荧光显微镜在生命科学中的应用

荧光显微镜在生命科学中的应用

摘要: 荧光显微镜是在光镜水平上，对细胞内特异的蛋白质、核酸、糖类、脂质以及某些离子等组分进行定性研究的有力工具。本文综述了结构光照明荧光显微镜、隐失波荧光显微镜在生命科学中的应用。关键词: 荧光显微镜;应用

荧光显微镜具有可特异性标记、可对活体细胞进行实时动态成像的优势，在生命科学研究中获得了广泛的应用[1]，利用荧光显微镜观测生物活体和固定的细胞是研究目标蛋白定位和动态的一种重要手段。随着荧光标记和新的显微成像技术，如激光共聚焦显微镜和转盘式共聚焦显微镜的广泛应用，使人们对于细胞中的动态过程有了更深入的了解。

1.结构光照明荧光显微镜突破衍射极限的原理和在生命科学中的应用

结构光照明是一种通过改变照明光空间结构的照明方式，通常照明的结构光是一个载频条纹，这种照明方式可应用于角度、长度、振动等的测量，并广泛应用于三维成像[2-4]。结构光照明荧光显微镜，是在宽场荧光显微镜的基础上，利用特殊调制的结构光照明样品，运用特定算法从调制图像数据中提取焦平面的信息，突破衍射极限的限制，重建出超分辨切层的三维图像。将结构光照明应用于荧光显微镜，具有成像速度快、光路结构简单、对荧光分子无特殊要求、能够应用于活体细胞实时动态三维成像的优势，因而在生物医学成像领域引起

了广泛关注，是应用前景广泛的超分辨荧光显微技术。

荧光显微镜由于其无损、非入侵的观察方式和特异性标记识别的特点，在生命科学研究中应用广泛。但是由于其分辨率受到衍射极限的限制，细胞内许多复杂的精细结构无法观察到。结构光照明荧光显微镜作为一种能够突破衍射极限的荧光显微镜，大大提高了细胞结构成像的分辨率和图像清晰度，有力地促进生命科学研究的发展。

2.隐失波荧光显微镜及其在植物细胞生物学中的应用

应用隐失波荧光显微镜观测细胞膜附近生物学过程的优点是，它只激发生物样品靠近盖玻片附近一薄层区域内的荧光基团。所谓生物学过程包括:追踪单个分子与膜结合以及与膜分离的过程，配体与细胞膜表面受体结合的动力学，胞吞胞吐过程以及其它定位于细胞膜的分子的动态等。

2. 1 细胞膜表面的受体

隐失波荧光显微镜可以用于研究细胞膜表面受体与配体结合的动力学［5］，受体的聚集以及它们的横向运动。细胞膜表面的受体可通过荧光基团标记的配体、抗体或其它小分子进行标记，甚至还可用荧光蛋白( 如 GFP、m Cherry 等)对感兴趣的受体进行标记。

2.2 胞吞与胞吐

迄今为止，已有许多研究利用隐失波荧光显微镜对胞吐过程进行观测，其中包括应用 styryl 染料(如 FM4-64 和 FM1-43)或带有荧光基团的货物标记正在胞吐的囊泡，以观测单个胞吐的过程。通常在观测过程中，只有当胞吐的囊泡进入到隐失波范围内，其荧光基团才

可被激发而发出荧光;而当囊泡与细胞膜融合时，由于囊泡内容物释放到细胞外或扩散到细胞膜上，荧光信号就会迅速消失

2.3植物细胞中的应用

由于植物细胞有细胞壁，且随着植物的种类、细胞的类型、植物的生长时间、生长状况及水分含量的不同，细胞壁的厚度也会有很大的变化。另外，植物细胞并不像培养的动物细胞有较好的贴壁性，如果直接利用隐失波荧光显微镜观测植物细胞仍存在一定的局限性，然而，近年来随着观测技术的不断改进，隐失波荧光显微镜在植物细胞的研究中一定会得到越来越广泛的应用[6]。本课题组已搭建了隐失波荧光显微镜实验平台，并利用其对转氨蛋白 ATM、水通道蛋白PIP2、蓝光受体 Photo1 以及网格蛋白 CLC 在细胞膜上动态时行了观测分析。

2. 4植物细胞内吞的研究

当应用隐失波荧光显微镜对整株拟南芥幼苗中定位于细胞膜的蛋白和靠近细胞膜的细胞器及细胞骨架进行观测，所得结果与荧光显微镜或激光共聚焦显微镜相比，显然隐失波荧光显微镜能得到信噪较高的图像。

目前，结构光照明显微镜的使用主要集中在生命科学研究领域，扩展其应用领域也将是未来研究的方向。通过改进技术以及扩展应用范围，结构光照明显微镜将促进科学研究的发展。近年来隐失波荧光显微镜在国际上已逐渐商业化，并成为实验室中一种不可缺少的常规实验仪器，它在生命科学的研究中作为观测植物样品表面的一种新技

术将有着十分广阔的应用前景。

参考文献:

[1] 吴美瑞,杨西斌,等.结构光照明荧光显微镜突破衍射极限的原理和在生命科学中的应用[J].激光与电子学进展,2015,52:010003

[2] 苏显渝, 张启灿, 陈文静. 结构光三维成像技术[J].中国激光, 2014, 41(2): 0209001.

[3] 柳迪, 姚振宁, 李海峰, 等. 基于波长分离的结构光采集系统[N]. 光学学报, 2012, 32(6): 0612003.

[4] 彭祎帆, 陶毅阳, 于超, 等. 基于红外结构光的三维显示用交互装置[J].光学学报, 2013, 33(4): 0412005.

[5]何化，任吉存.全内反射荧光成像技术及其在单分子检测中的研究进展[J］. 分析测试学报，2007，26(3): 445 － 449.

[6]范路生，薛轶群，王晓华，等. 隐失波荧光显微镜及其在植物细胞生物学中的应用[N].电子显微学报,2011,31(2):48-54.