Author Affiliations
Abstract
1 South China Normal University, College of Biophotonics, MOE Key Laboratory of Laser Life Science, Guangzhou, China
2 South China Normal University, College of Biophotonics, Guangdong Key Laboratory of Laser Life Science, Guangzhou, China
Structured illumination-based super-resolution Förster resonance energy transfer microscopy (SIM-FRET) provides an approach to resolving molecular behavior localized in intricate biological structures in living cells. However, SIM reconstruction artifacts will decrease the quantitative analysis fidelity of SIM-FRET signals. To address these issues, we have developed a method called HiFi spectrum optimization SIM-FRET (HiFi-SO-SIM-FRET), which uses optimized Wiener parameters in the two-step spectrum optimization to suppress sidelobe artifacts and achieve super-resolution quantitative SIM-FRET. We validated our method by demonstrating its ability to reduce reconstruction artifacts while maintaining the accuracy of FRET signals in both simulated FRET models and live-cell FRET-standard construct samples. In summary, HiFi-SO-SIM-FRET provides a promising solution for achieving high spatial resolution and reducing SIM reconstruction artifacts in quantitative FRET imaging.
super-resolution structured illumination microscopy Förster resonance energy transfer living cells quantitative measurement Advanced Photonics Nexus
2023, 2(5): 056008
深圳大学物理与光电工程学院教育部/广东省光电子器件与系统重点实验室，广东 深圳 518060
荧光寿命显微成像（FLIM）常用来检测活细胞内荧光基团的寿命信息，以实现微观定量分析。荧光共振能量转移（FRET）可用来表征能量从供体荧光分子到受体荧光分子的传递过程。将FLIM技术与FRET结合（FLIM-FRET），可以监测活细胞中蛋白质的相互作用、亚细胞器的动态过程等。构建了以细胞膜上转染的绿色荧光蛋白（sfGFP）为供体、以阿霉素（DOX）为受体的FRET纳米体系，利用双光子激发荧光寿命显微成像（TP-FLIM）系统，通过监测FRET纳米体系中供体荧光寿命的变化，研究了药物DOX在细胞中的递送机制和运输效率。此外，进一步采用四种内吞途径抑制剂，对纳米药物的内吞途径进行了评估。结果证明，牛血清白蛋白（BSA）包裹的DOX（BSA-DOX）纳米颗粒通过网格蛋白介导的内吞作用进入细胞。揭示了BSA-DOX纳米颗粒通过网格蛋白介导的内吞作用进入细胞的动态过程。研究表明，FLIM-FRET技术结合定量分析方法可用于区分小分子药物和纳米颗粒与细胞作用的异同。
生物光学 荧光共振能量转移 荧光寿命 细胞膜
吉首大学物理与机电工程学院，湖南 吉首416000
由于表面等离激元-光子混合波导具有较强的局域场增强效应和较长的传输距离，故在微纳光子学中具有广泛的应用。基于有限元方法，系统研究不同尺寸的金属表面等离激元波导-低折射率空隙-矩形介质波导构成的混合波导中两个二能级原子间的共振能量转移（RET）增强特性。利用二维（2D）有限元方法求解波导模式，以获得波导中近似光子并矢格林函数，并将其与严格三维（3D）有限元解进行比较。结果表明，在单模情况下，由波导模式构建的光子并矢格林函数与严格解符合得较好，而其计算量远小于3D有限元方法。借助该2D快速求解方法，在1550 nm波长下，系统研究该波导单模传输所需要的尺寸和不同波导尺寸对RET增强特性的影响。结果表明：介质波导的宽度越窄，单模所允许的高度越高；当波导的宽度增大时，对于较高的介质波导，其传播距离在增大，RET增强因子在减小，而对于较矮的介质波导，其传播距离先增大后减小，RET增强因子急剧减小；随着高度的增加，传播距离先急剧减小后缓慢增大，而RET增强因子先急剧增大后缓慢变化；低折射率空隙越小，传播距离越短，RET增强因子越大。
集成光学 共振能量转移 光子并矢格林函数 混合波导 单模 光学学报
2022, 42(15): 1513002
1 北京工业大学环境与生命学部, 环境与病毒肿瘤学北京市重点实验室, 北京 100124
2 中国检验检疫科学研究院, 北京 100123
基于纳米金团簇(AuNCs)良好的光学稳定性、 生物相容性和简单无毒的制备方法, 开发了一种具有高度选择性、 高灵敏度且可视化的尿酸(UA)传感器。 使用牛血清白蛋白(BSA)作为模板合成了BSA-AuNCs。 在尿酸氧化酶的催化下, UA产生化学计量的过氧化氢(H2O2), 导致AuNCs的荧光猝灭。 此外, 发现BSA-AuNCs在该体系模拟过氧化物酶发挥酶活性, 它可以催化产物H2O2将底物3,3',5,5'-四甲基联苯胺(3,3',5,5'-tetramethylbenzidine, TMB)氧化成ox-TMB, 此时BSA-AuNCs的发射光谱与ox-TMB的吸收光谱重叠, 发生了一种荧光共振能量转移(FRET)。 BSA-AuNCs作为供体将激发能量转移到受体ox-TMB, 使ox-TMB产生荧光, 同时BSA-AuNCs的荧光强度明显低于单独存在时的强度, 从而大大提高了UA检测的灵敏度。 在最佳条件下, 发现UA浓度在2~100 μmol·L-1猝灭程度线性关系良好, 线性方程为(F0-F)/F0=0.005 85cUA+0.103 64, 线性相关系数为0.995 4, UA的检出限为0.26 μmol·L-1, 远低于正常人体UA水平的最低限(90 μmol·L-1), 同时研究了血液样本中UA的加标回收, 回收率在97.3%~104.7%, 表明了该方法在临床血样UA的检测中具有很大的应用潜力, 为进一步的临床分析提供了良好的理论依据和方法学指导。
纳米金团簇 尿酸 过氧化氢 荧光共振能量转移 Gold nanoclusters Uric acid Hydrogen peroxide Fluorescence resonance energy transfer
广色域、低功耗TFT-LCD在高温高湿运行测试时容易发生周边发粉不良, 严重影响器件的视觉效果。本文研究了不同成分的绿色色阻、有源层与平坦层材料制成的微型液晶盒与TFT-LCD在光照、高温与高湿环境中的透过率变化情况, 以及周边发粉的起始时间, 明确发粉不良的根本原因为绿色色阻中的非金属配合物分子结构的Y颜料, 且不良程度与产品边框、有源层与平坦层材料吸水率相关。通过使用高疏水性、高硬化度的绿色色阻材料与低吸水率的平坦层材料, 在不损失TFT-LCD透过率的前提下, 有效改善了TFT-LCD发粉不良, 实现a-Si产品高温高湿运行测试(THO)运行1 000 h以上, a-IGZO产品运行500 h以上不产生发粉不良, 并建立TFT-LCD显色核心的RGB色阻材料的成分管理基准, 搭建发粉不良的生产线与实验室评价体系。
薄膜晶体管液晶显示器 发粉不良 绿色色阻材料 颜料 荧光共振能量转移 TFT-LCD pink Mura green color resin pigment Frster resonance energy transfer
1 华南师范大学生物光子学研究院教育部激光生命科学重点实验室, 广东 广州 510631
2 华南师范大学生物光子学研究院广东省激光生命科学重点实验室, 广东 广州 510631
3 师大瑞利光电科技(清远)有限公司, 广东 清远 511517
基于受体敏化的3-cube(通道)荧光共振能量转移(FRET)成像方法(通常称为E-FRET方法)是活细胞定量FRET检测中主流的成像分析技术。基于激发发射光谱线性分离的定量FRET检测方法(mExEm-spFRET)因天然地克服光谱串扰的能力,在活细胞定量FRET检测中具备非常好的鲁棒性。利用表达不同模型质粒的乳腺癌MCF-7活细胞,在不同信噪比(RSN)的条件下分别进行了定量E-FRET和mExEm-spFRET测量,以FRET效率(E)和质粒供受体浓度比(RC)参量作为指标,评估二种方法的鲁棒性。对于RSN>3的细胞,两种方法得到一致的E值,但是E-FRET方法得到的个别质粒RC值偏小;对于RSN<3的细胞,两种方法都能得到一致的RC值,但是E-FRET方法得到的个别质粒E值误差率大于0.1,与文献值偏差稍大。E-FRET与mExEm-spFRET具有几乎一致的活细胞定量FRET检测能力,但是mExEm-spFRET的鲁棒性优于E-FRET方法。
光谱学 荧光共振能量转移(FRET) 定量FRET测量 活细胞 光谱线性分离 鲁棒性 中国激光
2021, 48(21): 2107001
1 深圳大学生命与海洋科学学院, 广东省植物表观遗传学重点实验室, 广东 深圳 518060
2 深圳大学龙华生物产业创新研究院, 广东 深圳 518060
3 深圳大学物理与光电工程学院, 广东 深圳 518060
细胞是动植物结构和生命活动的基本单位。 细胞过程的一个重要特点就是其生化组分在时空调控上的相互作用关系。 然而, 利用传统的生化方法（如酵母双杂交系统、 pull-down系统等）很难在空间上评估活细胞内分子间的相互作用。 光学技术的快速发展, 为研究活细胞中生物分子的时空动态提供了新的遗传研究工具, 其中荧光共振能量转移-荧光寿命显微成像（FRET-FLIM）技术在实时探测分析活细胞中生物大分子构象变化和分子间动态相互作用过程具有独特的优势, 如: 实现对活细胞的实时“可视化”研究, 同时具有高时空分辨率; 检测更加灵敏、 结果可信度高; 且基于简易的数学运算完成简单快捷的分析程序。 介绍FRET-FLIM技术的理论背景知识, 对比了该技术与传统蛋白相互作用技术研究的利弊, 同时归纳了其在蛋白相互作用、 细胞生物学和疾病诊断等方面的最新应用研究进展, 最后总结和讨论了FRET-FLIM技术的未来发展趋势, 以期能够为揭示活细胞的结构和细胞过程相关研究提供新的见解。
荧光共振能量转移 荧光寿命显微成像 蛋白相互作用 疾病诊断 Fluorescence resonance energy transfer (FRET) Fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) Protein interaction Disease diagnosis 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1023
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Biomedical Engineering, School of Medicine Tsinghua University, Beijing, 100084, China
2 Beijing Advanced Information & Industrial Technology Research Institute Beijing Information Science & Technology University Beijing, 100192, China
Intensity-based quantitative fluorescence resonance energy transfer (FRET) is a technique to measure the distance of molecules in scale of a few nanometers which is far beyond optical diffraction limit. This widely used technique needs complicated experimental process and manual image analyses to obtain precise results, which take a long time and restrict the application of quantitative FRET especially in living cells. In this paper, a simplified and automatic quantitative FRET (saqFRET) method with high efficiency is presented. In saqFRET, photoactivatable acceptor PA-mCherry and optimized excitation wavelength of donor enhanced green fluorescent protein (EGFP) are used to simplify FRET crosstalk elimination. Traditional manual image analyses are time consuming when the dataset is large. The proposed automatic image analyses based on deep learning can analyze 100 samples within 30 s and demonstrate the same precision as manual image analyses.
Resonance energy transfer fluorescence living cells photoactivatable deep network Journal of Innovative Optical Health Sciences
2020, 13(6): 2050021
Author Affiliations
Abstract
1 Nanyang Technological University, School of Electrical and Electronic Engineering, Singapore
2 CINTRA UMI CNRS/NTU/THALES, Singapore
3 Nanyang Technological University, School of Chemical and Biomedical Engineering, Singapore
Optical barcodes have demonstrated a great potential in multiplexed bioassays and cell tracking for their distinctive spectral fingerprints. The vast majority of optical barcodes were designed to identify a specific target by fluorescence emission spectra, without being able to characterize dynamic changes in response to analytes through time. To overcome these limitations, the concept of the bioresponsive dynamic photonic barcode was proposed by exploiting interfacial energy transfer between a microdroplet cavity and binding molecules. Whispering-gallery modes resulting from cavity-enhanced energy transfer were therefore converted into photonic barcodes to identify binding activities, in which more than trillions of distinctive barcodes could be generated by a single droplet. Dynamic spectral barcoding was achieved by a significant improvement in terms of signal-to-noise ratio upon binding to target molecules. Theoretical studies and experiments were conducted to elucidate the effect of different cavity sizes and analyte concentrations. Time-resolved fluorescence lifetime was implemented to investigate the role of radiative and non-radiative energy transfer. Finally, microdroplet photonic barcodes were employed in biodetection to exhibit great potential in fulfilling biomedical applications.
whispering-gallery modes optical barcodes fluorescence resonance energy transfer molecular sensing biointerface cavity-enhancement Advanced Photonics
2020, 2(6): 066002
1 河北大学化学与环境科学学院, 药物化学与分子诊断省部共建教育部重点实验室, 河北 保定 071002
2 河北大学综合实验中心, 河北 保定 071002
利用以阳离子共轭聚合物为能量供体的荧光共振能量转移（FRET）策略和滚环扩增放大技术, 建立了一种新型的microRNA（miRNA）检测方法。 阳离子共轭聚合物采用聚［（9,9-双（6’-N,N,N-三乙基铵）己基）亚芴基亚苯基二溴化物］（PFP）。 PFP是一种由大量吸光单元共轭而成的阳离子聚合物, 具有独特的光捕获和荧光增强性能, 可以和带有负电荷的DNA通过静电作用相互结合。 SG是一种能够结合于所有双链DNA双螺旋小沟区域的染料, 其在游离状态下, 荧光微弱, 但一旦与双链DNA结合后, 荧光会大大的增强。 首先, 设计了一条可与目标分子特异性杂交的锁式探针和与RCA产物序列互补的DNA链。 当体系中存在miRNA时, 在T4 DNA连接酶作用下, 锁式探针连接成环； 随后, 在phi29 DNA聚合酶和dNTPs共同作用下, 在miRNA的3’端滚环扩增出一条与锁式探针序列互补的长单链DNA, 所得产物与互补DNA链杂交形成双链DNA（dsDNA）。 此时SG作为FRET受体掺入其中, 形成SG-dsDNA共同体。 随后, SG-dsDNA与PFP因静电相互作用而紧密接近, 由于PFP的发射光谱与SG的激发光谱有重叠, 因此二者之间可以发生FRET现象。 反之, 当体系中不存在miRNA时, 挂锁探针则无法连接成环, 阻止了扩增反应的进行及其产物与互补DNA链的杂交反应。 加入SG后, 由于SG与单链DNA的结合能力很弱, SG则游离于溶液中, 不会与PFP发生有效的FRET。 因此目标分子的浓度与体系的FRET效率直接相关。 以let 7a作为待测miRNA分子, 在0.05～5 nmol·L-1的范围内, let 7a的浓度与从反应体系测得的FRET效率（I520/I423）成正比。 同时以无PFP参加的检测方案作为对比实验, 证明了PFP确实具有提高灵敏度的作用。 另外, 以四种同族miRNA分子及两种其他miRNA分子作为干扰物质对方法的特异性进行了考察, 发现除了两种与目标分子序列高度相似的物质存在干扰外, 其他物质几乎不产生信号。 利用该方法对细胞总RNA提取液中let 7a的含量及其加标含量进行了检测, 测量所得回收率基本令人满意。 所建立的方案不需要荧光标记探针, 有效降低了检测成本, 简化了操作步骤, 在与miRNA相关的疾病诊断领域具有一定的应用前景。
无标记 荧光共振能量转移 Label-free microRNA MicroRNA Fluorescence resonance energy transfer
