應用專家 易海英

熒光現象

熒光是指熒光物質在特定波長光照射下，幾乎同時發射出波長更長光的過程(圖1)。當特定波長(激發波長)的光照射一個分子(如熒光團中的分子)時，光子能量被該分子的電子吸收。接著，電子從基態(S0)躍遷至較高的能級，即激發態(S1’)。這個過程稱為激發①。電子在激發態停留10^-9–10^-8秒，在此過程中電子損失一些能量②。電子離開激發態(S1)并回到基態的過程中③，會釋放出激發過程中吸收的剩余能量。

熒光分子在激發態駐留的時間為熒光壽命，一般為納秒級別，是熒光分子本身固有的特性。利用熒光壽命進行成像的技術叫熒光壽命成像(Fluorescence Lifetime Imaging，FLIM)，可以在熒光強度成像之外，更加深入地進行功能性準確測量，獲取分子構象、分子間相互作用、分子所處微環境等常規光學成像難以獲得的信息。

熒光的另一個重要特性是Stokes位移，即激發峰和發射峰之間的波長差異（圖2）。通常發射光波長比激發光波長更長。這是由于熒光物質被激發之后、釋放光子之前，電子經過弛豫過程會損耗一部分能量。具有較大Stokes位移的熒光物質更易于在熒光顯微鏡下進行觀察。

圖2：Stokes位移

熒光顯微鏡及熒光濾塊

熒光顯微鏡是利用熒光特性進行觀察、成像的光學顯微鏡，廣泛應用于細胞生物學、神經生物學、植物學、微生物學、病理學、遺傳學等各領域。熒光成像具有高靈敏度和高特異性的優點，非常適合進行特定蛋白、細胞器等在組織及細胞中的分布的觀察，共定位和相互作用的研究，離子濃度變化等生命動態過程的追蹤等等。

細胞中大部分分子不發熒光，想要觀察它們，必須進行熒光標記。熒光標記的方法非常多，可以直接標記（比如使用DAPI標記DNA），或利用抗體抗原結合特性進行免疫染色，也可以用熒光蛋白（如GFP，綠色熒光蛋白）標記目標蛋白，還可以用可逆結合的合成染料（如Fura-2）等。

圖3：Leica DMi8倒置熒光顯微鏡及濾片轉輪

目前熒光顯微鏡已成為各個實驗室及成像平臺的標配成像設備，是我們日常實驗的好幫手。熒光顯微鏡主要分為三大類：正置熒光顯微鏡（適合切片）、倒置熒光顯微鏡（適合活細胞，兼顧切片）、熒光體視鏡（適合較大標本，如植物、斑馬魚（成體/胚胎）、青鳉、小鼠/大鼠器官等）。

熒光濾塊是顯微鏡熒光成像的核心部件，由激發濾片、發射濾片和二向分光鏡三部分組成，安裝在濾片轉輪里，如Leica DMi8配有6位濾片轉輪（圖3）。不同的顯微鏡轉輪位數會有區別，也有些顯微鏡使用濾塊滑板。

濾塊在熒光成像中起著重要作用：激發濾片選擇激發光來激發樣品，阻擋其他波長的光；通過激發濾片的光經過二向分光鏡（其作用是反射激發光和透射熒光），反射后通過物鏡聚焦，照射到樣品，激發出對應的熒光即發射光，發射光被物鏡收集，透過二向分光鏡，到達發射濾片。如圖4中：激發波長為450-490nm，二向分光鏡反射短于510nm的光、透過長于510nm的光，發射光接收范圍為520-560nm。

圖4：熒光顯微鏡光路圖

熒光顯微鏡常用熒光濾塊可分為長通（long pass，簡稱LP）和帶通（band pass，簡稱BP）兩種類型。帶通通常由中心波長和區間寬度確定，如480/40表示可通過460-500nm的光。長通濾色片如515 LP，表示可以通過波長長于515nm的光（圖5）。

圖5：FITC光譜曲線及濾片

熒光物質具有其特征性激發（吸收）曲線和發射曲線，激發峰為理想激發波長（激發效率高，從而可以降低激發光能量，保護細胞和染料），發射曲線為發射熒光波長范圍。因此，在實驗中，我們會盡可能選擇與激發峰接近的波長進行激發，而接收范圍需包括發射峰。如Alexa Fluor 488的激發峰為500nm，在熒光顯微鏡中可以選擇480/40的激發濾片。

圖6：Alexa Fluor 488光譜曲線

濾塊的詳細信息可以在顯微鏡成像軟件里看到。了解染料并找到匹配樣品的濾塊對于熒光成像有著至關重要的作用。熒光染料和熒光蛋白的光譜信息一般在說明書中會注明，也可在網上查閱。

濾塊的選擇除考慮熒光探針的激發、發射波長，對于多色標記樣品還需考慮是否有非特異激發、是否串色。此外還需考慮所使用的熒光光源，目前常用的熒光光源有汞燈、金屬鹵素燈，以及近年來飛速發展的LED光源。熒光光源的光譜有連續的和非連續的，在不同波段能量也會不同。LED光源因為其相對較窄的光譜帶、更穩定的能量輸出、超長的壽命、更安全環保等諸多優點，正逐步成為熒光顯微鏡的主要光源。

除了顯微鏡內置的濾塊，還有外置快速轉輪（圖7），徠卡的外置快速轉輪相鄰位置濾片轉換速度為27ms，可實現高速多色實驗，如FRET及Fura2比例鈣成像（圖8）等。

圖7：徠卡外置快速轉輪EFW 

圖8：鈣成像，Fura2, Cultured hippocampal astrocytes from 18-day-old embryos of Sprague-Dawley rats. Courtesy of: Drs. Kazunori Kanemaru and Masamitsu Iino, Department of Pharmacology, Graduate School of Medicine, The University of Tokyo

豐富多樣的熒光顯微成像技術

為了滿足不同的熒光成像需求，除熒光顯微鏡外，還發展出了各種熒光顯微成像解決方案：

• 寬場高清成像系統，如Leica THUNDER Imager，采用Leica創新的Clearing技術，在成像時高效去除非焦平面干擾信號，呈現清晰圖像，同時兼有高速成像的優點；
• 共聚焦激光掃描顯微鏡，利用針孔排除非焦平面干擾，實現光學切片，得到高清圖像及三維立體圖像；
• 突破衍射極限的超高分辨率顯微鏡及納米顯微鏡，可對小于200nm的精細結構進行觀察；
• 利用多光子激發原理進行厚組織及活體深層成像的多光子成像系統；
• 具有高時空分辨率的光片成像技術，成像速度快、分辨率高、光毒性低，特別適合進行發育、活體動態觀察等研究；
• 熒光壽命成像(FLIM），不受熒光物質濃度、光漂白、激發光強度等因素的影響，能更加深入地進行功能性準確測量；
• 熒光相關光譜(FCS)及熒光互相關光譜(FCCS），測量熒光分子的分子數、擴散系數，從而分析分子濃度、分子大小、粘性、分子運動、分子結合/解離、分子的光學特性等；
• 全內反射熒光顯微鏡(TIRF)，*的z軸分辨率，非常適合細胞膜表面的分子結構和動力學研究。

熒光顯微成像技術應用廣泛，種類豐富，而且新技術還在不斷涌現，大家可以選擇適合的技術去完成自己的研究。