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。

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。

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。

亚细胞结构的超高分辨成像研究

本文介绍了3种常用的亚细胞结构成像技术包括荧光超分辨显微成像术、软X-射线显微镜和三维冷冻电镜的成像原理,细胞成像应用及所存在的问题。并提出多种显微镜联用的关联显微术由于结合了多种显微镜的优势,能够提供多方位信息,丰富细胞生物学的研究,有可能给细胞学带来全新的认识。

基于微球调制光场的超分辨成像及荧光增强

微球可实现光场的调制,能够将入射光束聚焦于微球背面一个极窄区域,使得出射光束半峰全宽小于光学衍射极限,且聚焦强度远远高于入射光场强度。此外,微球具有高数值孔径特性,能够提高探测信号的收集效率。基于所述优势,微球为实现光学超分辨成像以及荧光增强提供了新思路和实现途径。相比传统技术,基于光学微球的超分辨成像及荧光增强技术更简便、更直接且易于实现,其成像及增强效果均可媲美传统超分辨技术与荧光增强技术,在生物成像及医学检测方面,具有重要的研究价值和应用前景。近年来,关于微球调制光场实现荧光增强的研究取得了较大发展,但与之相关的综述论文仍较少。系统总结阐述微球增强荧光发光以及微球调制光场技术,对于该领域的未来研究发展极为重要。首先介绍基于微球的光学超分辨成像,包括明场超分辨成像和荧光超分辨成像;然后阐述基于微球的荧光增强研究,包括现象研究、机制探索以及影响因素讨论等;最后,总结微球超分辨成像及荧光增强进展和技术应用,分析并展望该技术领域的未来发展挑战和趋势。

活细胞超分辨荧光显微成像技术前沿与进展

本文系统综述了活细胞超分辨荧光显微成像技术相关研究进展,探讨了领域内研究现状及热点问题,并归纳总结了超分辨技术在活细胞成像中的应用。本文具体概括了该技术在相关领域取得的多方面研究进展,其中结构光照明显微术、受激发射损耗显微术以及最低光子通量显微术是当前研究的热点和前沿。根据当前领域内的发展态势,本文预计未来基于人工智能和荧光探针及其标记方法的创新将是该领域未来一段时间的重点发展方向。

六芳基联咪唑分子开关的研究进展

六芳基联咪唑(Hexaarylbiimidazole,HABI)的光致变色效应,是1960年Hayashi和Maeda在研究2,4,5-三苯基咪唑氧化时产生化学发光的过程中偶然发现的。作为一类新型光致变色分子,HABI同时具有光致变色、热致变色以及压致变色特性。其变色机理是光照打断HABI分子中两个咪唑环之间的C—N化学键,产生两分子三苯基咪唑自由基(triphenylimidazole radical,TPIR)。由于HABI在变色后形成的有色态(TPIR)褪色比较慢(半衰期τ1/2为几分钟到几十分钟),同时生成的自由基比较活泼,容易发生不可逆副反应,使得其作为光致变色材料的抗疲劳性较差。近十几年,Jiro Abe课题组提出桥联绑定两个三苯基咪唑的构想,使得HABI的光致变色逆反应的半衰期由数分钟降低到几十微秒,尤其是近期,改性后的HABI成功运用于实时全息成像,显示了HABI作为新型光致变色材料的美好前景。本课题组在前人研究基础上,将HBAI的光致变色效应发展成荧光分子开关,设计合成出具有荧光分子开关性能的HABI并加以优化,成功地运用于超分辨成像。基于HABI的荧光分子开关及其新兴光学应用有望成为分子开关研究的新热点。

二芳基乙烯的发展与应用

光致变色是指化合物在一定波长和强度的光作用下分子结构发生可逆变化。二芳基乙烯相比于传统的光致变色分子具有良好的热稳定性和抗疲劳性,是目前最有应用前景的一类光致变色材料。本文归纳了二芳基乙烯具有的热稳定性和抗疲劳性的机理,并简述了其基于这些特性在光存储、分子开关、超分辨荧光成像以及分子机器领域的应用,同时对未来二芳基乙烯的发展方向作出展望。