荧光寿命成像及其在生物医学中的应用.pdf

维普资讯 第22卷，第2期 深圳大学学报理工版 VoL22．No．2 2005年4月 JOURNALOFSHENZHENUNIVERSITYSCIENCEANDENGINEERING Apr．2005 文章编号：1000—2618(2005)02—0133-09 荧光寿命成像及其在生物医学中的应用 刘立新 。，屈军乐。，林子扬。，陈丹妮。，郭宝平。，牛憨笨。 (1．中国科学院西安光学精密机械研究所，西安710068；2．中国科学院研究生院，北京 100864； 3．深圳大学光电子学研究所，深圳 518060) 摘 要：荧光寿命取决于荧光分子所处的微环境，通过对样品荧光寿命的测量和成像可以定量获取样 品的功能信息．介绍荧光寿命成像 (fluorescenceli~timeimaging，FLIM)技术原理、实现途径、发展现状 及其在生物医学中的应用．提出一种基于皮秒扫描相机、梯度折射率微透镜阵列、棱镜分光光谱仪、飞秒 钛宝石激光器和荧光显微物镜的新型五维荧光显微成像技术，该系统具有多光谱分辨功能以及很高的时间 和空间分辨率，能够实现三维多光子荧光强度、光谱分辨强度和寿命测量，将在高通量生化分析、组织鉴 别、胞 内生理学和荧光共振能量转移 (fluorescenceresonanceenergytransfer，FRET)等领域获得广泛应用． 关键词：荧光寿命；荧光寿命成像；同步扫描相机；时间相关单光子计数；荧光共振能量转移；功能 成像 ；多光谱分辨 中图分类号：Q334 文献标识码 ：A 在生物物理、生物化学以及临床医学诊断等领 焦显微 J、多光子激发荧光显微 ．5等技术结合， 域获得广泛应用的荧光分析和检测技术具有非常高 将为生物医学研究以及临床诊断提供全新的研究手 的灵敏度和分子特异性，其中，荧光光谱技术和荧 段．近年来，随着荧光探针、超快激光技术、高速 光显微技术可揭示样品中荧光团的组分和分布．但 高灵敏探测技术以及图像处理技术等的发展，为开 以往荧光分析或成像技术大多基于荧光强度的测 发廉价、高性能、多功能的荧光寿命成像系统创造 量，容易受激发光强度、样品猝灭和荧光染料的分 了条件．由于荧光光谱和荧光寿命所提供的生物体 布浓度等许多因素的影响，因此难以做到定量测 功能信息是互补的，研究具有多光谱分辨功能的荧 量．而荧光寿命的测量一般来说是绝对的，不受激 光寿命成像技术已引起了人们的兴趣．本文介绍荧 发光强度变化、荧光团的浓度和光漂白等因素的影 光寿命成像的实现途径、发展现状及其在生物医学 响，且不受其他限制强度测量因素的制约，仅与荧 领域的应用．提出一种新的基于皮秒同步扫描相机 光团所处的微环境密切相关，因此，通过对样品进 的具有光谱分辨和三维荧光寿命成像功能的五维荧 行荧光寿命成像 (florescencelifetimeimaging． 光显微成像技术． FLIM)，可以对分子所处微环境中的许多生物物理、 生物化学参数如 pH值、离子浓度 (如 Ca 、K 1FLIM原理及分类 等)、氧压、溶液疏水性及猝灭剂 (如碘化物、丙 烯酰胺)等的分布，进行定量测量 ¨]． 荧光寿命是指分子受到光脉冲激发后返回基态 基于荧光寿命测量的荧光共振能量转移 (fluo— 之前在激发态平均停留的时间，处于激发态的荧光 rescenceresonanceenergytransfer，FRET)技术 ，可 分子在退激发到基态的过程中发射荧光释放能量， 以提供一种非常精确的研究蛋白质一蛋白质分子之 激发态荧光团荧光强度的衰减用数学式表达为单指 间相互作用的手段．另外，将荧光寿命成像和共聚 数函数 ，： 收稿 日期：2004—12—14 基金项 目：国家自然