超分辨率成像荧光探针材料应用进展

为了进一步认知复杂环境中的细胞生物学过程,研究人员发展了各种各样的生物成像技术。在这些技术中,生物荧光成像因简单的成像条件以及对生物样品的相容性而得到了广泛的发展。然而,传统的荧光成像技术受到了光学衍射极限的限制,无法分辨低于200 nm的空间结构,阻碍了对亚细胞结构的生物学过程研究。超分辨荧光显微镜技术突破了传统光学衍射对成像分辨率的限制,能够获取纳米尺度的细胞动态过程。除了对传统的宽场荧光显微镜框架的改进及升级改造之外,目前典型的超分辨成像显微镜技术通常依赖于荧光探针材料的光物理性质。常用的荧光探针材料包括荧光蛋白、有机荧光分子和纳米荧光材料等。本文介绍了几种主流的超分辨荧光显微成像技术并总结了已经成功应用到超分辨生物荧光成像中的荧光探针材料的应用进展。     

光电技术在生物医学中的应用-现状与发展

简要介绍光电技术在生物医学应用中的发展概况，从基因表达与蛋白质一蛋白质相互作用研究方面，重点讨论了生物分子光子技术的特点与优势，阐明基于分子光学标记的光学成像技术是重要的实时在体监测手段，最后简要讨论了医学光学成像技术在组织功能成像和脑功能成像中的应用原理。     

超声分子成像进展

超声分子成像在超声医学成像的基础上,利用靶向超声造影剂为分子探针,以可视化和定量获取活体组织细胞的分子信息为目标的影像术。它不用进行手术活检,不仅可以给出病灶的空间信息,而且能确定它的性质,进行针对性的治疗和对疗效进行评估。本文对现有的核医学分子成像,磁共振分子成像,光学分子成像和光声分子成像技术作了简单介绍,着重讨论了超声分子成像技术和应用的进展。     

核酸功能化纳米探针在细胞荧光成像中的应用

核酸是携带遗传信息的物质,既存在于自然界中也能够通过成熟技术人工合成。通过体外筛选技术还可以筛选出具有特殊功能的核酸序列,例如核酸适体和脱氧核酶。核酸通过沃森-克里克碱基互补配对原则进行杂交,具有很强的专一性。无论是通过序列设计还是体外筛选,核酸探针在生物标志物的分析与成像应用方面都发挥着重要作用。纳米材料辅助构建核酸功能化纳米探针,可以保护负载的核酸探针不被核酸酶降解,并且无需转染试剂就能进入细胞,在细胞荧光成像应用上具有很大优势。为解决细胞内有些生物标志物含量低、难于检测的问题,目前已构建多种适用于细胞水平的成像信号放大方法来实现对低丰度生物标志物的高灵敏成像。本文主要综述了核酸功能化纳米探针在细胞荧光成像中的应用进展,包括反义寡核苷酸功能化纳米探针、核酸适体功能化纳米探针、脱氧核酶功能化纳米探针等,同时介绍了他们在成像信号放大中的应用。     

量子点的荧光特性在生物探针方面的应用

量子点具有传统有机荧光染料无可比拟的光学魅力,在生物医学及材料领域已引起广泛的兴趣,许多科学工作者在量子点用于生物学领域方面已经取得一定进展。目前,量子点最有前途的应用领域是在生物体系中作为荧光标记物。通过观察量子点标记分子与靶分子相互作用的部位,及其在活细胞内的运行轨迹,可能为信号传递的分子机制提供线索,从而为阐明细胞生长发育的调控及癌变规律提供直观依据。文章介绍了量子点研究生物大分子之间的相互作用、生物大分子荧光标记、细胞及生物组织的荧光标记与成像以及活体成像等方面的应用。并概述了纳米量子点作为生物荧光探针的应用前景以及亟待解决的问题。     

纳米光学和生物单分子探测

纳米光学技术展示了纳米级探测本领，同时生物单分子探测所需要分辨尺度也是纳米数量级的，因此在生物单分子探测过程中，纳米光学发挥了巨大的作用．文章介绍了与生物单分子探测技术相关的纳米光学技术，包括量子近场光学探针技术、近场光学成像技术(包括扫描近场光学显微术及全内反射荧光显微术)和激光光钳测控技术及它们在生物单分子探测上的进展，从而在染色、成像、测控三个方面展示了纳米光学技术在生物方面的应用，并对其未来的发展方向进行了展望．     

透射式扫描近场光学显微镜探针光场分布及其受激荧光分子光场分布研究

通过利用经Grober发展的Bethe模型,计算了透射式近场光学显微镜探针针尖附近及进入样 品后的光场分布,研究了它的横向分辨率、透射深度、透射系数等问题.模拟在光学近场激 发下生物荧光分子成像的过程,研究了荧光分子的极化方向和入射光偏振方向对信号收集的影响,发现荧光图像是偏振极性和荧光分子极性共同作用的结果. 关键词： 近场光学 光场分布 荧光分子成像     

荧光寿命显微成像技术及应用的最新研究进展

由于荧光寿命不受探针浓度、激发光强度和光漂白效应等因素影响,荧光寿命显微成像技术(fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM)在监测微环境变化、反映分子间相互作用方面具有高特异性、高灵敏度、可定量测量等优点,近年来已被广泛应用于生物医学等领域.然而,尽管FLIM的发明和发展已历经数十年时间,其在实际应用中仍然面临着许多挑战.例如,其成像分辨率受衍射极限限制,而其成像速度与成像质量和寿命测量精度则存在相互制约的关系.近几年来,相关硬件和软件的快速发展及其与其他光学技术的结合,极大地推动了FLIM技术及其应用的新发展.本文简要介绍了基于时域和频域的不同寿命探测方法的FLIM技术的基本原理及特点,在此基础上概述了该技术的最新研究进展,包括其成像性能的提升和在生物医学应用中的研究现状,详细阐述了近几年来研究者们通过硬件和软件算法的改进以及与自适应光学、超分辨成像技术等新型光学技术的结合来提升FLIM的成像速度、寿命测量精度、成像质量和空间分辨率等方面所做的努力,以及FLIM在生物医学基础研究、疾病诊断与治疗、纳米材料的生物医学研究等方面的应用,最后对其未来发展趋势进行了展望.     

多参量光声成像及其在生物医学领域的应用

光声成像兼具声学成像和光学成像两者的优点, 因而成为近十年来发展最迅速的生物医学成像技术之一. 本文介绍了光声成像的特点及其相对于广泛应用的光学成像技术和声学成像技术的优点; 其次, 解释了光声成像的成像原理, 在此基础上介绍了光声断层成像和光声显微镜这两种典型的光声成像方案, 并介绍了它们的技术特点; 然后, 介绍了光声成像对生物组织的生化特性、组织力学特性、血液流速分布、温度分布参数、微结构特性等多信息参量的提取能力, 及其在生物系统的结构成像、功能成像、代谢成像、分子成像、基因成像等多领域的应用; 最后, 展望了光声成像在生物医学领域的应用潜力并讨论了其局限性.     

三维拉曼成像技术用于纳米金刚石与细胞相互作用过程的研究

纳米金刚石(NDs),作为一种具备良好生物兼容性、化学稳定性、药物负载能力和众多不可比拟优越性能的材料,其在生物医学领域的应用被广泛关注,尤其是在生物成像和抗癌药物传输领域。首先对不同尺寸纳米金刚石的拉曼性能进行评价,确定了100 nm高温高压合成的NDs更适宜作为拉曼生物探针。之后,为了生物领域的应用,这些NDs表面的杂质经过羧基化方式处理获得均一表面性能,并采用扫描电镜、红外、拉曼和粒径分析手段对该过程进行验证。然后,NDs作为拉曼探针被用于快速定位HeLa细胞内NDs的分布,验证了HepG2细胞对NDs内吞过程的时间依赖性。此外,借助非侵入性的三维(3D)共聚焦拉曼成像技术,可视化观察了四种不同细胞(HeLa, HepG2, C6和MDCK)对NDs内吞量和滞留量的差异。其中,MDCK这种正常细胞内部极少发现NDs,而其他三种癌细胞中有大量NDs信号,显示出不同种类细胞对于NDs的吞入和滞留量的明显差异。实验结果表明,纳米金刚石拉曼生物探针不仅可以用于生物成像,更为癌症的定位和诊断提供可能性。     

荧光共振能量转移-荧光寿命显微成像(FRET-FLIM)技术在生命科学研究中的应用进展

细胞是动植物结构和生命活动的基本单位。细胞过程的一个重要特点就是其生化组分在时空调控上的相互作用关系。然而,利用传统的生化方法（如酵母双杂交系统、pull-down系统等）很难在空间上评估活细胞内分子间的相互作用。光学技术的快速发展,为研究活细胞中生物分子的时空动态提供了新的遗传研究工具,其中荧光共振能量转移-荧光寿命显微成像（FRET-FLIM）技术在实时探测分析活细胞中生物大分子构象变化和分子间动态相互作用过程具有独特的优势,如：实现对活细胞的实时“可视化”研究,同时具有高时空分辨率;检测更加灵敏、结果可信度高;且基于简易的数学运算完成简单快捷的分析程序。介绍FRET-FLIM技术的理论背景知识,对比了该技术与传统蛋白相互作用技术研究的利弊,同时归纳了其在蛋白相互作用、细胞生物学和疾病诊断等方面的最新应用研究进展,最后总结和讨论了FRET-FLIM技术的未来发展趋势,以期能够为揭示活细胞的结构和细胞过程相关研究提供新的见解。     

共焦扫描荧光显微镜的信噪比与测量精度

激光扫描共焦显微术和多光子显微术等新的显微成像技术可以对厚的生物样品实现光学断层成像 ,因而在生物医学诊断领域具有重要的应用前境。在Fried的一维分辨度理论的基础上 ,系统地讨论了运用共焦扫描荧光显微术在进行光学断层成像时 ,其光学断层平面分辨度与信噪比之间的定量关系 ,建立了实际显微成像系统平面测量精度的定量计算方法。所得出的结果对于选择共焦扫描显微成像系统的最佳参数及评价所设计的显微成像系统的性能具有重要的意义。     

单分子定位超分辨显微成像技术研究进展及展望(特邀综述)

随着新型荧光探针、先进激光、高灵敏光电探测器等相关领域的不断发展,突破衍射极限的超分辨光学显微技术为现代生物医学研究提供了新的有力工具,其中的单分子定位技术利用荧光分子的光开关效应,实现了亚细胞结构的纳米精度超分辨成像.本文介绍了单分子定位超分辨显微技术的基本原理与实现,例举了其在细胞生物学、组织生物学以及神经科学等方面的应用,讨论了该技术目前的发展趋势及可能的改进方向,为相关领域科学研究提供参考.超分辨光学显微技术的不断创新将推动生命科学的新发展.     

热作用过程中生物组织特性变化的光学监测

基于热作用下生物组织特性的理论，描述了最新的理论研究进展，介绍了将光学监测技术用于热致组织特性变化研究的原理与方法，并给出了典型的实验结果；生物组织的散射系数与损伤特性的关联：生物组织的吸收系数对脱水量的依赖性；热作用下血液灌注的光学成像监测。将光电技术用于热作用过程中生物组织特性变化的监测，对进一步完善热疗理论、实现热疗的在体监测具有重要的理论意义与实践意义。     

显微光子计数成像系统及其应用

光子计数成像系统可以探测生物超微弱发光,但是只能探测生物的宏观图像,若要深入到细胞、分子水平,必须有显微光子计数成像系统。二者的区别类于显微光子计数成像系统是噪声受限系统。本文报道的显微光子计数成像系统,采用＾１４Ｃ同位素光源来监测系统的状态,保证实现极限探测。该系统可以用来研究痕量生物分子的分布和功能,显示钙离子在细胞内外的分布,活性氧、基因表达的监测等。由单光子到单分子、组织学图像到功能图像的     

缝隙增强拉曼探针：制备、光学属性和应用

缝隙增强拉曼探针(Gap-enhanced Raman tags, GERTs)是一种基于表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)技术的新型核壳纳米光学探针。SERS是一种非常敏感的光谱技术,用于检测分子的振动和转动信息。在SERS中,当分子与金属纳米结构(如金、银纳米颗粒)接触时,会产生强烈的拉曼散射信号增强效应,可以使分子的拉曼散射信号增加10个数量级以上。GERTs探针通过将拉曼报告分子包埋在颗粒内部缝隙中,获得超高的检测灵敏度,可达到单颗粒检测水平,同时,其具有分子特征光谱、特异性高,因此被广泛应用于各个领域。本文介绍了GERTs的制备和光学属性,以实现满足于实际应用的高拉曼性能的GERTs探针。同时,我们对GERTs首次作为物理不可克隆标签的应用,以及其在生物医学成像和综合诊疗方面的最新进展进行了全面综述。最后,我们对GERTs在真实应用场景中所面临的挑战进行了全面评估,为推动GERTs技术的临床转化提供了重要的参考依据。展望未来,随着进一步的研究和发展,新型、稳定且高亮度的GERTs探针定将成为一项关键的分析工具...     

磁纳米粒子介导的磁致振动超声成像研究现状及展望*

超声成像作为临床上常用的影像检测方法,在疾病诊断、术中导航和术后评估等方面发挥重要作用。随着纳米技术的快速发展,不同的微纳米材料或成像探针的构建,为超声成像提供新的发展动力。其中,磁纳米粒子介导的磁致振动超声成像是近年来发展的一种新兴的成像技术。其主要原理是基于磁纳米粒子在变化磁场作用下产生磁致振动,利用超声波探测粒子的振动信息即可获得该粒子的空间分布信息。由于磁纳米粒子作为构建分子成像探针的重要组成部分,该成像方法有望为超声分子成像提供新的思路,具有较大的研究价值和应用前景。基于此,该文将围绕磁纳米粒子介导的磁致振动超声成像技术的原理和研究现状展开介绍,并对该技术的发展趋势进行展望。     

用于在线E-FRET定量成像的自动背景识别与数据筛选

因灵敏性高、无损伤和测量速度快等特性,基于3-cube的荧光能量共振转移(E-FRET)显微成像术是目前最流行的活细胞定量FRET成像技术。为了实现活细胞在线实时FRET定量成像,首先提出了一种细胞图像背景自动识别与图像阈值设定的方法:逐像素统计灰度值出现的次数,第1个峰值处的灰度值确定为背景值;将背景值的β(经验常数)倍设为阈值,将扣除背景的供体激发供体探测通道图像和受体激发受体探测通道图像再次扣除阈值,负值置零后进行逻辑与运算制作用于数据筛选的布尔逻辑模板,并将其用于FRET效率和供受体浓度比的数据筛选。利用所提出的方法对转染了不同FRET质粒的细胞进行活细胞在线动态定量E-FRET成像,得到了与期望值一致的测量结果。     

半导体聚合物纳米荧光探针的制备及生物应用研究进展

半导体聚合物作为功能有机高分子材料被广泛应用于有机光电子器件领域的研究。近年来由半导体聚合物构成的荧光纳米粒子引起了广泛的研究兴趣。这类新型纳米探针具有光学吸收截面大、量子效率高、辐射跃迁速率快、光稳定性好等特性,在荧光成像和生物传感等领域获得了重要应用。本文简要概述了近年来半导体聚合物纳米粒子的研究进展,包括其光物理性质、表面功能化以及在细胞标记、体内成像、生物传感、单粒子示踪、药物输送和光动力学疗法等领域的应用。     

胶束型磁共振成像分子探针的设计与应用

飞速发展的分子影像学在肿瘤的早期诊断及检测中发挥着越来越重要的作用.磁共振成像(MRI)是分子影像学的重要分支，具有其他成像技术不可比拟的优越性和广阔的发展前景.它不需要放射性示踪剂，没有电离辐射，具有高的空间、时间分辨率和组织对比度.近年来，新型磁共振分子探针及成像序列取得了一系列进展，包括环境响应型分子探针、¹⁹F成像、¹²⁹Xe超极化成像以及化学交换饱和转移成像等，进一步拓展了MRI的应用范围.研究和开发靶向性好、弛豫效率高且安全性好的新型多模态MRI造影剂，进一步提高灵敏度是MRI领域的一项重要课题，例如将胶束的特性与一些MRI新方法结合，寻找合适的胶束体系，以提高MRI分子探针的灵敏度；或者引入多模态分子探针，弥补磁共振方法的不足.本文综述了胶束型MRI分子探针核心技术的研究进展与应用，并指出分子影像技术在生物医学工程研究和临床诊断中的重要性.