Quantum Design-新闻中心-成果突破！高分辨化学成像显微镜，助力组织内微塑料与植物化学成像研究取得重要进展！

成果突破！高分辨化学成像显微镜，助力组织内微塑料与植物化学成像研究取得重要进展！

发布日期：2025-02-14

导读

近年来，荧光显微镜技术的迅猛发展极大地改变了生命科学的研究方式，已经成为研究者对细胞、组织进行成像的重要方法。传统荧光显微镜虽能快速实现目标定位，但存在诸多局限性。在组织内微塑料成像方面，其依赖的荧光标记易脱落、荧光强度会衰减，特异性检测难以实现，且易受组织内其他荧光物质的干扰，空间分辨率也无法清晰呈现微塑料的分布和形态。在植物化学成像中，荧光标记存在标记困难、特异性差以及可能干扰细胞生理过程等问题，同时，传统荧光显微镜在空间分辨率和化学信息获取上能力有限，难以在亚微米尺度上对植物细胞内的复杂化学成分进行精确成像和分析。这些问题严重限制了微塑料在组织内行为和植物细胞内化学成分的深入研究。

新一代化学成像显微镜

美国PSC公司研发的新一代高分辨化学成像显微镜——mIRage，为上述问题提供了创新性解决方案。mIRage除了兼具传统荧光显微镜的荧光成像功能之外，还采用新型光学光热红外（O-PTIR）技术，实现了对物质的分子结构进行化学成像，突破了传统化学成像在空间分辨率上的瓶颈，其化学成像分辨高达500 nm，可在亚微米尺度上表征细胞组织内的非标记目的蛋白或分子。这种直接对分子结构进行无标记化学成像的能力，有效解决了荧光显微镜在化学成分分析上的不足。在微塑料研究中，即使是粒径仅为2 μm的微塑料颗粒，mIRage也能对其进行高分辨率的化学成分分析，获得清晰的红外光谱图，解决了传统方法无法分析微小颗粒成分的难题。在植物研究中，mIRage能够对植物细胞壁中的纤维素、木质素等成分进行无标记的化学成像，清晰呈现其分布情况，为植物代谢组学研究提供了有力支撑。

高分辨化学成像显微镜——mIRage

mIRage的特有优势：

• 亚微米空间分辨的红外光谱和拉曼成像（~500 nm）；

• 与透射模式相媲美的反射模式下的图谱效果；

• 非接触测量模式—使用简单快捷，无交叉污染风险；

• 很少或无需样品制备过程(无需薄片), 可测试厚样品；

• 可透射模式下观察溶液中的样品；

• 实现同时同地相同分辨率的IR和Raman测试；

• 荧光显微成像实现荧光标记样品快速定位。

作为美国PSC公司在中国的独家代理，Quantum Design中国于2020年将高分辨化学成像显微镜—mIRage系统引入国内，助力科研工作者在多个研究方向取了众多突破性成果，以下将针对组织内微塑料等领域的成果，展示mIRage的超卓性能和先进技术。

一、助力组织内微塑料的成像与分析

中国科学院生态环境研究中心的科研团队利用光学光热红外技术（O-PTIR），以聚乙烯纳米塑料（PE-NPs）为研究对象，深入剖析了小鼠模型中PE-NPs的分布和影响。该研究聚焦于父代暴露于PE-NPs对自身及其后代生殖健康的潜在影响，以及肠道微生物群和微RNA（miRNA）在这一过程中的作用机制。研究成果以“MicroRNA and Gut Microbiota Alter Intergenerational Effects of Paternal Exposure to Polyethylene Nanoplastics”为题发表于《ACS Nano》（影响因子15.8）上。

科研人员利用光学光热红外技术（O-PTIR），成功检测了聚乙烯纳米塑料（PE-NPs）在小鼠血清和睾丸组织中的分布情况。该技术通过检测样品因红外吸收产生的光热效应，实现了亚微米级别的高分辨率成像，能够精确定位PE-NPs的存在。其非接触式的检测方式，避免了对生物组织的损伤，尤其适用于复杂生物样品的分析。

如上图所示，研究人员借助O-PTIR技术对检测到的聚乙烯特定振动频率（2917.33, 2848.55, 1462.04, 和 1118.71 cm⁻¹）的成像，揭示了PE-NPs在F1代雄性小鼠睾丸组织中的分布特征，为深入理解PE-NPs对生殖健康的潜在影响提供了重要证据，证实了父代暴露于PE-NPs不仅影响自身健康，还可能通过跨代效应影响后代的生殖健康。

二、助力植物的化学成像

法国国家农业食品与环境研究院（INRAE）的Nicolas Reynoud研究团队利用高分辨化学成像显微镜mIRage，结合原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱技术，对番茄果实表皮的角质层在果实发育过程中的微观结构和力学性质进行了多模态成像研究。研究发现，角质层的力学性质在果实发育过程中表现出显著的空间和时间异质性，包括深度方向的力学梯度和“柔软”的中央凹槽。这些力学性质的变化与角质层的化学和结构异质性密切相关。该成果以“Cuticle architecture and mechanical properties: a functional relationship delineated through correlated multimodal imaging”为题发表于《New Phytologist》（影响因子10.3）上。

如下图所示，通过O-PTIR技术，研究者观察到角质层中脂质、多糖和酚类化合物的空间异质性。在角质层深度方向，从表皮细胞表面到角质层表面，cutin/多糖比例呈现梯度变化，cutin含量逐渐增加。在果实发育的后期（40天后），角质层中酚类化合物（如p-香豆酸和黄酮类）积累增多，且主要分布于角质层的特定区域。通过将O-PTIR成像数据与AFM测得的弹性模量进行相关性分析，发现结晶纤维素和果胶的拉曼强度与弹性模量呈正相关，而脂质和p-香豆酸的拉曼强度与弹性模量呈负相关。在角质层中央凹槽区域，O-PTIR成像显示其化学成分与周围区域存在差异，这可能与该区域较低的弹性模量有关。

通过使用mIRage显微镜进行的O-PTIR技术，研究者揭示了番茄果实角质层在果实发育过程中化学成分的深度分布和变化，明确了这些化学异质性与角质层的纳米力学性质密切相关，为理解植物角质层的结构-功能关系提供了新的视角，也为仿生材料的设计奠定了理论基础。

三、助力药学研究:开发新型纳米无定形载药颗粒

中国医学科学院医药生物技术研究所团队开发了基于益生元的阿托伐他汀（AT）纳米无定形载药颗粒（PANA）。该团队借助mIRage成功实现对该载药颗粒的原位成分分析。该结果以"Prebiotic-Based Nanoamorphous Atorvastatin Attenuates Nonalcoholic Fatty Liver Disease by Retrieving Gut and Liver Health"为名发表于Small Structures（影响因子13.9）上。

非酒精性脂肪性肝病 (NAFLD) 的发病机制复杂，脂质代谢紊乱引起的脂毒性是主要危险因素之一。阿托伐他汀 (AT) 虽为广泛使用的降脂药物，但存在肠道吸收率低、破坏肠道菌群等问题。研究者构建的PANA载药颗粒在肝脏组织中药物积累效果更佳，且能有效恢复肠道健康，重建肠道菌群，改善肠道免疫力、屏障完整性并减轻炎症。

如上图所示，该研究团队使用mIRage对PANA的化学成分与空间分布进行了鉴定。通过分析菊粉（益生元主要成分）、AT、PANA的红外光谱，发现AT 和菊粉在颗粒中均匀混合。PANA中随机选择的样品的红外拉曼光谱如图C（左）所示。AT中1,523 cm^-1处的羰基吸收在菊粉样品中没有信号为AT的特征峰（菊粉无此吸收峰）。按照 1,523 cm^-1（绿色）和 1,036 cm^-1（红色）的映射，活性 AT 和益生元基质的图像在扫描区域（黄色）显示出相同的分布。此外，在 PANA 颗粒中可以观察到 AT 在 1,580 cm^-1的苯吸收、1,457 cm^-1的强 C-C 吸收和菊粉在 1,164 cm^-1 的 C-O 拉伸。以上数据清楚地证实了活性药物在益生元基质中的封装和相对均匀的分布。

这项研究使用mIRage对载药颗粒进行了化学显微成像，准确表明不同化学成像在药物颗粒内的空间分布，为制药工程探索药物成分的空间分布提供了化学显微成像利器。

除了上述应用外，mIRage这一荧光、红外、拉曼三合一的化学成像显微还在多个科研领域有所应用：

1. 环境微塑料