激光扫描共聚焦荧光显微镜技术及其在地球生物学中的应用

光学显微镜作为生命科学研究中的必要手段,经过近400年的发展其性能已得到显著的提升。激光扫描共聚焦荧光显微镜成像技术的出现,使得生物体微观三维结构的观察成为可能,与荧光探针技术的结合更是实现了生物样品从定性到原位定量分析的质的飞跃,同时还可提供生物体微观立体的成分结构信息。本文介绍了激光扫描共聚焦显微镜和荧光探针技术的发展现状、原理及应用方案,列举了该技术在地球生物学领域的主要应用。基于此提出了激光扫描共聚焦显微镜成像技术改进的方向,指出多种显微平台技术联用对生命科学的积极效应,最终实现地球生物学的长足发展。

表征高分子形态、表面和界面的新方法-激光扫描共聚焦荧光显微镜法(LSCFM)

从原理和应用两方面介绍了激光扫描共聚焦荧光显微镜法(LSCFM)。LSCFM是一种亚微米级荧光成象法,有四个因素影响其灵敏度:聚焦、物镜、探测器和光源。与传统的表征高分子形态、表面和界面的方法相比,LSCFM具有精度较高、制样简单且不损伤样品、快速反应、可三维成象的特点;大量的LSCFM应用研究表明,LSCFM是一种国外正在发展的,在药物控释、高分子材料形态、表面和界面表征中逐渐得到广泛应用的新方法。

共聚焦激光扫描荧光显微镜扫描系统研制

为适应三维光学微细加工及三维光学信息存储研究的需要,研制了共聚焦激光扫描荧光显微镜的工作台式扫描系统,扫描范围138μm×138μm。工作台采用压电陶瓷驱动器(PZTactuator)驱动的方式来获得高分辨率的位移,采用带柔性铰链的杠杆放大装置来获得较大的位移范围。描述了工作台的工作原理,并对其静态和动态性能进行了测试,实验表明这一扫描系统能很好的应用于共聚焦激光扫描荧光显微镜系统。

利用毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术对单根头发中元素空间分布进行无损扫描分析

头发中的元素与人的饮食和健康状况有关,对头发中元素的分析,不仅可用于刑事物证鉴别,还可为疾病的预防和治疗提供依据,因此,如何检测头发中元素分布等信息倍受人们关注。本文利用基于毛细管X光透镜和实验室普通X射线光源的共聚焦微束X射线荧光技术对单根头进行了无损扫描分析,分析了单根头发中元素的空间分布。在该毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术中,毛细管X光会聚透镜的出口焦斑和毛细管X光平行束透镜的入口焦斑处在共聚焦状态,从而形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元中的X射线信号,降低了背底信号对X射线荧光谱的影响,从而有利于提高该共聚焦X射线荧光技术的分析精度。该共聚焦技术中采用了具有高功率密度增益的毛细管X光会聚透镜,降低了该共聚焦X射线荧光技术对X射线光源功率的要求,从而保证了该共聚焦技术可以采用实验室普通X射线光源,降低了实验成本。实验表明,毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术在单根头发元素分布检测中具有应用价值。

成年大鼠脊髓损伤后Slit2的表达及免疫荧光激光共聚焦定位

目的:观察神经生长导向因子Slit2在大鼠急性脊髓损伤后表达变化和分布情况,探讨轴索再生导向机制。方法:成年SD大鼠用Allen’s方法制作脊髓挫伤(SCI)模型,分别于挫伤后第2,4,7,14天取材,半定量RT-PCR分析Slit2 mRNA的表达变化,免疫荧光激光共聚焦扫描观察Slit2蛋白在脊髓损伤区的分布。结果:RT-PCR显示SCI后出现Slit2转录上调,表达量持续增高并于伤后第7天达到顶峰,之后逐步下降;免疫荧光则显示Slit2阳性颗粒先后出现在脊髓损伤区灰质胶质细胞中及神经元胞膜上,以前角、中央管及中线周围和后角较为聚集。结论:成年大鼠脊髓急性损伤后存在Slit2表达一过性上调并在损伤区灰质内广泛分布,可能对再生轴索的导向性生长发挥重要作用。

毛细管X光透镜三维共聚焦微束X射线荧光技术在岩矿样品分析中的应用

利用毛细管X光透镜搭建了三维共聚焦微束X射线荧光谱仪,处在激发道的多毛细管X射线会聚透镜和处在探测道的多毛细管X射线平行束透镜处于共聚焦状态,该共聚焦结构降低了X射线荧光光谱的背底,从而有利于降低的X射线荧光分析技术的探测极限。在上述共聚焦结构中,多毛细管X射线会聚透镜和多毛细管X射线平行束透镜的焦斑重合形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元内的X射线荧光信号,当该共聚焦微元在样品移动时,就可利用该共聚焦技术原位无损得到样品内部的三维X射线荧光信息。该共聚焦技术使用的多毛细管X射线会聚透镜具有103量级的功率放大倍数,从而降低了该共聚焦技术对高功率X射线源的依赖程度,即利用低功率普通X射线源就可以设计毛细管X光透镜共聚焦X射线荧光技术。利用上述共聚焦微束X射线荧光谱仪对两种岩矿样品进行三维无损分析,在其中一种岩石中发现:Fe浓度大的区域Cu的浓度也大,这在一定程度上反映了岩矿自然生长的机理。实验结果证明:该共聚焦X射线荧光技术可以在不破坏样品情况下分析岩矿样品中元素成分组成和元素三维分布情况。该共聚焦三维微束X射线荧光技术在矿石勘察、玉器选材和鉴别、石质食用器皿、"赌石"和家用石质地板检测等领域具有潜在的应用。

同步辐射共聚焦X射线荧光微探针技术在生物原位研究中的应用

同步辐射共聚焦X射线荧光微探针技术(Synchrotron Radiation confocal micro X-ray Fluorescence,confocal μ-SRXRF)是一种具有深度分辨的三维元素分析方法,可以原位获得样品不同深度的化学元素信息,广泛应用于生命和环境原位研究领域。在上海同步辐射光源(Shanghai SynchrotronRadiationFacility,SSRF)硬X射线微聚焦及应用光束线站(BL15U1)搭建了共聚焦μ-SRXRF的实验装置和低温原位装置,并应用于生物样品体内化学元素分析。利用该装置对拟南芥种子和保持在低温环境中的大型蚤进行了原位荧光成像分析,无需切片及干燥过程直接获得了化学元素在样品体内的空间分布特征,并与常规μ-SRXRF获得的结果进行对比。实验结果表明:共聚焦μ-SRXRF可直接对生物样品体内的化学元素进行有效测量,同时联合低温原位装置可以扩展对热敏感的生物样品的化学元素分析,为生命和环境等研究领域提供强有力的原位表征技术。

激光共聚焦显微镜的主要功能及用于研究生科研工作的开放管理思路

激光扫描共聚焦荧光显微镜是现代生物医学常用的成像仪器,具有专业性强,仪器结构和测试软件复杂,操作难度大,价格昂贵以及普及率不够高的特点。随着自然科学的发展,当前国内各高校研究生的科研培养水平越来越高。大型科研仪器在自然科学研究中的作用也越来越受到大家的重视。将一些贵重的大型仪器开放给研究生进行日常的科研工作成为了当前各高校和科研院所的普遍现象。针对研究生培养工作的特点,以大型仪器LSCM为例,从仪器的功能特点、操作技术要求以及理论培训要点等方面阐述了将LSCM用于研究生科研工作需要注意的一些重要环节,总结出了LSCM用于研究生科研工作的一些管理方法。

荧光共振能量转移技术对肺腺癌活细胞中消癌平诱导半胱氨酸天冬氨酸酶3活化过程的实时监测(英文)

背景:将生物学技术和光学技术结合起来研究细胞增殖和凋亡的分子机制已成为生物工程学领域的研究热点。目的:应用共聚焦荧光显微成像技术和荧光共振能量转移技术在活细胞中观察消癌平诱导肿瘤细胞凋亡的分子机制。设计:观察对比实验。单位:华南师范大学激光生命科学教育部重点实验室暨激光生命科学研究所。材料:实验于2006-10/2007-03在华南师范大学激光生命科学重点实验室暨激光生命科学研究所进行。人类肺腺癌细胞为本实验室培养。消癌平注射液为通化神源药业有限公司生产(国药准字Z20025869),G418购自华美生物公司。质粒SCAT3由Miura教授提供,酶标仪(infinite M200,Tecan,Austria),线粒体定位荧光探针购于Molecular Probe公司。方法:①利用细胞计数试剂盒技术检测不同剂量的消癌平对人类肺腺癌细胞活性的抑制作用。②利用共聚焦荧光显微成像技术和荧光共振能量转移技术在大半个活细胞中实时检测消癌平诱导半胱氨酸天冬氨酸酶3活化的动态过程。③利用荧光检测技术在活细胞中检测消癌平作用后不同时间点的SCAT3的荧光发射谱。主要观察指标:①消癌平作用细胞后检测细胞的活性。②消癌平作用后实时检测SCAT3荧光共振能量转移效率的动态变化。③消癌平作用后线粒体形态的动态变化。结果:①消癌平剂量依赖性抑制肿瘤细胞的活性。②消癌平诱导细胞内半胱氨酸天冬氨酸酶3的活化。③消癌平诱导细胞中线粒体变圆和破裂。结论:消癌平可以诱导人类肺腺癌细胞的凋亡,半胱氨酸天冬氨酸酶3参与了其调控过程。

激光扫描共聚焦显微镜在光电材料中的应用

随着自然科学的发展,除了医学和生物研究领域,激光扫描共聚焦荧光显微镜(laser scanning confocal microscopy, LSCM)在材料科学研究中的作用越来越显现出来,特别在光电材料的研究中具有广泛的应用。结合多年的仪器管理和使用经验,以本学院的奥林巴斯激光扫描共聚焦荧光显微镜FV1000为例,对LSCM的成像特点、技术优势及其在光电材料成像中的应用情况进行了概述,以期能为LSCM在更多领域的应用和研究工作提供参考。

用同步辐射共聚焦X射线方法研究古代彩绘样品的层状结构

同步辐射共聚焦X射线方法是一种元素成分及其化学结构的三维无损分析方法,在地质、考古、环境、生物及材料等领域具有重要的应用。在上海光源的硬X射线微聚焦光束线站(BL15U)建立共聚焦X射线实验方法,并用于故宫彩绘样品的制作工艺及层状结构分析。基于BL15U的K-B聚焦系统,在能散探测器前采用会聚毛细管半透镜实现与K-B聚焦镜焦点的共聚焦状态,深度分辨在8.04 ke V(Cu-Kα)为31.5μm,可以开展共聚焦微束X射线荧光(Micro-X-ray Fluorescence,Micro-XRF)和共聚焦微束X射线吸收精细结构(Micro-X-ray Absorption Fine Structure,Micro-XAFS)实验研究。对故宫斗彩陶瓷和彩绘样品进行了元素及其化学态的深度分布分析,获得了斗彩陶瓷特有的三层釉结构以及彩绘样品内部颜料的化学信息。实验结果表明,该系统具有较高的空间分辨和探测灵敏度,是文物样品三维无损分析的有力工具。

一种快速测量共聚焦X射线分析装置探测微元尺寸方法

共聚焦X射线荧光技术是一种无损的三维光谱分析技术,在材料,生物,矿物样品分析,考古,证物溯源等领域具有广泛应用。共聚焦X射线荧光谱仪的核心部件为两个多毛细管X光透镜。一个为多毛细管X光会聚透镜(PFXRL),其存在一后焦点,作用是把X光管所发出的发散X射线会聚成几十微米大小的高增益焦斑。另一透镜为多毛细管X光平行束透镜(PPXRL),其存在一几十微米大小前焦点,置于X射线能量探测器前端,其作用是接收特定区域的X射线荧光信号。在共聚焦X射线荧光谱仪中,PFXRL的后焦点与PPXRL的前焦点重合,所形成的区域称作探测微元。只有置于探测微元区域的样品能够被谱仪检测到,使样品与探测微元相对移动,逐点扫描,便能够对样品进行三维无损的X射线分析。探测微元的尺寸决定共聚焦X射线荧光谱仪的空间分辨率,因此精确测量谱仪的探测微元的尺寸是非常重要的。如图1所示,谱仪探测微元可以近似为椭球体,其尺寸可以用水平方向分辨率X,Y,和深度分辨率Z表示。目前,常采用金属细丝或金属薄膜通过刀口扫描的方法测量谱仪探测微元尺寸。为了精确的从三个维度测量探测微元尺寸,金属细丝直径要小于探测微元尺寸。金属细丝和探测微元都是数十微米级别的尺寸大小,很难把金属靠近探测微元。为了得到探测微元在不同X射线能量下尺寸变化曲线,要采用多种金属细丝测量。采用单个金属细丝依次测量比较耗费时间。采用金属薄膜可以很方便地测量探测微元的深度分辨率Z,但是当测量水平分辨率X,Y时,难以准确测量。为了解决以上谱仪探测微元测量中存在的问题,本文提出采用多种金属丝平行粘贴在硬纸片上作为样品用于快速测量探测微元尺寸。附有金属细丝的硬纸片靠近谱仪探测微元,可以将探测微元置于硬纸片所在平面。由于硬纸片与金属细丝在同一水平面,在谱仪摄像头的协助下,可以把金属细丝迅速的靠近探测微元。靠近探测微元后,在全自动三维样品台的协助下,金属细丝沿两个方向对探测微元分别进行一次二维扫描。通过对二维扫描数据的处理便可以获得探测微元尺寸随入射X射线能量变化曲线。采用此方法对实验室所搭建的共聚焦X射线荧光谱仪的探测微元进行了测量。

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。

紫杉醇诱导不依赖于Caspase-3细胞类似Paraptosis的荧光光谱分析

研究了紫杉醇(Taxol)诱导人肺腺癌细胞(ASTC-a-1)类似Paraptosis的特征和机理。采用CCK-8技术检测了抑制细胞活性的特性,结果表明大于70μmol.L-1浓度的紫杉醇可以显著抑制细胞活性;采用激光共聚焦扫描荧光成像从形态上检测了紫杉醇诱导细胞死亡的形态特征,表明紫杉醇诱导了类似副凋亡(Paraptosis)特征的细胞肿胀和细胞质空泡化,而且没有细胞膜皱褶、细胞核浓缩等细胞凋亡的特征;通过基因质粒转染在细胞转染稳定表达基于荧光共振能量转移(FRET)质粒SCAT3,并利用FRET受体光漂白技术和荧光光谱检测分析技术研究了紫杉醇诱导细胞类似Paraptosis过程中Caspase-3的活化特性,结果表明在紫杉醇诱导细胞质肿胀和细胞死亡的过程中Caspase-3没有被活化。以上研究结果表明紫杉醇可以通过类似Paraptosis的方式明显诱导细胞程序性死亡,该过程不依赖于Caspase-3的活性。

两种荧光显微成像系统采集细胞器探针荧光图像的对比研究

目的 :应用荧光显微数码成像系统和共聚焦荧光显微成像系统采集细胞器探针图像的对比研究。方法 :传代培养内皮细胞 ,将四种细胞器探针与细胞共同孵育不同时间。采用荧光显微镜、计算机及高分辨率数码CCD组成的荧光显微数码成像系统采集四种细胞器探针的荧光图像。同时应用激光共聚焦显微镜采集图像进行对比。结果 :两种系统均可采集到细胞器荧光探针的图像 ;荧光显微数码成像系统采集的图像的特点为分辨率高 ,速度快 ,对细胞器的损伤小。结论 :荧光显微数码成像系统在细胞器探针的荧光检测定位研究中准确可靠。

胃癌细胞固有荧光特征初探

目的:探讨正常胃上皮细胞和不同分化程度胃癌细胞的细胞内固有荧光特征性生物物质来源。方法:通过激光共聚焦显微镜比较2种不同分化程度的胃癌细胞株和正常胃上皮细胞株在波长500～530nm的固有荧光表现;以罗丹明123(Rodamine123)对细胞内线粒体进行染色,观察细胞固有荧光的位置分布;采用氧化呼吸链阻断剂羰基氰化物间氯苯腙(CCCP)阻断细胞氧化呼吸反应,测定细胞内固有荧光强度变化。结果:波长500～530nm的细胞固有荧光主要来自于细胞线粒体内,不同分化程度的胃癌细胞株荧光强度都明显弱于正常上皮细胞株。CCCP作用于细胞可提高该波长范围细胞内的荧光强度。结论:细胞在500～530nm波段固有荧光减弱的特征可能有助于诊断胃癌,该固有荧光的生物物质来源可能是参与线粒体内氧化呼吸作用的重要辅酶还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)。

多重间接免疫荧光技术的建立及其在肝癌样本多种抗原检测中的应用

目的建立一种适合在肝癌组织同一冰冻切片上同时检测多种蛋白的多重间接免疫荧光染色法。方法用间接免疫荧光法联合激光扫描共聚焦显微镜技术对肝癌组织第一组4种蛋白进行染色和图像采集;用同源种属Ig G Fab抗体封闭;联合化学试剂(β巯基乙醇/十二烷基苯磺酸钠/盐酸胍/氢硼酸钠)清除法洗脱染料和抗体;再次对第二组4种蛋白进行染色和成像;用软件叠加两轮图像染色结果。结果激光光谱分离技术可以实现多达8种蛋白的共染结果;Ig G Fab抗体可以封闭非特异性染色;联合化学合剂清除第一轮抗体后,可在同一切片中进行第二轮染色。结论成功建立了在同一肿瘤组织标本同时检测多重标志物的方法。

532nm激光诱导荧光毛细管阵列电泳仪的研制

基于共聚焦激光诱导荧光检测技术,研制了一台旋转扫描高效毛细管阵列电泳装置。以波长为532nm的半导体二极管激光器作为激发光源,多根毛细管阵列采用圆形布局,微型高速直流电机带动旋转反射镜进行激光扫描,加快了数据采集的速度;采用旋转编码器实现了毛细管的定位与位置读出,并触发数据采集系统进行荧光信号采集。以罗丹明6G和罗丹明B为分析样品,考察了16通道毛细管阵列电泳仪的基本性能。

毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术在胶囊类药品分析中的应用

为了对胶囊类药品进行无损分析鉴别,利用两个多毛细管X光透镜搭建了共聚焦微束X射线荧光谱仪,两个处在共聚焦状态的透镜形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元中的X射线信号,这有利于分别对胶囊壳和其内部药物进行原位无损元素分析,从而辨别它们的种类。分析了4种胶囊类药品对应的X射线荧光谱特征,从荧光谱图上可以看出不同胶囊类药品有不同的X射线荧光谱,对应不同的元素组成,所以可以利用胶囊内部药物对应的X射线荧光谱鉴别胶囊类药品的种类。实验证明,利用共聚焦微束X射线荧光技术可以在不破坏胶囊壳的情况下对胶囊类样品进行无损原位分析,该技术在胶囊类药品种类和真伪鉴别中具有潜在应用价值。

激光共聚焦显微镜对反义VEGF寡核苷酸转染TE-1及SKOV3细胞系的荧光检测

[目的]应用激光共聚焦显微镜检测转染至食管癌TE-1细胞及卵巢癌SKOV3细胞内反义VEGF寡核苷酸上荧光物质含量及转染对细胞凋亡的影响。[方法]传代培养食管癌TE-1细胞及卵巢癌SKOV3细胞,取VEGF反义寡核苷酸,按0.1μmol/L组、0.3μmol/L组及0.5μmol/L组转染两种细胞,正义寡核苷酸0.3μmol/L同时转染作为对照。激光共聚焦显微镜观察VEGF寡核苷酸转染荧光图像,比较反义VEGF寡核苷酸的不同浓度在两种细胞摄入情况。流式细胞术检测不同浓度转染两组细胞的凋亡差异。[结果]食管癌TE-1细胞及卵巢癌SKOV3细胞不同浓度寡核苷酸转染24h荧光强度分别为32.69±2.94、51.48±5.76、56.62±1.2和72.56±2.01、96.42±3.21、98.54±2.07,两组荧光强度与对照组相比均有显著性差异(P<0.01),TE-1细胞及SKOV3细胞0.3μmol/L组及0.5μmol/L组之间荧光强度无显著性差异。TE-1细胞各浓度组凋亡指数较对照组有显著差异,而SKOV3细胞中凋亡指数较对照组无显著性差异。[结论]激光共聚焦显微成像技术能进行活细胞水平转染效率的定量检测,对选择合适转染浓度有帮助,提示不同癌细胞使用相同浓度抗血管生成药物可能效果有差异。