当显微镜难以拾取微弱信号时，就像不戴眼镜试图发现绘画或照片中的微妙细节一样。对于研究人员来说，这使得捕捉细胞或其他材料中发生的小事情变得困难。在新的研究中，波士顿大学穆斯塔卡斯光子学和光电子学讲座教授 Ji-Xin Cheng 博士及其合作者正在创造更先进的技术，使显微镜能够更好地观察微小的样本细节，而无需特殊染料。
他们的研究结果分别发表在《自然通讯》和《科学进展》上，帮助科学家以更简单、更准确的方式可视化和理解他们的样本。
在本次问答中，同时担任波士顿大学多个系(生物医学工程、电气与计算机工程、化学和物理系)教授的程博士深入研究了这两篇研究论文中发现的发现。他强调了他和他的团队目前正在进行的工作，并全面了解这些发现如何影响显微镜领域，并可能影响未来的科学应用。
您和您的研究合作者最近在《自然通讯》和《科学进展》上发表了两篇关于显微镜的论文。每篇论文的主要发现是什么?
这两篇论文旨在解决振动成像这一新兴领域的根本挑战，为生命科学和材料科学打开一扇新的窗口。挑战在于如何突破检测极限，使振动成像与荧光成像一样灵敏，以便我们能够以无染料的方式可视化极低浓度(微摩尔至纳摩尔)的目标分子。
我们解决这一基本挑战的创新是部署光热显微镜来检测样本中的化学键。激发化学键振动后，能量迅速消散为热量，导致温度升高。这种光热效应可以通过穿过焦点的探测光束来测量。
我们的方法与相干拉曼散射显微镜有根本的不同，相干拉曼散射显微镜是我在2015 年科学评论中描述的一种高速振动成像平台。我们共同建立了一类新型化学成像工具箱，称为振动光热显微镜或 VIP 显微镜。
在《自然通讯》论文中，我们开发了一种宽视场中红外光热显微镜，可以可视化信号病毒颗粒的化学含量。在《科学进展》论文中，我们开发了一种基于受激拉曼过程的新型振动光热显微镜。
这两篇论文中是否有任何意外或令人惊讶的结果?如果是这样，这些结果如何挑战现有的显微镜知识或理论?
SRP 显微镜的发展是出乎意料的。我们从来不相信拉曼效应对于光热显微镜来说足够强大，但我们的想法在 2021 年 8 月发生了转变。为了庆祝我的 50 岁生日，我和我的学生组织了一场体育主题派对。庆祝活动期间，《科学进展》论文的第一作者朱一凡不幸受伤，医生建议他进行两个月的行动限制。
在他康复期间，我要求他计算 SRS(受激拉曼散射)显微镜焦点处的温升。通过这次事故，我们发现了强烈的受激拉曼光热(SRP)效应。随后，一帆和其他学生花了两年时间进行开发。这就是 SRP 显微镜的发明方式。
这些论文是否发现其研究结果存在任何局限性或差距?这些限制可能如何影响研究的总体意义?
当然，没有什么是完美的。在研究 SRP 显微镜时，我们发现每个光束都会有吸收，这会导致 SRP 图像中出现微弱的非拉曼背景。我们正在开发一种新颖的方法来消除这种背景。
一篇论文的研究结果与另一篇论文的研究结果是否相互补充或矛盾?他们之间的关系如何?
这两篇论文中报道的方法是互补的。WIDE-MIP 方法适合检测 IR 活性键，而 SRP 方法对拉曼活性键敏感。
这些论文是否为未来显微镜研究提出了可能产生重大长期影响的新方向?
确实是的。这两篇论文共同提出了一种新型化学显微镜，称为振动光热显微镜或 VIP 显微镜。VIP 显微镜提供了一种非常灵敏的方法来探测特定的化学键;因此，我们可以使用它们来绘制非常低浓度的分子图谱，而无需染料标记。
这些成像技术目前是否可用或正在被您实验室之外的其他研究人员使用?
我们已通过 BU 的技术开发办公室为这两项技术申请了临时专利。至少有两家公司对 SRP 技术的商业化感兴趣，其中一家公司也对 WIDE-MIP 技术感兴趣。
谁是您的主要研究合作者?
在 WIDE-MIP 论文中，病毒样本由波士顿大学国家新发传染病实验室微生物学副教授 John Connor 提供。WIDE-MIP 技术的开发是与 BU 工程学院电气和计算机工程教授 Selim Ünlü 合作开发的。因此，这是波士顿大学内部的一项合作工作。
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