超分辨荧光显微镜-显纳镜

2014年诺贝尔化学奖授予美国科学家Eric Betzig、德国科学家Stefan W.Hell和美国科学家William E.Moerner,表彰他们在"发展超分辨荧光显微镜"方面的贡献。超分辨荧光显微镜的出现,为深入研究生命过程的分子机制提供了新的工具和新的机遇。本文综述了三位获奖人发明的两种超分辨荧光显微镜的基本原理、方法发展和生物医学应用,并对国内相关研究进展作了简介。     

染料敏化太阳电池中染料的激发态超快动力学

正超快时间分辨光谱(ultrfast time-resolved spectroscopy)在飞秒甚至皮秒至纳秒时间尺度通过光谱技术探究超快的物质运动和变化,可用于研究激发态、过渡态的的瞬时结构变化和能量变化,可以获得化学反应的实时物理图象。该技术诞生于1987年,并于1999年获得诺贝尔化学奖~(1,2),     

可用于活细胞线粒体随机光学重构超分辨成像的分子内可逆环化五甲川菁染料探针

基于单分子定位的随机光学重构超分辨成像作为一种先进的光学成像方法,可用于尺寸小于光学衍射极限的生物结构的超清晰成像,为在单分子层面研究疾病的发病机制及寻找精准的治疗策略提供有力研究工具,在生物医学领域有着广泛的应用前景.随机光学重构超分辨成像技术依赖于标记探针的光物理性质,探针需要在大量缓冲试剂及含巯基试剂存在下才能产生稳定光致闪烁进行超分辨成像,获得理想的超分辨成像结果,但是大量缓冲试剂与巯基试剂对活细胞伤害较大,使得其在活细胞的超分辨成像应用上存在困难,而限制了其在生物医学成像领域的进一步应用,因此,需要开发可用于活细胞的单分子定位超分辨成像的新型光学探针.本工作提出了一种新的可用于单分子定位超分辨成像的五甲川菁染料探针,不需要外加成像缓冲液及巯基试剂就可以产生光致闪烁变化.基于此,开发了一种分子内自发开、关环反应的新型五甲川菁染料探针,具有活细胞膜通透性.探针不需要使用缓冲液体系及对细胞有害的含巯基试剂,在低功率单束激光直接照射下产生光致闪烁,探针对活细胞没有产生明显毒性,适合活细胞的超分辨成像.进入活细胞后探针选择性定位于细胞线粒体上,在激光照射下产生光致闪烁,电子倍增电荷耦合器相机（EMCCD）在采样频率60 Hz下收集不同条件下的光致闪烁图像,设置不同参数进行结果分析,使用ImageJ进行图像预处理后再使用Falcon算法重构获得活细胞线粒体的超分辨成像图像,相比宽场成像,成像分辨率明显提高,为生物医学光学成像提供新的研究手段.     

单分子定位超分辨显微成像有机荧光探针的研究进展

在生物医学领域,对纳米尺寸级别的微小生物目标进行精确定位研究具有非常重要的意义,而光学显微成像技术为此提供了强有力的工具。 光学显微成像技术受到光学衍射极限的限制,难以分辨尺寸在衍射极限(<200 nm)以下的生物结构,无法直接获取微小生物结构信息,阻碍了生物医学的进一步发展。 近年来,随着纳米分辨显微成像技术的出现,新型荧光探针的开发、成像系统与设备的不断发展及成像算法不断完善地深入结合,促进了光学衍射极限以下尺寸微观目标的研究。 基于单分子定位的超分辨荧光显微成像(SMLM)包括光激活定位成像(PALM)与随机光学重构超分辨成像(STORM),将有机荧光探针与超分辨光学显微成像技术紧密结合在一起,荧光探针的光物理性质直接决定着超分辨成像结果的好坏。 因此,设计不同性能的荧光探针可以实现超精细结构的不同超分辨成像,为研究其生物学功能提供了有力的工具。 本文着重围绕基于SMLM的原理、有机荧光探针的设计要求、用于SMLM的荧光探针种类及其生物应用等方面进行总结综述,指出了单分子定位成像上存在的不足,并对其发展方向进行了展望,希望为对超分辨成像研究感兴趣或初涉该领域的研究者提供成像理论与探针设计方面的帮助。     

超分辨率荧光显微技术——2014年诺贝尔化学奖解读

史蒂芬·赫尔(Stefan W. Hell)、埃里克·本茨格(Eric Betzig)和威廉·默尔纳(William E. Moerner)因在超分辨率荧光显微技术方面的贡献共享了2014年的诺贝尔化学奖.他们使用荧光分子和特殊的光物理原理,巧妙地突破了普通光学显微镜无法突破的"阿贝极限",其开创性的成就使光学显微技术发展为"显纳"技术,能够窥探纳米世界.     

光激活定位超分辨荧光成像的罗丹明分子设计

光激活定位显微技术(PALM)等超分辨成像技术的发展为高水平生命科学研究提供了突破光学衍射极限的研究工具.实现超分辨荧光成像的核心要素之一是高性能荧光染料,而罗丹明染料由于其优良的光学性质已成为设计PALM染料的热门选择.本文通过对PALM超分辨成像特点分析,给出PALM罗丹明染料的设计要求,并对已报道的PALM超分辨罗丹明染料的设计策略及其优缺点进行比较分析,希望通过对分子设计策略的综述,为研究者设计PALM超分辨罗丹明染料提供了一些帮助.     

多种超分辨荧光成像技术比较和进展评述

所见即所得是生命科学研究的中心哲学,贯穿在不断认识单个分子、分子复合体、分子动态行为和整个分子网络的历程中。活的动态的分子才是有功能的,这决定了荧光显微成像在生命科学研究中成为不可替代的工具。但是当荧光成像聚焦到分子水平的时候,所见并不能给出想要得到的。这个障碍是由于受光学衍射极限的限制,荧光显微镜无法在衍射受限的空间内分辨出目标物。超分辨荧光成像技术突破衍射极限的限制,在纳米尺度至单分子水平可视化生物分子,以前所未有的时空分辨率研究活细胞结构和动态过程,已成为生命科学研究的有力工具,并逐渐应用到材料科学、催化反应过程和光刻等领域。超分辨成像技术原理不同,其具有的技术性能各异,限制了各自特定的技术特色和应用范围。目前主流的超分辨成像技术包括3种:结构光照明显微镜技术(structured illumination microscopy, SIM)、受激发射损耗显微技术(stimulated emission depletion, STED)和单分子定位成像技术(single molecule localization microscopy, SMLM)。这些显微镜采用不同的复杂技术,但是策略却是相同和简单的,即通过牺牲时间分辨率来提升衍射受限的空间内相邻两个发光点的空间分辨。该文通过对这3种技术的原理比较和在生物研究中的应用进展介绍,明确了不同超分辨成像技术的技术优势和适用的应用方向,以方便研究者在未来研究中做合理的选择。     

浅谈2014年诺贝尔化学奖:超高分辨率荧光显微成像

超分辨显微成像技术是近些年来发展最快、受关注度最高的光学成像技术之一。这类技术突破了光学衍射极限,将显微镜的分辨率从几百纳米提高到几十纳米,为生命科学研究提供了一个强大工具。目前主流的超分辨率显微技术主要基于点扩散函数调制和单分子定位的原理来实现。其主要贡献者也成为2014年诺贝尔化学奖的获得者。本文简要讲述超分辨显微技术的发展历程并对其发展趋势进行展望。     

DNA修复:为生命提供化学稳定性——2015年诺贝尔化学奖解读

托马斯·林达尔(Tomas Lindahl)、保罗·莫德里奇(Paul Modrich)以及阿齐兹·桑贾尔(Aziz Sancar)因为从分子水平上解释了细胞进行DNA损伤修复的机制,被授予2015年诺贝尔化学奖。3位科学家的研究成果,解释了活体细胞DNA修复的运作机制,为治疗癌症这一人类的顽疾奠定了基础。     

应用全内反射单分子荧光成像研究蛋白复合物亚基组成

细胞的生化过程大都是由蛋白复合物完成的,研究蛋白复合物亚基的组成对于了解蛋白质的结构和生物学功能具有重要的意义,然而如何准确确定蛋白复合物中蛋白质亚基的数量（stoichiometry）仍然是一个挑战.近年来,活细胞体系单分子荧光成像技术的不断发展为原位实时动态地研究蛋白质的结构和性质提供了新的手段.本文主要介绍了应用活细胞全内反射单分子荧光成像技术表征细胞膜区蛋白复合物组成的3种方法,包括单分子漂白步数分析、荧光强度统计分布以及蛋白运动分析,并结合其基本原理介绍了这几种方法在活细胞体系膜蛋白研究中的应用.     

细胞表面的智能传感器:G蛋白偶联受体——2012年诺贝尔化学奖解读

美国科学家Robert J.Lefkowitz(罗伯特.莱夫科维茨)和Brian K.Kobilka(布莱恩.克比尔卡)因为突破性地揭示了G蛋白偶联受体(G-protein-coupled receptors,GPCRs)这一重要受体蛋白家族的内在工作机制而获得2012年诺贝尔化学奖。G蛋白偶联受体可以与激素和G蛋白结合形成三重复合物结构,从而活化G蛋白,引发生理反应。G蛋白偶联受体的结构及工作机制的发现与研究具有重要的理论价值和医药应用价值。     

基于ThT荧光寿命检测蛋清溶菌酶蛋白寡聚体

采用时间分辨荧光技术, 检测了不同形态蛋白聚集体的荧光染料硫磺素T(ThT)荧光寿命. 利用蛋清溶菌酶体外制备了蛋白聚集体; 采用透射电子显微镜(TEM)及ThT稳态荧光检测了结合蛋白纤维生长的动力学曲线, 确定其形成寡聚体及纤维样聚集体的特征和时间. 通过时间相关单光子计数(TCSPC)技术测定了蛋清溶菌酶单体、 寡聚体和淀粉样纤维的ThT荧光寿命曲线, 并拟合、 计算其荧光寿命. 根据圆二色谱(CD)分析结果推测聚集体的结构不同导致其与ThT的结合状态不同, 从而影响ThT荧光寿命. 结果表明, 通过测定ThT荧光寿命可以区分蛋白单体、 寡聚体和纤维样聚集体, 并监测蛋白寡聚体的形成, 为后续病理蛋白聚集过程中形成寡聚体物质的监测提供了研究基础.     

三维荧光二阶校正方法用于体液和细胞培养基中五味子甲素含量的快速测定

采用三维激发发射荧光光谱结合自加权交替三线性分解(SWATLD)二阶校正方法, 对人体液样(血浆样及尿液样)和细胞培养基样中五味子甲素的含量进行了直接快速定量分析. 在血浆背景、尿液背景和细胞培养基背景共存下, 当分析体系的组分数分别选择2时, 用SWATLD二阶校正方法获得相应五味子甲素的平均回收率分别为(100.4±1.6)%, (100.5±6.3)%和(103.6±4.5)%. 实验结果表明, 此方法不仅能够较好地解决这些复杂分析体系因背景内源荧光性物质与待分析物光谱严重重叠所引起的难分辨的问题, 还可以用于直接快速准确定量分析.     

基于功能核酸的细胞荧光成像

细胞是生物体基本的结构和功能单元,对活细胞中特定生物组分进行动态分析,将为相关生命活动过程的研究提供重要信息。荧光成像为细胞分析提供了一种操作简单、灵敏度高、可实时监测细胞微观动态分子过程的光学生物成像技术。发展高性能的荧光探针用于活细胞成像已成为研究热点。功能核酸是一类具有特殊化学和生物学功能的寡核苷酸分子,除了天然存在的核酶(Ribozyme)和核糖开关(Riboswitch)之外,还包括通过指数富集的配体系统进化技术(SELEX)筛选获得的核酸适体和脱氧核酶(DNAzyme)。功能核酸由于具有合成简单、免疫原性低、相对分子质量小、化学稳定性高、易于修饰等优点,在生物成像领域受到广泛关注。本文主要综述了基于功能核酸的荧光探针在细胞成像领域中的应用研究,总结了该领域面临的挑战,并对其未来发展方向进行了展望。     

原子力显微镜-荧光显微镜联用技术在活细胞单分子检测中的应用

原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)及荧光显微镜(Fluorescence microscopy,FM)是目前活细胞单分子分析检测中最常用的两种工具.结合两种显微镜的优势,发展高时空分辨、多功能的AFM-FM联用技术成为近年该领域的研究热点.本文简述了AFM单分子力谱和FM单分子荧光成像的原理,总结了AFM-FM联用系统在仪器研制方面的发展概况,并结合本课题组在应用AFM-FM联用技术研究细胞膜上配受体相互作用等方面的工作,介绍了其在活细胞单分子检测中的应用进展.     

含螺吡喃端基PNIPAM的制备及其在活细胞成像中的应用

利用ATRP活性聚合制备了不同分子量的含有螺吡喃(SP)端基的聚(N-异丙基丙烯酰胺)(SP-PNIPAM).考察了SP-PNIPAM的光致变色性能、荧光性能和临界转变温度,并研究了它们在活细胞成像方面的应用.螺吡喃以及SP-PNIPAM经激发后发射红色荧光.螺吡喃可以通过扩散穿过细胞膜进入细胞,因而对固定、成活细胞均能染色.而SP-PNIPAM用于细胞染色时,其染色特性与分子量有关,主要通过活细胞内吞作用进入活细胞内,因此可以选择性地用于活细胞荧光成像.     

生物电化学仪器的发展现状与展望

电荷传递是生命运动的基本过程之一,电化学方法在生命科学中的应用为相关生命现象的研究提供了一个有效而独特的物理化学视角,并带来超出常规生物学检测的丰富信息.随着生物电化学研究的不断扩展和深化,已从早期的生物分子电化学研究深入向活体、活细胞、单活细胞水平甚至活细胞中单分子水平发展.研究者对仪器设备性能如灵敏度、分辨率(时间分辨、空间分辨和能量分辨)和操作性等提出了越来越高的要求.本文综述了生物电化学仪器在应用领域和研究领域的现状,重点介绍单细胞电化学检测系统的构建,并初步探讨国内生物电化学研究仪器的发展趋势.     

光学显微镜如何变成纳米显微镜——2014年诺贝尔化学奖介绍

<正>2014年10月9日瑞典皇家科学院宣布把2014年诺贝尔化学奖授予埃里克·贝齐格、斯特凡·黑尔和威廉·莫纳,以表彰他们在超分辨率荧光显微技术领域取得的突破性成就。本刊编辑部特把诺贝尔奖委员会官网公布的公共资讯翻译后刊登于此,以飨读者。     

一种高效灵敏的DNA荧光探针的合成及应用

设计合成了一种新型噻唑橙二聚体荧光染料Bi-TO3, 采用荧光发射光谱、 圆二色光谱及活细胞荧光成像等方法研究了其与DNA的相互作用. 在10 mmol/L Tris-HCl缓冲液(pH=7.4)中, Bi-TO3的固有荧光极弱, 量子产率小于0.001%; 与小牛胸腺DNA结合后, 其荧光可显著增强约950倍, 但对RNA和蛋白等生物大分子及黏度等环境因素则无明显响应. 紫外吸收光谱及圆二色光谱滴定实验表明, Bi-TO3以小沟结合模式与DNA作用, 且对AT序列有选择性. 实验结果表明, 在缓冲溶液中Bi-TO3的荧光增强信号与低浓度范围的poly(dA-dT)₂仍呈良好的线性关系, 检出限为13.3 ng/mL, 灵敏较度高; 且Bi-TO3可在较低浓度范围(6~12 μmol/L)内应用于活细胞荧光成像.     

基于抑制扭转的分子内电荷转移(TICT)提升有机小分子荧光染料亮度及光稳定性※

有机小分子荧光染料研究已有170余年历史, 其结构和性能随着合成方法和应用需求的发展而不断革新, 已被广泛应用于荧光标记、探针和生物成像中. 近年来发展起来的超分辨荧光成像技术对有机小分子荧光染料的亮度、稳定性和开关性能等均提出了更高的要求, 这为染料发展带来了新的机遇. 当前, 化学工作者也将更多精力聚焦在染料结构改造提升有机小分子荧光染料的亮度与光稳定性. 激发态扭转的分子内电荷转移(TICT)是有机小分子荧光染料中主要的非辐射衰减途径之一. 因而, 抑制TICT能够很好地提升染料的亮度和光稳定性, 并成为目前针对超分辨成像技术发展高亮度和光稳定性的有机小分子荧光染料的主要方法. 本综述首先简要回顾了TICT的机制和发展过程, 而后重点介绍近些年通过抑制TICT策略来提升不同结构有机小分子荧光染料光谱性能方面的进展.