钙离子是细胞内重要的第二信使，调节基因转录、能量合成及细胞增殖和凋亡等功能。细胞膜与细胞器上钙相关蛋白协同作用，形成复杂而有序的钙信号网络。在亚细胞结构上特异性激活与抑制某个钙相关蛋白而不影响其他蛋白及其他细胞器能够极大促进亚细胞结构钙信号调节机制及相关功能研究。然而，由于药物在细胞内的自由扩散及蛋白在细胞内的广泛表达，药物的分子特异性及空间特异性有限，因此基于激光的钙信号调节方法得到发展。主要讨论了光解锁笼、光遗传以及全光调控三种基于激光的高空间分辨率的细胞内钙信号调控技术的优点及局限性。理论上，它们对细胞的刺激可以局限在亚微米区域。特别地，分析阐述了基于多光子激发的低功率近红外飞秒激光调控细胞内钙信号的新型技术与机制。
生物光学 多光子激发 光解锁笼 光遗传 全光调控 飞秒激光
1 德国吕贝克大学生物医学光学研究所，德国 吕贝克23562
2 西安交通大学生命学院生物医学光子学与传感研究所，陕西 西安 710049
多光子激发荧光成像技术因低侵入性、强穿透力、高信噪比和高空间分辨率在生物医学光学领域得到广泛的应用，同时也成为最重要的研究工具之一。在多光子成像中过量的光子密度或激光功率会引起生物组织光损伤。光损伤决定了成像所能使用的激光功率的上限。光损伤强度与激光、组织光学参数有关，其背后的作用机制可分为光化学作用和光热作用。重点论述了光损伤的基本原理和形成机制，阐述了光损伤分析数学模型。讨论和分析了不同组织、不同波长下光损伤的一些研究进展。总结了光损伤规律：无色素组织双光子成像中光损伤以光化学作用为主，色素组织双光子成像中光损伤以光热作用为主，三光子深层组织成像中光损伤很可能来自光化学和光热协同作用。展望了降低光损伤和优化成像参数的可行策略。
生物光学 多光子激发荧光成像 光损伤 光毒性 光化学作用 光热作用
山东理工大学 电气与电子工程学院, 山东 淄博 255049
采用时域法中的时间相关单光子计数方法记录荧光寿命, 时间相关单光子计数采用多波长通道同时记录荧光光子数, 可以提高计数效率和信息量, 还可以在稳态图像中分离不同荧光团, 形成4维图像。并采用多光子激发技术, 利用长波长光源发出的两个或多个光子可以激发出一个短波长的光子。多个光子必须几乎同时到达激发点, 才能提供被激发分子足够的能量以产生荧光。多光子激发波长较长, 生物组织对其散射减小,因而可以穿透到更深层的组织,从而提高荧光成像深度和空间分辨力, 并减少对活体样品的损伤。
荧光寿命 时间相关单光子计数 多光子激发 多波长成像 fluorescence lifetime time-correlated single photon counting multi-photon exciting multi-wavelength imaging
1 西安工业大学 光电工程学院,陕西 西安 710032
2 深圳大学 光电子学研究所光电子器件与系统(教育部/广东省)重点实验室,广东 深圳 518060
提出一种具有快速层析成像以及光谱分辨功能的多光子激发荧光显微技术。采用微透镜阵列产生激发光点阵,利用线扫描方式扫描阵列点,对样品进行多线并行多光子激发,利用棱镜色散荧光信号,同时,利用面阵CCD并行记录光谱分辨的多线荧光信号。采用4×4的微透镜阵列,仅需要记录128幅图像,即可重构512 pixel×512 pixel的光谱分辨荧光显微图像。对多色荧光珠、染色铃兰根茎以及花粉颗粒等样品进行实验,得到样品的双光子激发荧光光谱分辨图像,光谱测量范围为450-700 nm,光谱分辨率为3 nm。
生物光子学 多光子激发 荧光光谱 荧光显微 多焦点多光子显微
1 华中科技大学,生物医学光子学教育部重点实验室,武汉,430074
2 湖北师范学院,电工电子教学示范中心,湖北,黄石,435001
构建了毛细管电泳-连续光多光子激发荧光检测系统并应用于生物分析.对几种常见生物胺,如腐胺,尸胺,组胺,精胺,亚精胺和苯乙胺的分析结果表明,该系统具有分离效率高、质量检测灵敏度高和低消耗等特点,适于复杂体系如生物样品的测量.定量分析显示,生物胺的检测限在nM级,线性范围超过2个数量级,进一步将多光子激发荧光检测与传统单光子激发荧光检测结果对比,发现前者还具有改善分离选择性的优势.
毛细管电泳 多光子激发荧光 生物胺
1 华中科技大学,生物医学光子学教育部重点实验室,武汉,430074
2 湖北师范学院,电工电子教学示范中心,湖北,黄石,435001
研制了一套新型毛细管电泳-连续光多光子激发荧光检测系统,并用该系统对含有多种荧光染料的样品进行了电泳分离和多光子激发荧光检测.结果表明:该系统具有分离效率高、质量检测限低和宽谱激发等特点,适合生物体系等复杂样品的测量并实现了 DNA 样品的分离分析.
毛细管电泳 多光子激发荧光 DNA分析
以Nd:YAG激光器抽运的光学参量发生/放大器为激发源,采用脉冲光声(PA)光谱技术,获得了NO分子在420.0～470.0 nm波长区间的激光诱导光声光谱,光谱由规则的振动序列组成。通过测量光声信号随激光强度的变化,确定了光声信号产生于NO分子经X2Π(v″=0)→A2Σ(v′=0,1)的双光子激发跃迁及X2Π(v″=0)→E2Σ(v′=2,3,4),F2Σ(v′=1,2,3),R2Σ(v′=0,1)的三光子激发跃迁,对应于双光子激发跃迁的光声信号比通过三光子激发跃迁产生的光声信号强,由此确定了以可见光作激发光源,采用光声技术对NO分子进行探测的最佳激发波长为452.4 nm或429.6 nm。以实验结果为基础,获得了NO分子A2Σ,E2Σ,F2Σ,R2Σ激发电子态的振动常数分别为2346 cm-1,2342 cm-1,2397 cm-1,2381 cm-1,与采用其他方法测量的结果符合得较好。
分子光谱学 多光子激发 光声光谱 振动常数
华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室,武汉,430074
将二维点扩散函数(PSF)和蒙特卡罗方法相结合,引入了一种研究混浊介质显微成像的快速仿真模型.将该模型用于混浊介质的多光子激发(MPE)显微成像研究,极大地提高了模拟效率.与直接蒙特卡罗方法计算结果的比较证实了该方法的正确性和有效性.此外,一个计算实例说明了混浊介质的多光子激发显微成像具有比共焦荧光显微成像更优的横向分辨率.
显微成像 混浊介质 点扩散函数 多光子激发
华中理工大学生物医学光子学教育部重点实验室,武汉 430074
将蒙特卡罗方法与几何光线追踪技术相结合用于研究样品混浊特性对多光子激发荧光显微成像的影响.推导了模拟多层样品显微成像的数学模型,给出了用程序框图表示的基本仿真系统骨架.对传统蒙特卡罗方法的改进有效地增强了对聚焦光束的模拟能力.初步的模拟结果说明了混浊介质散射特性对显微成像的显著影响.
多光子激发 荧光显微术 蒙特卡罗方法 混浊介质
1 华东师范大学物理系, 上海 200062
2 中国科学院上海光学精密机械研究所、华东师范大学量子光学联合开放实验室, 上海 201800
本文用激光脉冲多光子激发的技术获得了碘分子高激发态F＇(Te＝51706.7 cm-1)的布居,并对该态10个荧光辐射(310 nm带)的时间分辨谱进行了测量.采用二步三光子的非线性激发模型对荧光时间分辨谱的数据进行处理,得到了离子对态F’的310 nm荧光带的辐射寿命.
时间分辨谱 离子对态 寿命 多光子激发
