BonFIRE开启显微镜设备的新篇章 以惊人的细节揭示生命的分子多样性

BonFIRE 技术

在发表于《自然-光子学》（Nature Photonics）杂志上的一篇论文中，加州理工学院化学助理教授、传统医学研究所研究员 Lu Wei 实验室的研究人员展示了他们称之为"键选择荧光检测红外激发光谱显微镜"（BonFIRE）的技术。

BonFIRE 将两种显微镜技术合二为一，具有更高的选择性和灵敏度，使研究人员能够在前所未有的单分子水平上可视化生物过程，并从分子角度了解生物机制。

研究报告的合著者、化学工程专业研究生 Dongkwan Lee 说："有了我们的新型显微镜，我们现在可以用振动对比来观察单分子，而这是现有技术难以做到的。"

博士后学者 Haomin Wang（左）和研究生 Dongkwan Lee（右）演示 BonFIRE 显微设备的操作。资料来源：加州理工学院

BonFIRE 背后的技术

BonFIRE涉及的一项技术是荧光显微镜，该技术通过在分子和其他微观结构上标记荧光化学标记，使其在成像时发光，从而对其进行成像。

另一种技术是振动显微镜技术，它利用分子原子间结合键的自然振动。要成像的样本会受到光的轰击，这里指的是红外光。这种轰击会导致材料分子中的键发生振动，从而可以识别它们的类型。例如，三键的振动与单键的振动"听起来"不同，与另一个碳原子结合的碳原子的振动与与氮原子结合的碳原子的振动听起来不同。这与训练有素的吉他手通过聆听吉他发出的音色，就能分辨出吉他上的哪根弦被拨动以及它是由什么材料制成的并无二致。

化学助理教授兼遗产医学研究所研究员 Lu Wei。资料来源：加州理工学院

优势结合

Wei 说，荧光显微镜允许研究人员观察单个分子，但不能提供丰富的化学信息。另一方面，振动显微镜虽然能提供丰富的化学信息，但只有当被成像的分子大量存在时才能发挥作用。

BonFIRE 通过将振动与荧光耦合，有效地结合了这两种技术的优势，从而解决了这些局限性。整个过程是这样的： 首先用荧光染料对样品进行染色，荧光染料会与要成像的分子结合。然后用红外光脉冲轰击样品，调整红外光的频率以激发染料中的特定键。一旦该键被该光的一个光子激发，第二个能量更高的光脉冲就会照射到该键上，并激发它发出显微镜可以检测到的荧光。这样，显微镜就能对整个细胞或单个分子进行成像。

未来展望

这项研究的合著者、化学博士后学者助理研究员王浩敏说："我们对这种光谱学过程非常着迷，很高兴能将其转化为现代生物成像的新型工具。在过去的三年里，我们一直在冒险建造我们的定制BonFIRE显微镜，并对这一光谱过程有了更深入的了解，这进一步帮助我们优化了设置中的每个组件，从而达到了现在的性能。"

在论文中，科学家们还展示了用"颜色"标记生物分子的能力，使它们能够相互区分。这是通过使用组成染料分子的原子的几种同位素来实现的。(同位素是一种元素的不同形式，由于其原子核的中子数目有多有少，因此原子量也不同）。它们的键振动频率会随着原子质量的增减而变化。

Wei说："传统的荧光显微镜一次只能分辨出少数几种颜色，而BonFIRE则不同，它利用红外光激发不同的化学键，产生彩虹般的振动颜色。可以同时对同一样本中的许多不同目标进行标记和成像，以令人惊叹的细节揭示生命分子的多样性。我们希望能在不久的将来展示活细胞中数十种颜色的成像能力。"