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.     

活细胞内的单分子荧光成像方法

文章介绍近年来新发展的几种重要的活细胞内单分子荧光成像方法,如转盘式共聚焦显微术、全内反射荧光显微术、荧光共振能量转移技术等。通过介绍它们的原理、特点和在活细胞内单分子行为研究中的应用实例,展示了这些新方法在生命科学领域广阔的应用前景。     

荧光显微光谱成像系统及教学设计

本文介绍了一种自组荧光显微光谱成像系统。该系统性能稳定、功能多样,可以实现空间显微分辨和光谱探测功能的有机结合,具有白光照明成像、激光激发荧光成像、显微光谱成像、荧光光谱探测和应力调控等功能。实验结果表明,该系统的光学分辨率385nm,光谱分辨率小于1nm,可以完成量子点和单层二维材料的荧光光谱探测、白光照明成像和显微光谱成像等。依托该系统设计开展的实验内容充足、层次分明,可满足不同学生的学习需求,为目前国内荧光光谱相关的物理实验教学提供思路。     

基于电动可调焦透镜的大范围快速光片显微成像

搭建了一种基于电动可调焦透镜(electrically tunable lens)的大范围快速光片荧光显微成像系统.通过引入电动可调焦透镜与一维振镜以实现成像物平面和光片位置的快速移动,再结合高速s CMOS完成快速光片荧光显微成像.另外实验中通过改善光路与提升动态成像质量,实现了大范围扫描并减少了伪像.最终对成像性能进行测试,本系统的纵向分辨率和横向分辨率分别达到约5.5μm和约0.7μm,单幅图像稳定成像的速度约为275 frames/s,成像深度可超过138μm,能满足对具有一定尺寸的生物样本进行实时清晰成像的需求.     

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...     

显微荧光成像光谱技术在录井中的应用

利用显微成像光谱仪对岩芯样品进行荧光显微成像,所得信息构成光谱成像立方体,从而同时采集到含油岩芯样品表面组构的空间信息和所含烃类的荧光光谱信息,克服了目前通用的显微荧光技术的某些局限性,得到一定波长范围内岩芯表面荧光各波长的单色图像,利用相应的软件做进一步的数据处理,得到发光波长、发光强度及发光部位等多维信息,从而可以更直观、科学地揭示岩石中的石油烃类分布含量及岩石结构和构造等,对石油录井及油气水层的判别和评价具有重要的实用价值。     

脉冲压缩在双光子荧光显微成像中的应用研究

本刊讯自20世纪90年代末,双光子荧光显微成像技术已经逐步成为利用光学手段研究生物组织和细胞的重要工具。由于双光子激发属于非线性光学过程,     

细胞研究的光学显微成像

介绍了在细胞及亚细胞结构与功能研究中发挥至关重要作用的各种现代光学显微镜,包括近场显微镜、共焦扫描显微镜、双光子成像显微镜、图像恢复显微镜及时间相关单光子计数技术,着重描述了后两种系统的工作原理及先进功能。     

活细胞应激反应过程中线粒体和核仁微环境动力学的荧光寿命成像研究

核仁和线粒体在维持细胞平衡发挥重要作用,研究其生理过程有助于深入了解生物学功能.本文采用一种红色荧光的芘罗丹明荧光探针在不同条件下靶向标记细胞线粒体和核仁.通过激光共聚焦成像和荧光寿命成像技术分析HeLa细胞在光照和药物刺激下细胞凋亡的形态变化,并利用相图定量分析了线粒体与核仁的微环境变化,确定在稳态HeLa细胞中探针标记到的线粒体的平均荧光寿命约为3.65 ns,线粒体黏度约为66×10–3 Pa·s.在激光光照后,探针标记到HeLa细胞线粒体的荧光寿命降至3.61 ns,对应线粒体黏度增至约131×10–3 Pa·s;使用紫杉醇和秋水仙碱诱导细胞凋亡,观察到探针标记于HeLa细胞核仁的荧光寿命先增加后降低,反映了在HeLa细胞凋亡过程中核仁微环境的变化,证明HeLa细胞在非稳态情况下核仁和线粒体的功能变化,为线粒体和核仁功能障碍相关疾病研究提供了新的研究方法.     

显微成像光谱仪技术的研究及应用

显微成像光谱仪技术是一种生物组织检测方法,目前广泛应用于生物医学检测和疑难病症分析,已成为组织检测领域的研究热点。论述了显微成像光谱仪各结构功能模块的工作原理及特点,并对其各主要技术指标进行了分析。介绍了目前的发展现状,并对所出现的多种显微成像光谱仪的技术方案及特点做了详细的总结。研究结果表明,显微成像光谱技术作为一种新的技术手段,必将在临床医学、生物学、材料学以及分析化学等领域得到广泛的应用。     

Fourier Interferometry as Applied to Microspectrofluorometry and Fluorescence Imaging of Living Cells

Excitation-emission fluorescence spectroscopy and imaging are applied to studies of cellular metabolism and at the convergence of cellular differentiation, detoxification, transformation, and senescence. Metabolic activity, intracellular redox levels, and compartmentation are probed by coenzyme [NAD(P)H] transients and monochlorobimane for glutathione dehydrogenase. Gene expression or its failure in lysosomal disorders is identified with fluorogenic probes. The "multiorganelle detoxification complex" is visualized and investigated with cytotoxic agents. A kind of photoactivated "accelerated cellular senescence" is recognized by accumulation of Schiff bases. Conventional and novel mitochondrial probes are used to localize these organelles in Saccharomyces cerevisiae as a model for future studies in mammalian cells and to detect in these very cells the organelle interactions resulting from the action of mitochondria-toxic drugs. The potential of these studies for biotechnology and instrumentation relying on fibers and integrated optics is considerably enhanced by Fourier interferometry.     

利用三通道实时荧光成像方法研究单个活细胞凋亡与胞浆pH值变化的关系

利用双波长分光器(Dual-View)和自制滤光片滑块,在基于像增强型电荷耦合器件(ICCD)的实时/快速荧光成像系统基础上,建立了一种基于单个ICCD的三通道实时荧光成像方法,同时发展了相应的图像校准处理方法用于消除光谱串扰的影响,并将该方法应用于单个活细胞的研究。利用Annexin V-FITC和SNARF-1两种荧光探针进行双标记,在单细胞水平上对亚硝基谷胱甘肽(GSNO)诱导小鼠胸腺细胞凋亡与其胞浆pH值变化的关系进行实时研究。结果揭示了GSNO诱导的细胞凋亡与细胞发生自发凋亡时胞浆pH值有不同的变化规律,为这种三通道实时荧光成像方法在生物医学领域的应用展示了广阔的前景。     

Fourier Interferometry as Applied to Microspectrofluorometry and Fluorescence Imaging of Living Cells

Excitation-emission fluorescence spectroscopy and imaging are applied to studies of cellular metabolism and at the convergence of cellular differentiation, detoxification, transformation, and senescence. Metabolic activity, intracellular redox levels, and compartmentation are probed by coenzyme [NAD(P)H] transients and monochlorobimane for glutathione dehydrogenase. Gene expression or its failure in lysosomal disorders is identified with fluorogenic probes. The "multiorganelle detoxification complex" is visualized and investigated with cytotoxic agents. A kind of photoactivated "accelerated cellular senescence" is recognized by accumulation of Schiff bases. Conventional and novel mitochondrial probes are used to localize these organelles in Saccharomyces cerevisiae as a model for future studies in mammalian cells and to detect in these very cells the organelle interactions resulting from the action of mitochondria-toxic drugs. The potential of these studies for biotechnology and instrumentation relying on fibers and integrated optics is considerably enhanced by Fourier interferometry.     

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。     

Electroporative Adjustment of pH in Living Yeast Cells: Ratiometric Fluorescence pH Imaging

A number of vital cell functions including modulation of signaling pathways and regulation of the cellular transport critically depends on the cytoplasmic pH. Many pathological cellular changes are related to the abnormal cytosolic pH as well. Reliable and well-calibrated methods for quantification of the cytosolic pH are therefore of high importance. The pH calibration is particularly difficult in walled cells since standard methods fail. In this report we evaluated the new electroporative calibration method of the cytosolic pH in yeasts by the fluorescence microscopy. The calibration was done on living cells using pyranine as a ratiometric pH-sensitive probe. The probe was electroporatively delivered to the cytosol. We have shown that unlike the measurements in suspension the fluorescence microscopy reveals cell subpopulations with different sensitivity to the pH calibration. While the majority of the cells were well calibrated, there was found subpopulation of uncalibrated cell as well as singular cells exhibiting anomalous pH calibration due to the staining of acidic organelles. Resolution of cell subpopulations helps to achieve better pH calibration compared to the calibration in cuvette on a cell suspension.     

N-N′-二-邻羧基苯基草酰胺荧光特性研究及应用

本文首次研究了酸度、温度对对称草酰胺:N-N’-二-邻羧基苯基草酰胺(OBBE)荧光特性的影响。测定了该试剂的荧光量子产率。发现在pH=8.0～9.5的H_3BO_3—NaOH缓冲介质中,硝酸根离子能使OBBE荧光强度定量猝灭。据此建立了同步荧光猝灭法测定硝酸根离子的新体系。OBBE的激发波长为210nm,发射波长为395nm。荧光猝灭值与NO_3~-在0.0028～0.16mg·L~(-1)呈线性关系,方法的检出限为0.0028mg·L~(-1)。实验了多种干扰离子的影响,用于水中硝酸根离子的测定,结果满意。     

基于光脉冲诱导快相与弛豫荧光的光合作用参数测量技术

为了更准确获取反映植物生理状态的荧光动力学曲线,基于光合作用电子传递过程研究了植物光合作用参数测量技术.采用可变光脉冲技术将植物光合作用过程分段为快相与弛豫过程,并测量激发光诱导产生的荧光动力学曲线.对激发光带宽与响应时间进行了定量分析;对I-V转换单元与MFB滤波器进行了设计与仿真分析,获取快相荧光动力学信息;采用同步脉冲采样积分技术,对微弱弛豫荧光进行积分,实现了快相与弛豫荧光动力学曲线的完整测量,并结合非线性拟合算法获取光合作用参数.测试结果表明,系统信噪比达到23.8 dB;暗适应与光适应下,本系统所测Fv/Fm与Water-PAM测量结果的线性相关系数分别达到0.980和0.997.该研究结果为植物光合作用研究及过程参数测量提供了一种测量手段.     

基于荧光动力学技术的黄渤海初级生产力快速测量

浮游植物初级生产作为海洋生态系统的重要起点,是海洋食物网的基础,是衡量海水质量的重要指标.为了准确测量、监测和预测浮游植物初级生产力的时空变化及其对外部环境条件的动力学响应,研究了一种基于叶绿素荧光动力学的测量技术,研制出响应时间为1.6 min、精度为4.86％ 的快速测量仪器.仪器测得的浮游植物初级生产力与液相氧电...     

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。     

DHL细胞中5-ALA代谢PpIX的双光子荧光光谱

双光子激发生物组织荧光,激发光仅作用于焦点区域,对生物样品的光漂白性和光毒性都很小,因而双光子荧光显微技术已成为细胞生物学研究的一种新技术。文章采用波长为820 nm飞秒激光激发孵育有5-ALA的DHL细胞,在激光扫描显微镜的Lambda模式中获得单个DHL细胞的双光子荧光光谱,并测量DHL细胞内积聚的卟啉九(PpIX)特征荧光值。获得了浓度分别为2, 4和10 mmol·L-1的5-ALA溶液中,细胞代谢的PpIX含量随孵育时间的变化情况。DHL细胞内积聚的PpIX处于动态变化过程,并呈现出两阶段性的特点：细胞内积聚的PpIX含量随着孵育时间增长而增加,在3 h附近达到最大值,随后随着孵育时间增长反而下降。结果表明,基于激光扫描显微的双光子荧光光谱可成为DHL细胞等白血病细胞摄取5-ALA并生成PpIX的动力学研究的有效方法。