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。     

单分子荧光检测在生命科学中的应用

文章对单分子荧光检测在分子马达、离子通道、信号分子、蛋白折叠、蛋白构象变化动力学、酶活性反应、细胞过程实时观察等生命科学领域中的应用进行了介绍.这些研究结果表明,单分子荧光检测在研究生物大分子的活动规律与机制方面不但有着无法替代的优越性,而且有着广阔的发展空间.     

活细胞核浆粘滞系数的荧光相关谱研究

细胞核浆粘滞系数直接反映一定生理状态下核内微环境的特性,是判断病变细胞和研究核内分子功能机制的重要依据。为了实时、灵敏和无损地测定单个活细胞的核浆粘滞系数,提出了一种基于荧光相关谱(fluorescence correlation spectroscopy, FCS)技术的新型检测方法。研究中利用FCS技术测定绿荧光蛋白分子(EGFP)在细胞核内的扩散系数,并且根据Stokes-Einstein关系式计算出核浆粘滞系数,同时实现了对特定生理条件下核浆粘滞系数的跟踪测量。结果表明：在pH 7.4以及37 ℃的条件下,人肺腺癌细胞(ASTC-a-1)和人宫颈癌细胞(HeLa)的核浆粘滞系数分别是(2.55±0.61)cP和(2.04±0.49)cP, 与传统方法的测量结果一致,并且发现核浆粘滞系数大于细胞质的粘滞系数。以上研究表明FCS技术可精确无损地检测单个活细胞内达飞升量级的微观环境,是探索细胞内生物分子动态行为的有力工具。     

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。     

基于ICCD的快速荧光显微成像技术及在活细胞研究中的初步应用

利用像增强型CCD、氩离子激光器和氙灯等建立了一套快速荧光显微成像系统,并初步应用于活细胞研究。实时观测和拍摄了大鼠脑微血管内皮细胞增殖分裂过程中细胞内钙敏感荧光探针Fluo-3标记的钙离子浓度分布快速变化的图像,并选取动态图像中四个典型的点给出荧光强度灰度值的变化曲线。该系统可用于高灵敏实时记录活细胞内基于荧光显微成像的快速变化过程,为活细胞的研究提供了一种很好的观察和分析手段。     

血清白蛋白与小分子化合物相互作用的荧光光谱研究

以牛血清白蛋白-Triton X-100和牛血清白蛋白-盐酸西布曲明两个体系为实例,考察了以血清白蛋白和小分子化合物为荧光检测对象所获得的相互作用信息的差异。发现两种方法获得的分子间结合常数差异显著,说明在以血清白蛋白为检测对象的传统荧光光谱法中,以色氨酸基团的荧光光谱所表达的信息来代表整个蛋白分子的相互作用信息是不准确的。文章提出了以荧光小分子化合物为检测对象的改进荧光光谱方法和荧光背景扣除方法,前者能全面表达相互作用过程中分子的整体信息,后者实现了荧光光谱交叠体系的荧光光谱法相互作用分析。     

微腔中单分子对荧光共振能量转移光谱学的理论研究

生物大分子动态的结构变化能够使用单分子对荧光共振能量转移谱技术来研究.主要研究了微腔在单分子对共振能量转移实验中有效提高相应单分子对的荧光发射信号的作用,从而提高该技术的时间分辨率.研究发现.由于受体一微腔的强耦合相互作用,光学微腔使得受体分子变成了一个类似于单原子激光的激光体.此外,随着距离的增加.受体的光子数会很快下降.微腔使受体的发射光对单分子对间的距离有更大的依赖性,在腔体中进行单分子对共振能量转移实验町以得到更高的时间分辨率.研究结果为单分子对荧光共振能量转移技术提供了实验方法和理论指导.     

拉直的单个DNA分子的全内反射荧光实时成像研究

全内反射荧光(TIRF)成像技术利用穿透深度仅200 nm左右的隐失波来激发诱导荧光,探测灵敏度和图像信噪比大大提高,成为单分子研究的有力工具。分子梳技术利用DNA末端与固体表面的结合力和周围流体流动产生的侧向力将DNA分子拉伸并平铺在表面上。结合这两种技术,对分子梳拉直的单个DNA分子进行了清晰的实时荧光成像,发现TIRF成像条件下DNA分子与荧光探针YOYO-1组成的复合体可自然避免发生光敏断裂现象;实时监测了单个DNA-YOYO-1复合体的光漂白过程,通过对激发光照射时间与探测器曝光时间进行同步控制,可大幅降低光漂白程度,为拉直的单个DNA分子的长时间实时观察和成像研究优化了实验条件,为实时、可视化地研究其与蛋白质相互作用的动力学过程奠定了基础。     

核酸与有机小分子反应机理的荧光特性研究

核酸与有机小分子的反应机理对认识核酸的结构与功能具有重要作用,也是揭示核酸的生物功能与一些药物的作用机制的重要途径。研究核酸与有机小分子之间的相互作用对生命过程的模拟和生命本质的探索具有十分重要的意义,并对近年来该领域采用的荧光光谱法进行了综述,从温度、双分子猝灭过程的速率常数、荧光寿命以及吸收光谱的变化等方面作了论述,从而确定了核酸与有机小分子(染料和药物)之间相互作用的荧光猝灭类型;总结了结合常数、荧光给体-受体间的作用距离、作用力类型及结合方式的多种求算方法,并分别阐述了核酸与染料及药物在不同结合数下生成常数的计算方法。这对研究核酸与有机小分子之间的作用机理、开发新的核酸探针以及以核酸为靶标的药物分子的设计有一定的指导意义。     

空穴传输材料对CdSe核壳量子点的荧光影响

用稳态光谱和时间分辨光谱技术研究了空穴传输材料对CdSe/ZnSe 与CdSe/ZnS核壳量子点的荧光影响。结果表明,空穴传输材料对量子点有较强的猝灭作用,随空穴传输材料分子浓度的增加,量子点的荧光强度明显地被猝灭,同时量子点的荧光寿命也被减短。两种不同空穴传输分子对CdSe/ZnSe量子点的荧光猝灭明显不同。在与相同空穴传输分子相互作用时,包覆ZnS壳层的CdSe核壳量子点荧光猝灭效率明显低于包覆ZnSe壳层的CdSe核壳量子点。量子点的荧光猝灭过程可以解释为静态猝灭和动态猝灭过程,其中静态猝灭来源于量子点表面与空穴传输材料间相互作用,而动态猝灭则主要来源于量子点到空穴传输材料的空穴转移过程。实验结果表明空穴传输材料的种类以及核壳量子点的壳层结构都对其荧光猝灭效应起关键作用。     

消癌平诱导人肺腺癌(ASTC-a-1)细胞内caspase-3活化的荧光光谱分析

采用CCK-8技术检测发现传统中药消癌平（XAP）对人肺腺癌（ASTC-a-1）细胞的增殖活性具有显著的抑制作用。利用共聚焦扫描荧光显微成像、荧光共振能量转移（FRET）及其受体光漂白技术证实了基于FRET技术构建的SCAT3质粒在ASTC-a-1细胞中的稳定表达。将消癌平加入细胞培养液中培育细胞,并在不同的时间检测活细胞内SCAT3的荧光发射光谱,从而监测细胞中caspase-3的活化状态。实验结果表明：(1)消癌平可以有效抑制人肺腺癌（ASTC-a-1）细胞的增殖活性并诱导细胞的死亡,消癌平对细胞的抑制作用具有剂量依赖性。(2)消癌平处理细胞72 h后,细胞内大量的SCAT3被切割,表明细胞内caspase-3的活化水平明显升高。(3)将含消癌平的细胞培养液与细胞共同培养24 h,然后采用没有消癌平的细胞培养液培养细胞48和72 h后,细胞内SCAT3的光谱没有明显改变,表明消癌平作用细胞24 h内没有显著激活细胞内的caspase-3。     

激光显示技术中行扫描同步的新方案

讨论了激光显示系统的基本原理,分析了传统的行扫描同步中增量式编码器的优缺点,提出了利用转镜实时定位系统代替增量式编码器的新方案,此方案具有实时准确、对电机无负载、成本低等优点.     

基于功能性核酸识别的荧光各向异性分析方法与应用

荧光各向异性方法又称荧光偏振法,基于相互作用的分子结合前后发射光退偏振的不同而实现对相互作用的研究或对目标物的检测。20世纪50年代Gregorio Weber用荧光各向异性法研究了氮磺酰氯与牛血清白蛋白和卵清白蛋白的作用,开启了该方法在生物化学研究中应用的先河。而20世纪90年代开始的功能性核酸(FNAs,包括核酸适配体和核酸酶等)的发现与合成,使基于功能性核酸的传感得到了广泛的应用。核酸适配体能够特异性识别目标分子,基于核酸识别的荧光各向异性分析方法具有高选择性、高灵敏度、高通量等优势,在研究蛋白质、核酸和小分子的相互作用中起到重要作用,然而如何提高结合前后的荧光各向异性信号变化,尤其是小分子识别前后,在基于功能性核酸识别的分析方法发展中是一个挑战。介绍了基于功能性核酸识别的荧光各向异性的方法应用于检测蛋白质、核酸及其他在生命活动中起重要作用的小分子的基本原理及设计理念。     

Fluorescence Methods to Probe Nanometer-Scale Organization of Molecules in Living Cell Membranes

The ability to study the structure and function of cell membranes and membrane components is fundamental to understanding cellular processes. This requires the use of methods which are capable of resolving structures at nanometer-scale resolution in living cells. In this review we survey fluorescence imaging methodologies capable of nanometer-scale resolution. We then critically examine specific biological applications of these methods, in the context of understanding membrane protein conformation and dynamics, intracellular signaling, organization of lipid rafts, and cell surface topology.     

Time-Resolved FRET and FLIM of Four-way DNA Junctions

Conformational transitions in a 4-way DNA junction when titrated with ionic solutions are studied using time-resolved fluorescence resonance energy transfer. Parameters characterising the transition in terms of critical ion concentration (c _1/2) and the Hill coefficient for ion binding are obtained by fitting a simple two-state model using steady-state spectra. Data obtained from a fluorescence lifetime plate reader and analysed by fitting a single exponential to donor fluorescence lifetime decays are shown to be in good agreement with the parameters obtained from steady-state measurements. Fluorescence lifetimes, however, offer advantages, particularly in being independent of fluorophore concentration, output intensity, inhomogeneity in the excitation source and output wavelength. We demonstrate preliminary FRET-FLIM images of DNA junction solutions obtained using a picosecond gated CCD which are in agreement with results from a fluorescence lifetime plate reader. The results suggest that time-resolved FRET-FLIM is sensitive to subtle structural changes and may be useful in assays based on 4-way DNA junctions.     

Visualizing macromolecular complexes with in situ liquid scanning transmission electron microscopy

A central focus of biological research is understanding the structure/function relationship of macromolecular protein complexes. Yet conventional transmission electron microscopy techniques are limited to static observations. Here we present the first direct images of purified macromolecular protein complexes using in situ liquid scanning transmission electron microscopy. Our results establish the capability of this technique for visualizing the interface between biology and nanotechnology with high fidelity while also probing the interactions of biomolecules within solution. This method represents an important advancement towards allowing future high-resolution observations of biological processes and conformational dynamics in real-time.     

石墨烯覆盖铝纳米光栅表面等离激元共振光谱及传感特性

表面等离激元共振技术具有无需标记、灵敏度高、实时检测等优点,已广泛应用于生物医疗、环境监测及食品安全等领域。相对于传统贵金属材料表面等离激元共振传感器而言,铝表面等离激元共振传感器具有价格低廉、共振光谱带宽小等优点,已逐渐成为了该领域的研究热点。针对铝材料存在与生物分子兼容性差、易氧化等缺点,利用石墨烯化学稳定性好、比表面积大、抗氧化能力强、生物兼容性好等独特优势,将其作为与被测分子直接接触的传感层,提出了一种石墨烯覆盖铝纳米光栅的表面等离激元共振传感器。首先,基于多物理场有限元仿真软件建立了该传感器的物理模型,分别分析了石墨烯层数和铝光栅结构参数(占空比、高度、周期)对传感器共振光谱的影响。结果表明,石墨烯与铝光栅的复合有效增强了入射光波与传感器的相互作用,采用单层石墨烯与铝光栅复合时,共振峰具有最窄的光谱带宽。当铝纳米光栅结构Λ=600 nm,H=40 nm,η=70%时,光谱反射率为零。进一步分析了结构优化后的传感器的传感特性。结果表明,单层石墨烯覆盖铝纳米光栅传感器具有最高的品质因数24.5 RIU-1,其灵敏度高达626 nm·RIU-1。该传感器具有探测精度高、分子兼容性好等优点,能为生化分析、环境监测和食品安全等领域提供一个新的绿色传感平台。     

Alternative mechanisms of structuring biomembranes: self-assembly versus self-organization

We study two mechanisms for the formation of protein patterns near membranes of living cells by mathematical modelling. Self-assembly of protein domains by electrostatic lipid-protein interactions is contrasted with self-organization due to a nonequilibrium biochemical reaction cycle of proteins near the membrane. While both processes lead eventually to quite similar patterns, their evolution occurs on very different length and time scales. Self-assembly produces periodic protein patterns on a spatial scale below 0.1 microm in a few seconds followed by extremely slow coarsening, whereas self-organization results in a pattern wavelength comparable to the typical cell size of 100 microm within a few minutes suggesting different biological functions for the two processes.     

Biomolecular dynamics and binding studies in the living cell

Isolation and preparation of proteins of higher organisms often is a tedious task. In the case of success, the properties of these proteins and their interactions with other proteins can be studied in vitro. If however, these proteins are modified in the cell in order to gain or change function, this is non-trivial to correctly realise in vitro. When, furthermore, the cellular function requires the interplay of more than one or two proteins, in vitro experiments for the analysis of this situation soon become complex. Instead, we thus try to obtain information on the molecular properties of proteins in the living cell. Then, the cell takes care of correct protein folding and modification. A series of molecular techniques are, and new ones become, available which allow for measuring molecular protein properties in the living cell, offering information on concentration (FCS), dynamics (FCS, RICS, FRAP), location (PALM, STED), interactions (F3H, FCCS) and protein proximities (FRET, BRET, FLIM, BiFC). Here, these techniques are presented with their advantages and drawbacks, with examples from our current kinetochore research. The review is supposed to give orientation to researchers planning to enter the field, and inform which techniques help us to gain molecular information on a multi-protein complex. We show that the field of cellular imaging is in a phase of transition: in the future, an increasing amount of physico-chemical data can be determined in the living cell.     

持久性有机污染物荧光光谱检测技术研究进展

持久性有机污染物(POPs)种类繁多,分布范围广,对生态环境和人体健康的危害性已引起广泛关注。环境中POPs的监测分析对于污染评价、污染物修复和生产管理等有着重要的意义。基于色谱分离技术的传统检测方法具有检测限低、灵敏度高、稳定性好等优点,但也普遍存在周期长、消耗高、过程繁琐等弊端。荧光光谱分析法具有样品使用少、预处理简单、快速、无损等优势而发展迅速,国内外学者开展了大量研究工作,形成了比较完善的方法体系。介绍了我国现行环境标准中POPs的控制浓度和检测方法,综述了近年来直接/间接荧光、同步荧光扫描联用技术、化学多维校正-三维荧光光谱法和激光诱导荧光技术对POPs检测方面的应用和研究进展,重点包括土壤及水体中多环芳烃、多氯联苯、有机氯农药等,着重介绍了最新研究成果,总结了技术各自适用的情况,分析了不足与待完善之处,并针对POPs的直接荧光光谱检测技术今后的研究与应用方向提出了展望,为进一步发展POPs的荧光光谱快速检测技术提供参考。