细胞内分子检测及成像技术研究

针对复杂生物学系统的研究和观测,指出对活体细胞内的分子及其相关事件,以高时空分辨率实现可视化、跟踪和定量处理,采用远场荧光成像是目前细胞内分子检测及成像的主要工具.在述评的基础上,介绍该课题组在活体细胞内分子检测及成像中的荧光显微成像和非标记检测技术的研究进展.围绕提高荧光显微成像分辨率,研究图像信息获取速率高的宽场成像方法,包括结构光照明和单分子定位显微.在结构光照明显微研究中,采用可编程的数字微镜器件代替需要精确移动的光栅对生物样品进行显微成像,获得了超分辨显微成像;在单分子定位显微成像研究中,搭建单分子定位显微成像系统,实测分辨率达到48nm,并获得了HeLa细胞突起中微丝束结构的纳米分辨图像;针对厚样品成像时存在的荧光串扰难题,提出利用双波长空间非相干光干涉照明,理论分析证明,其可实现厚度为35nm半高全宽的单一薄层的轴向选择性激发.在非标记检测成像技术方面,围绕相干反斯托克斯拉曼散射(coherentanti-Stokes Ramanscattering,CARS)方法中存在的问题展开研究.为获得完整的物质分子CARS光谱,利用飞秒激光脉冲泵浦PCF获得超连续谱激光输出同时作为泵浦光和斯托克斯光,实现超宽带时间分辨CARS光谱探测和显微成像技术;通过数值模拟获得优化超连续谱激光输出的时谱结构的实验条件,初步实现了满足实验所需的SC激光光源;通过调节探测光脉冲与SC激光脉冲之间的时间延迟实现时间分辨CARS,达到有效抑制非共振背景噪声,提高系统探测灵敏度的目的.利用超宽带时间分辨CARS光谱探测和显微成像技术,获得多种有机溶液在387～4092cm-1范围内,光谱分辨率达14cm-1的不同分子的CARS光谱信号;通过分析探讨实现超分辨CARS显微成像技术的途径,提出利用双探测光实现纳米分辨的方案.未来研究方向,在荧光显微方面,将结合双波长空间非相干光干涉照明和轴向纳米定位,实现完整细胞三维纳米分辨荧光成像,通过发展高量子效率的小分子荧光开关材料及高灵敏度高帧频的探测器,将单分子定位显微应用到活细胞三维纳米成像和分子追踪上;在非标记成像方面,将重点发展基于CARS原理的单分子检测和纳米成像方法,尤其是基于改进后的超连续谱的超宽带CARS光谱技术和纳米分辨的CARS显微技术.

Advances in approaches of molecules detecting and imaging in cells

Visualization,tracking and analysing molecules and their events in cells are critical in understanding a complex biological system.Far-field fluorescent microscopy is a common tool in detecting and imaging molecules in cells.In order to improve the resolution,we focused on two far-field imaging methods with high speed,structured illumination microscopy and single molecule localization microscopy.A home-built structured illumination microscope was set up,in which a programmable DMD instead of a piezo activat...