǎn);
• 很少或無(wú)需樣品制備過(guò)程(無(wú)需薄片), 可測(cè)試厚樣品;
• 可透射模式下觀察溶液中的樣品;
• 實(shí)現(xiàn)同時(shí)同地相同分辨率的IR和Raman測(cè)試;
• 熒光顯微成像實(shí)現(xiàn)熒光標(biāo)記樣品快速定位。
 
 
 O-PTIR光譜測(cè)試原理
 
mIRage-LS應(yīng)用領(lǐng)域
 
1. 環(huán)境微塑料
 
 
 微塑料顆粒(~600 nm)的O-PTIR光譜及成像分析
(引自Microscopy Today, 2022, 17, 3, 76-85)
 
2. 高分子材料
  
 
1210 cm-1處采集的PP/PTFE的O-PTIR光譜和顯微圖像
(引自Materials & Design, 211 (2021), 17, 110157)
 
3. 半導(dǎo)體
 
 
薄膜晶體管顯示器中污染物的O-PTIR分析
 
 
 器件表面缺陷的紅外和拉曼光譜同步(同時(shí)間、同位置)分析
(引自Microscopy Today, 2020, 28, 3, 26-36)
 
4. 生命科學(xué)
 
 
腦組織的明場(chǎng)顯微圖像、O-PTIR光譜及成像分析
 
 
無(wú)熒光標(biāo)記條件下單個(gè)細(xì)胞的O-PTIR顯微光譜及成像分析
(引自Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, 43 (2022) 102563)
 
5. 文物鑒定

柯羅19世紀(jì)繪畫(huà)作品中鋅皂異質(zhì)性的O-PTIR顯微光譜及成像分析
(引自Anal. Chem. 2022, 94, 7, 3103–3110)
 
mIRage國(guó)內(nèi)部分發(fā)表文章一覽
 
南京大學(xué)借助mIRage建立了一種新型的塑料表面亞微米尺度化學(xué)變化表征方法。該工作發(fā)表在知名期刊Nature Nanotechnology上。
 
 
 
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)借助mIRage成功實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米粉中痕量微塑料的原位可視化表征。該工作發(fā)表在Science of the Total Environment上。
 
 
 
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)借助mIRage研究微塑料。該工作發(fā)表在Environmental Science & Technology上。
 
 
 
樣機(jī)體驗(yàn)
 
為了更好地服務(wù)中國(guó)客戶,Quantum   Design 中國(guó)子公司在北京建立了專業(yè)的客戶服務(wù)中心,引入了非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)!歡迎各位老師通過(guò)電話:010-85120280、郵箱:info@qd-china.com 、點(diǎn)擊此處或掃描下方二維碼垂詢。
 
 
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1、非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)—mIRage(材料領(lǐng)域)
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