如果你想像自己透過顯微鏡看東西，你可能會想到在玻璃載玻片上看到變形蟲，或者是人體細胞，甚至是某種小昆蟲。但是，顯微鏡所能看到的遠不止這些小生物，加州理工學院（Caltech）開發的一種新型顯微鏡技術讓人們更容易看到構成生物的分子。

BonFIRE 技術

在發表於《自然-光子學》（Nature Photonics）雜誌上的一篇論文中，加州理工學院化學助理教授、傳統醫學研究所研究員Lu Wei 實驗室的研究人員展示了他們稱之為”鍵選擇熒光檢測紅外激發光譜顯微鏡”（BonFIRE）的技術。

BonFIRE 將兩種顯微鏡技術合二為一，具有更高的選擇性和靈敏度，使研究人員能夠在前所未有的單分子水平上可視化生物過程，並從分子角度了解生物機制。

研究報告的合著者、化學工程專業研究生Dongkwan Lee 說：”有了我們的新型顯微鏡，我們現在可以用振動對比來觀察單分子，而這是現有技術難以做到的。”

博士後學者Haomin Wang（左）和研究生Dongkwan Lee（右）演示BonFIRE 顯微設備的操作。資料來源：加州理工學院

BonFIRE 背後的技術

BonFIRE涉及的一項技術是熒光顯微鏡，該技術通過在分子和其他微觀結構上標記熒光化學標記，使其在成像時發光，從而對其進行成像。

另一種技術是振動顯微鏡技術，它利用分子原子間結合鍵的自然振動。要成像的樣本會受到光的轟擊，這裡指的是紅外光。這種轟擊會導致材料分子中的鍵發生振動，從而可以識別它們的類型。例如，三鍵的振動與單鍵的振動”聽起來”不同，與另一個碳原子結合的碳原子的振動與與氮原子結合的碳原子的振動聽起來不同。這與訓練有素的吉他手通過聆聽吉他發出的音色，就能分辨出吉他上的哪根弦被撥動以及它是由什麼材料製成的並無二致。

化學助理教授兼遺產醫學研究所研究員Lu Wei。資料來源：加州理工學院

優勢結合

Wei 說，熒光顯微鏡允許研究人員觀察單個分子，但不能提供豐富的化學信息。另一方面，振動顯微鏡雖然能提供豐富的化學信息，但只有當被成像的分子大量存在時才能發揮作用。

BonFIRE 通過將振動與熒光耦合，有效地結合了這兩種技術的優勢，從而解決了這些局限性。整個過程是這樣的： 首先用熒光染料對樣品進行染色，熒光染料會與要成像的分子結合。然後用紅外光脈衝轟擊樣品，調整紅外光的頻率以激髮染料中的特定鍵。一旦該鍵被該光的一個光子激發，第二個能量更高的光脈衝就會照射到該鍵上，並激發它發出顯微鏡可以檢測到的熒光。這樣，顯微鏡就能對整個細胞或單個分子進行成像。

未來展望

這項研究的合著者、化學博士後學者助理研究員王浩敏說：”我們對這種光譜學過程非常著迷，很高興能將其轉化為現代生物成像的新型工具。在過去的三年裡，我們一直在冒險建造我們的定制BonFIRE顯微鏡，並對這一光譜過程有了更深入的了解，這進一步幫助我們優化了設置中的每個組件，從而達到了現在的性能。”

在論文中，科學家們還展示了用”顏色”標記生物分子的能力，使它們能夠相互區分。這是通過使用組成染料分子的原子的幾種同位素來實現的。(同位素是一種元素的不同形式，由於其原子核的中子數目有多有少，因此原子量也不同）。它們的鍵振動頻率會隨著原子質量的增減而變化。

Wei說：”傳統的熒光顯微鏡一次只能分辨出少數幾種顏色，而BonFIRE則不同，它利用紅外光激發不同的化學鍵，產生彩虹般的振動顏色。可以同時對同一樣本中的許多不同目標進行標記和成像，以令人驚嘆的細節揭示生命分子的多樣性。我們希望能在不久的將來展示活細胞中數十種顏色的成像能力。”