美國PSC mIRage-LS

超高分辨活細胞熒光紅外顯微成像系統

產品簡介:  

【產品特點】

　　☆  熒光紅外共定位成像分析

　　☆  亞微米尺度紅外拉曼分辨率

　　☆  紅外拉曼同步測量

　　☆  非接觸式測量，同時支持透射、反射模式并且無米氏散射問題

　　☆  可測試活細胞(液體環境)

【優勢領域】

單細胞分析：

　　☆  正常/患病細胞分化

　　☆  藥物-細胞相互作用

　　☆  細胞內(脂滴) 成像研究

組織分析：

　　☆  細胞分型

　　☆  鈣化、疾病狀態區分

　　☆  膠原蛋白取向

細菌觀測：

　　☆  單細菌鑒定

　　☆  細菌代謝研究

【光學光熱紅外O-PTIR在生命科學領域應用的顯著優勢】

　　☆  亞微米級的空間分辨率；

　　☆  可直接獲取液體中活細胞的紅外成像；

　　☆  靈敏度高，可直接觀測單細胞 (如細菌、哺乳動物細胞等)；

　　☆  無米氏散射干擾，即使在細胞邊緣也不受影響；

　　☆  超高光譜分辨率；

　　☆  無需直接接觸即可測量軟組織的紅外光譜；

　　☆  可實現紅外和拉曼同步測量；

　　☆  可實現超過10 μm厚的樣品測試，直接置于載玻片上觀察分析；

　　☆  可配置極化的紅外光源

超分辨紅外技術O-PTIR

理想空間分辨率橫向對比 (FTIR, QCL and O-PTIR microscopes)

專為生物樣本設計的新型“雙區(C-H/FP)”QCL

新型“雙區(C-H/FP)”QCL能夠在在一臺設備中同時涵蓋了C-H拉伸和指紋區 (3000-2700、1800-950cm-1) 反射模式下收集的O-PTIR光譜在數據庫(Wiley KnowItAll)搜索結果，匹配率超過95%。

【應用案例】

1. 熒光成像與O-PTIR聯合表征

　　熒光成像對于分子生物學機制的研究具有十分重要的意義，而傳統紅外很難原位測量細胞的紅外圖譜，因此無法將蛋白定位與原位細胞的紅外圖譜進行原位疊合，這對于紅外在生物學的機制研究中的應用十分不利。而O-PTIR能夠直接在不損傷細胞的情況下測量不同區域的紅外圖譜，與熒光圖像相結合探究蛋白結構與分布上的變化。

圖1. 阿爾茲海默癥腦組織切片樣品，左側白光圖，中間熒光圖，右側O-PTIR在中圖中的紅色與藍色區域的采集的紅外圖譜

2. 感染瘧原蟲的紅細胞表征

　　瘧原蟲屬寄生蟲引起的瘧疾是威脅生命的主要疾病之一，而瘧原蟲引發的感染周期十分復雜，因此在細胞和分子水平觀察瘧原蟲的變化對于研究瘧原蟲的致病有著重要意義。Agnieszka M. Banas等人通過使用O-PTIR對瘧原蟲感染的紅細胞在亞微米尺度的分子特征變化進行了表征，結果顯示正常紅細胞的蛋白呈現環狀分布，而感染后的紅細胞蛋白質則呈現無規則分布。通過對比傳統FTIR與基于O-PTIR技術能夠發現，O-PTIR能夠提供更為詳細的圖像分辨率并且能夠測量紅細胞不同位置的光譜信息。而傳統FTIR受制于米氏散射限制，效果較差。

圖2. 對比FTIR與O-PTIR對紅細胞成像的結果：(a)紅細胞的白光圖；(b)圖a中紅色方塊放大的區域；(c,e)FTIR的蛋白/脂質空間分布的紅外成像；(d,f)O-PTIR的蛋白/脂質空間分布的紅外成像；(g)紅細胞的FTIR紅外光譜；(h)紅細胞的O-PTIR紅外光譜;(g,i)瘧原蟲感染紅細胞和正常紅細胞的PCA（PC1&PC2，PC1&PC3）得分；(h,j)瘧原蟲感染紅細胞和正常紅細胞的PCA（PC1&PC2，PC1&PC3）得分

　　參考文獻：B. [Malaria] “Comparing infrared spectroscopic methods for the characterization of Plasmodium falciparum-infected human erythrocytes” (Nature Communication Chemistry, https://doi.org/10.1038/s42004-021-00567-2). Advantages: 1, 3, 4, 5, 6

3. 單個病毒的紅外成像

　　受制于紅外極限分辨率的限制，單個病毒的紅外光譜成像一直以來都是十分困難的，對于只有100 nm左右的病毒進行紅外光譜成像顯得十分無力。Yi Zhang等人使用O-PTIR技術成功實現對單個痘病毒進行了檢測，并成功觀測到了病毒的外形，同時對病毒表面的蛋白的光譜進行了表征。

圖3. 單個痘病毒的光譜和成像表征。(a)痘病毒的干涉散射圖像；(b)痘病毒1550cm-1波數下的MIP圖像；(c)痘病毒1650cm-1波數下的MIP圖像；(d)隨機選取病毒上4個點的光譜

　　參考文獻：“Vibrational Spectroscopic Detection of a Single Virus by Mid-Infrared Photothermal Microscopy” (Analytical Chemistry,  https://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.0c05333). Advantages: 1, 3, 4, 5, 6

4. 光學光熱紅外O-PTIR與Raman光譜協同分析固定或活的單細胞

　　英國曼徹斯特大學的Peter Gardner教授近期發表了他們關于活(和固定)細胞振動光譜分析的研究結果。作者使用光學光熱紅外O-PTIR與Raman光譜，并借助于兩個激發源（QCL和OPO激光器），對細胞進行了寬光譜范圍的覆蓋，從而使所有與生物學相關的分子振動都能被檢測到，且保持一致的亞微米的空間分辨率。此外，紅外光譜采集與拉曼光譜有效的結合起來，在相同的激發位置，形成振動互補，得到一套完整的振動光譜信息。如下圖所示，該紅外和拉曼的組合方式可以用來分析液體環境中固定或活細胞的亞細胞結構，其中的蛋白質二次結構及富脂體均可以在亞微米尺度上被有效地識別出來。

圖4. O-PTIR觀測固定未染色MIA PaCa-2細胞成像。(a)固定的未染色的MIA PaCa-2細胞的光學圖像；(b)紅色方塊區域的放大圖像；(c)OPO波束段的O-PTIR紅外光譜；(d)QCL波束段O-PTIR的紅外光譜；(e)黑色區域的拉曼和紅外光譜

　　參考文獻：D. [Mammalian cancer cell] “Analysis of Fixed and Live Single Cells Using Optical Photothermal Infrared with Concomitant Raman Spectroscopy” (Analytical Chemistry, https://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.0c04846). Advantages: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

5. O-PTIR與S-XRF聯用探究阿爾茲海默癥

　　阿爾茲海默癥（AD）是老年癡呆癥常見的病癥之一，而淀粉樣β蛋白沉淀是引發AD的重要病因之一，因此對于淀粉樣β蛋白分布的研究就顯得十分重要。Nadja Gustavsson等人通過O-PTIR成功觀測到了神經中的淀粉樣β蛋白分布，并且結合S-XRF分析發現鐵簇與淀粉樣β-折疊結構和氧化的脂質存在共定位關系。這項研究充分預示了O-PTIR/S-XRF聯合技術可在AD疾病的研究中發揮重要作用。

圖5. 單個神經元的O-PTIR與X光熒光成像。（a）單個神經元的光學（左）與O-PTIR圖像（中和右）；（b）神經元上銅、鐵的分布；（c）鐵與蛋白疊合圖；（d）鐵與脂質的疊合圖

【測試數據】

單細胞分析

　　☆  正常/患病細胞分化

　　☆  藥物-細胞相互作用

　　☆  細胞內(脂滴) 成像研究

細胞內的熒光+紅外共定位分析

　　利用熒光同時觀測細胞結構和細胞中的脂滴分布，研究脂滴在細胞中的共定位分析，提供潛在活體無標記相互作用分析數據。

磷脂成像 (2856cm-1(CH2) / 2874cm-1(CH3) 100 nm pixel size. ~5 mins. 熒光染色細胞核（藍色），蛋白（紅色））

活體細胞的組分分布分析

磷脂成像，可觀測活細胞內的脂滴的分布并且基本不會受到水的干擾，這是傳統紅外所難以達到的。 (2856cm-1(CH2)/ 2874cm-1(CH3) 100 nm pixel size. ~5 mins.）

固定細胞的組分分布分析

磷脂成像沒可觀測到細胞內的脂滴分布情況。 (2856cm-1(CH2)/ 2874cm-1(CH3) 100 nm pixel size. ~5 mins.）

組織分析

　　☆  細胞分型

　　☆  鈣化、疾病狀態區分

　　☆  膠原蛋白取向

組織切片分析觀測

腫瘤組織鈣化分析1050cm-1，傳統的FTIR只有大約12微米的空間分辨率，這往往比實際特征大得多，這就是為什么以前沒有看到如此小的局部鈣化。

細菌觀測

　　☆  單細菌鑒定

　　☆  細菌代謝研究

紅外拉曼聯合細菌表征，可以同時觀測到細菌的紅外和拉曼圖譜