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    原研创新丨王平团队完成MHz级超快拉曼光谱技术FIRE的研发，并应用于活体内代谢分子的化学成像

    2025-05-08 11:10:32

    阅读(420)

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    近日，《自然·通讯》在线发表了中关村生命科学园内科研机构昌平实验室王平教授团队与华中科技大学等单位合作，在生物化学成像领域的新突破。研究团队研发的FIRE拉曼光谱共聚焦显微镜，成功结合时间拉伸光纤阵列技术和单光子精密测量技术，实现了每秒百万条分子光谱的高通量采集，仅需一分钟即可完成活体线虫和组织微区的无标记化学成像，为代谢分析、药物筛选及临床诊断开辟全新路径。

    预计阅读时间：5分钟

      研究背景  

    拉曼指纹光谱是解析分子共价键、化学组分以及生物组织内重要代谢标志物的重要化学分析工具。拉曼光谱技术长期受困于低散射截面、低灵敏度和低通量等不利因素，导致其应用远远落后于各种荧光光谱技术。传统拉曼光谱仪依赖进口低温制冷CCD相机，才能获得较好的信噪比，但检测极限仍然无法达到几个光子的水平。且受限于千赫兹的光谱采集速率，因此活体生物成像始终难以实现。

      技术突破  

    研究团队提出了时间拉伸延时光谱探测的FIRE概念，研制了单光子计数装置从时序探测光谱来替代传统CCD相机。其工作原理是采用1MHz高频纳秒脉冲激光，在脉冲间隙将光谱在时序上展开，突破传统连续光源的时间分辨率限制；首创了等差多模光纤阵列，通过160通道多模光纤阵列将空间色散光谱转换为纳秒级的时间序列波形，每3 ns对应一个特定波长，再利用配置的高灵敏度硅光电倍增管（SiPM）探测装置，配合实时数字化仪实现每个单光子的动态捕捉，实现快速的光谱探测。

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    图1. FIRE时间延时探测光谱的原理图

      系统架构  

    图 2a 显示了 FIRE 系统的示意图，该系统基于定制的激光扫描共聚焦拉曼显微镜。FIRE 系统的核心在于检测部分，两根多模光纤（MF I 和 MF II）具有 100 µm 的大内芯和 0.22 的数值孔径，可有效收集散射的拉曼光子，这些光子在经过振镜扫描后，由二向色镜分成两个波段，在探测时通过时间延时将两个波段在时间上区分开。此外，在定制的紧凑型近轴 Littrow 光谱仪中，输入的拉曼光子由消色差透镜准直，然后由反射光栅进行反向衍射。本质上，不同波长的空间色散拉曼光子被重新聚焦到位于输入光纤旁边的 160 通道多模光纤阵列中，不同波长的拉曼光子在光纤中的传播时间不同，将光谱在时间上展开。单通道SiPM探测器对连续入射的光子进行计数，实现单次拉曼光谱测量。

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    图2.FIRE的系统装置图

    该团队利用FIRE在仅仅5分钟内就完成了对整只线虫的无标记化学成像，如图3所示，每单张图像的光谱成像时间仅需55 s，包含200×200个像素共40000张300~4300 cm-1的全波段拉曼光谱。依赖进口的CCD无法在如此短的时间内实现仅有几个光子的拉曼测量和成像。

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    图3. FIRE的单帧生物组织的化学成像时间仅为55 s，整只线虫需要5 分钟。

      应用价值  

    FIRE具有快速光谱成像、单光子灵敏度和全波段探测的优势，该团队利用FIRE完美实现了生物组织的葡萄糖代谢的快速可视化。FIRE 清楚地显示出细胞静默区约 2150 cm-1处的特征 C-D 波段和指纹区中的三个拉曼峰（图4a），将 D7-葡萄糖喂给daf-2 突变体秀丽隐杆线虫，以可视化葡萄糖代谢过程。图 3c 显示在图 3d中的 daf-2 秀丽隐杆线虫位置处获得的全波段拉曼光谱，其中 C-D、C-H（脂质）、C-H（蛋白质）和 O-H 波段分别为红色、绿色、蓝色和黑色。在daf-2线虫的早期阶段（图4d中的L4，图4e中的L2），D7-葡萄糖主要集中在肠道附近的组织中，很少参与皮肤脂质的形成。这一结果表明，daf-2线虫的能量产生代谢活动更强。令人惊讶的是，图像显示在过度禁食的情况下，D7-葡萄糖会被代谢并转化为皮肤，而优先增厚皮肤对于抵御恶劣环境至关重要。该技术已在小鼠模型中实现全器官代谢图谱绘制，单次扫描即可获取超过40000组化学特征数据。FIRE使活体实时代谢监测成为可能，未来在肿瘤术中边界界定、神经递质动态追踪、微生物耐药性检测等领域具有重大应用价值。

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    图4. FIRE对整只线虫的糖代谢追踪成像

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    来源：中关村生命科学园公众号

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