多光子成像技术的生物医学应用新进展

多光子成像技术由于具有低侵入性、强穿透力、高空间分辨率等优点,自问世以来便成为生物医学研究的有力工具,在癌症病理、神经疾病及脑功能成像等方面取得了一系列较好的研究成果.目前,应用较为广泛的多光子成像技术是双光子激发荧光显微成像技术,其在生物医学应用中具有较大的发展潜力.本文详细阐述了多光子成像技术在多色成像、功能成像及成像深度等方面的生物医学应用新进展,包括多色双光子激发荧光显微成像、双光子激发荧光寿命显微成像、双光子光纤内窥成像和三光子显微成像技术,并简要介绍这几种多光子成像技术的原理与特性,最后展望其未来发展前景.     

荧光寿命成象显微技术及其应用

本文综述了荧光寿命成象显微技术的概念、原理及实现方法,介绍了荧光寿命成象显微技术在生物物理、生物化学及临床医学诊断等领域的最新研究成果和发展现状,并就其未来的发展及应用研究进行了讨论.     

眼底视网膜色素上皮层细胞脂褐素及氧化黑色素自体荧光寿命成像研究

利用一种基于时间相关单光子计数器的双光子激发荧光寿命显微成像技术,对猪眼底视网膜色素上皮层细胞内的脂褐素和氧化黑色素颗粒的空间分布及其荧光寿命特性进行了研究,尤其对于这些色素颗粒在光致氧化环境中的荧光寿命差异进行了分析.结果表明,利用荧光寿命测量能有效区分视网膜色素上皮层细胞中的多组分荧光团,利用荧光寿命的衰减参数可分辨正常及异常的荧光现象.该方法有望发展成为一种用于眼科临床诊断及病理学研究的高灵敏度的工具,对眼底细胞随年龄增长的衰老机理的研究具有重要的意义. 关键词： 双光子激发荧光 荧光寿命成像 视网膜色素上皮层     

眼底视网膜色素上皮层细胞脂褐素及氧化黑色素自体荧光寿命成像研究

利用一种基于时间相关单光子计数器的双光子激发荧光寿命显微成像技术，对猪眼底视网膜色素上皮层细胞内的脂褐素和氧化黑色素颗粒的空间分布及其荧光寿命特性进行了研究，尤其对于这些色素颗粒在光致氧化环境中的荧光寿命差异进行了分析.结果表明，利用荧光寿命测量能有效区分视网膜色素上皮层细胞中的多组分荧光团，利用荧光寿命的衰减参数可分辨正常及异常的荧光现象.该方法有望发展成为一种用于眼科临床诊断及病理学研究的高灵敏度的工具，对眼底细胞随年龄增长的衰老机理的研究具有重要的意义.     

一种实现显微荧光寿命图的测量方法

将脉宽120fs、重复率76MHz激光引入激光扫描显微镜的激发光路,利用其扫描系统对荧光标记样品激发扫描,将激发出的荧光从荧光探测光路引入备用的外部探测口;在探测口接一快速光电倍增管,将光电倍增管的信号送给时间相关单光子计数器,获得时间相关的荧光强度图;最后通过计算机处理获得荧光寿命图。应用此系统对青色荧光蛋白(CFP)、黄色荧光蛋白(YFP)荧光寿命进行了测量,并应用CFP、YFP实现荧光共振能量转移的测量。通过实验看出利用已有的激光扫描显微镜,配合较先进的寿命测量方法,可以很好地实现显微荧光寿命图的测量。     

荧光寿命数据的相量分析及其应用

荧光寿命显微成像技术(fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM)具有特异性强、灵敏度高、可定量测量等优点,被广泛应用于生物医学、材料学等领域的研究.为使FLIM技术更好地适用于高通量数据的快速分析,近年来涌现出多种荧光寿命分析的新算法.其中,相量分析法(phasor analysis, PA)通过将时间域的拟合转化为频率域的直接计算来获得荧光寿命值,与传统的最小二乘拟合法相比,不仅更加简便快速,适用于低光子数情形,而且便于使数据内容可视化和对数据进行聚类分析,因此越来越受到科研人员的青睐.本文详细阐述了相量分析法的基本原理及运用方法,并在此基础上介绍了该方法在细胞代谢状态测量、蛋白质相互作用研究、细胞微环境测量,以及辅助病理诊断和提高超分辨成像分辨率等方面的应用,着重讨论了PA法在这些FLIM应用实例中的优势所在,为相关领域的研究提供有益的参考.最后,对荧光寿命数据的相量分析及其应用的发展方向进行展望.     

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.     

血啉甲醚的时间分辨荧光光谱研究

实验研究了用于肿瘤光动力学诊断的第二代新型光敏剂血啉甲醚(HMME)分别在不同血型人血清和生理盐水环境中的时间分辨光谱,同时还研究了在不同荧光发射峰处的荧光寿命以及光敏剂浓度对荧光寿命的影响。结果表明:HMME在625和690nm处的荧光寿命基本相同,无显著差异。HMME在生理盐水和人血清环境中的荧光寿命具有显著差异,分别为14.6和16.6ns,同时实验结果还表明光敏剂浓度对荧光寿命没有影响。结论对于开展肿瘤的时间分辨药物荧光光谱诊断与成像技术具有重要的指导意义。     

应用小波边缘检测技术分析荧光寿命显微像

研究了小波图象边缘检测技术在荧光寿命显微像分析中的应用，利用小波分析的多尺度特性进行了荧光寿命显微像的边缘提取，结果表明，这种方法非常有效。     

基于稀土发光纳米材料的时间分辨成像

时间分辨成像是一种在时域层面区分荧光信息的成像技术。该技术能有效地消除自体荧光和光散射的背景干扰,从而极大地提高成像信噪比和灵敏度;同时该成像技术不依赖于生物组织的厚度,适用于生物活体多通道定量检测。稀土发光纳米材料具有独特的光学性质,不仅在生物窗口内存在多个近红外窄带辐射,而且具备长荧光寿命(微秒-毫秒范围,长于生物内源性荧光团3个数量级以上),适用于时间分辨生物成像。特别是稀土纳米晶可以通过调节纳米结构和组分实现其荧光寿命的人工精确调控,从而制备出系列寿命编码型探针应用于活体时间域分辨成像。本文主要阐述了稀土发光纳米材料荧光寿命的普适性调控策略,系统地综述了该材料在时间分辨成像中的最新研究进展,并展望了其未来发展趋势。     

双光子阵列点激发同时多维荧光信息的处理

五维同时荧光信息显微成像方法是一种新的荧光信息获取技术，它采用了双光子阵列点激发方式.这一方法可同时获取激发阵列点每点荧光的位置信息、荧光光谱信息和荧光寿命信息，弥补了现有荧光检测技术的不同功能信息不具有同时性的缺陷.给出了从这种技术的复合信息中提取复合光谱几何强度结构图像、不同光谱几何强度结构图像、不同光谱寿命图像的方法.提出了一种激发荧光强度修正系数矩阵方法，消除阵列点激发光强不均匀对激发荧光强弱产生的不利影响，取得明显效果.实验对实际样品做了数据采集和处理，给出图像结果，表明处理的效果良好.对存在的问题也作了讨论. 关键词： 荧光信息处理 双光子 荧光光谱 荧光寿命     

拟威布尔分布密度函数在荧光寿命成像数据分析中的应用

荧光寿命法成像技术(FLIM)是一种非常有效、功能强大且能用来分析复杂生物组织和细胞分子的成像技术。传统的荧光寿命成像的数据分析,按某些具有不同寿命、离散的单参量指数模型来描述荧光衰减过程。在生物组织这样既复杂又不均匀的样品中,虽然多参量指数模型能提供比单参量指数模型对实验数据更好的拟合效果,但是离散多参量的假定往往是随意的。提出了拟威布尔分布密度函数可能是生物荧光分子团衰减动力过程的真实再现,并且通过计算证明,对于某些生化感兴趣的荧光分子团的多槽基面效价测定样品的数据,相对于单参量指数与多参量指数衰减函数有更好的一致性。同时讨论了将该荧光衰减模型应用于荧光寿命成像的前景。     

双光子激发时间分辨荧光光谱测量技术

建立了一台基于高重复频率扫描相机的双光子激发时间分辨荧光光谱测量系统，能够同时测量样品的荧光光谱和寿命. 该系统的时间分辨率为6.5—200ps，光谱分辨率为1—3nm，能够实现快速数据采集以及可靠和可重复的寿命和光谱测量. 利用标准荧光染料(若丹明6G、香豆素314)及其混合溶液对该系统进行了测试，所得到的荧光光谱分布和寿命值与文献报道一致. 实验结果表明，该系统能有效区分多组分荧光团. 这为鉴别多荧光团或多组分生物组织提供了一种独特的对比方法，可用于多光谱分辨荧光寿命成像和荧光共振能量转移成像等方面. 关键词： 荧光寿命 荧光光谱 双光子激发 高重复频率扫描相机     

荧光光谱及其成像技术在光活检中的应用

分析了人体组织自体荧光的主要物质来源和荧光特性,同时总结了国内外常见的第二代新型光敏剂及其临床应用情况。在此基础上,全面比较了各种应用于早期肿瘤光活检的荧光光谱及其成像技术,并重点讨论了这些技术的基本原理和临床应用现状,以及它们今后的发展方向。     

基于超短脉冲的癌细胞荧光光谱

研究用于癌症诊断与治疗的光敏剂血卟啉(hematoporphyrin derivative,HPD)的超快光动力学过程。采用超短脉冲激光光谱技术和皮秒时间相关单光子计数系统,测量经血卟啉培养的活体癌细胞与正常细胞的荧光光谱、荧光寿命特性及荧光峰值强度随时间的变化,观测到:癌细胞样品在645nm处具有特征发射光谱峰;癌细胞与正常细胞样品荧光寿命的快成分分别为150,300ps;癌细胞与正常细胞的荧光峰值强度经12h分别衰减10%和55%。对测量所得的荧光光谱曲线及时间分辨荧光衰减曲线分析,计算出:在癌细胞内部血卟啉浓度增大了约2个数量级;癌细胞与正常细胞的荧光寿命分别为824,1798ps;血卟啉在癌细胞与正常细胞样品中滞留时间分别为17,6d。测量结果确认了荧光光谱技术诊断与治疗癌症的可行性,并对发展超短脉冲激光光谱技术早期诊断与治疗癌症具有重要的指导意义和临床应用价值。     

全内反射荧光显微术

全内反射荧光显微技术是当今世界上最具前途的新型生物光学显微技术之一 ,可以用来实现对单个荧光分子的直接探测。它利用全内反射产生的隐失波照明样品 ,使照明区域限定在样品表面的一薄层范围内 ,因此具有其它光学成像技术无法比拟的高的信噪比和对比度。近年来 ,已被生物物理学家们广泛应用于单分子的荧光成像中。本文系统的介绍了全内反射荧光显微技术的原理、国内外的发展和现状及其在生物学上的应用 ,并对其未来做了展望。     

时域两维荧光寿命显微测量研究

提出了一种新的时域两维荧光寿命显微测量技术,建立了一套荧光寿命成像显微系统,介绍了这种测量技术的数据处理方法。用标准样品对该系统进行了测试,实验表明,该系统的时间分辨率为2ps,在放大倍率为100倍的情况下,该系统的空间分辨率为8um。如果在现有的设备下采用更细的网格板和微位移系统,那么该系统的空间分辨率可小于1um.     

基于皮秒时间分辨的癌细胞荧光寿命研究

研究了用于癌症诊断与治疗的光敏剂血卟啉(hematoporphyrin derivative,HPD)的超快光动力学过程,采用超短脉冲激光光谱技术和皮秒时间相关单光子计数系统,测量了经血卟啉培养的活体癌细胞与正常细胞的皮秒时间分辨荧光光谱及荧光峰值强度随时间衰变曲线,观测到：癌细胞与正常细胞样品荧光寿命的快成分分别为150和300 ps;癌细胞与正常细胞的荧光峰值强度经12 h分别衰减10%和55%。经对测量所得的荧光衰减曲线进行分析,计算出癌细胞与正常细胞的荧光寿命分别为824和1798 ps;血卟啉在癌细胞与正常细胞样品中滞留时间分别为17天和6天。结果表明癌细胞与正常细胞对血卟啉亲和性及对血卟啉滞留的稳定性有显著差异,测量结果确认了荧光光谱技术诊断与治疗癌症的可行性,并对实时监测生物样品微弱超快荧光具有重要的指导意义和临床应用价值。     

全内反射荧光显微术

全内反射荧光显微技术是当今世界上最具前途的新型生物光学显微技术之一，可以用来实现对单个荧光分子的直接探测。它利用全内反射产生的隐失波照明样品，使照明区域限定在样品表面的一薄层范围内，因此具有其它光学成像技术无法比拟的高的信噪比和对比度。近上来，已被生物物理学家们广泛应用于单分子的荧光成像中。本文系统的介绍了全内反射荧光显微技术的原理。国内外的发展和现状及其在生物学上的应用，并对其未来做了展望。     

超分辨荧光显微成像染料结构与生物应用（特邀）

荧光显微成像技术的生物医学应用离不开荧光染料的设计与开发。有机小分子荧光染料因其易于修饰、生物相容性好、光物理性质优异等特点,在细胞生物成像领域受到了广泛关注。随着超分辨荧光显微镜的发展和技术的进步,使得荧光显微成像突破了光学衍射极限,可以获得更为精准的生物分子学信息,观察纳米尺度下亚细胞器之间的相互作用。根据不同的成像原理,科学家开发出了单分子定位成像技术、受激辐射损耗成像技术、结构光照明技术等超分辨荧光显微技术。这些技术在细胞荧光显微成像领域的应用与发展,同时对有机小分子荧光染料的设计与开发提出了新要求。本文介绍了主流超分辨荧光显微技术的原理,总结已发表的超分辨荧光显微成像荧光染料的结构和光物理性质特点,归纳了其设计要求,旨在为新型荧光染料的设计提供参考。