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利用光学显微镜技术研究生命过程光学显微镜是研究生命过程的重要工具之一。
通过观察细胞和组织的结构和功能，可以深入了解生物体的发育、生长、繁殖和死亡等不同阶段。
本文将从三个方面探讨利用光学显微镜技术研究生命过程的重要性和优势。
从结构层面理解细胞和组织的组成和功能光学显微镜可以放大样本，从而可以观察到细胞和组织的结构和功能。
通过不同的染色技术，可以更清晰地观察到不同类型的细胞和其形态、大小、位置和数量等信息。
此外，可以使用荧光标记来研究细胞和组织中不同分子的表达、分布和交互作用，从而研究其生物功能和生理过程。
例如，通过显微镜观察白血球的运动可以研究免疫反应。
免疫反应是生物体对外来入侵病原体的一种防御反应，其中白血球发挥着重要的作用。
荧光显微镜技术可以将白细胞标记成特定颜色的荧光，然后通过观察荧光运动来分析其活动方式和速度，进一步研究不同类型的白细胞如何协作和完成免疫反应等。
从时间尺度理解细胞和组织的动态和演变规律除了观察组织和细胞的结构，光学显微镜可以帮助我们观察不同时间点下的生命过程，从而了解生命的动态演变。
配合时间分辨显微镜的使用，可以轻松实现对生物体的瞬时观察和分析，揭示出难以想象的生命活动。
例如，通过使用高分辨率显微镜，人们可以观察到白细胞在血管内的行动轨迹和速度。
如果将这种观察和记录技术与大规模计算相结合，就可以了解免疫细胞在体内的活动规律，提高预测免疫反应的准确性，并在研究治疗免疫相关疾病方面提供有效的信息。
从疾病的角度理解生命过程的异常和调控机制生物体的细胞和组织在生命过程中通常会受到不同程度的异常状态和疾病。
利用光学显微镜技术，可以研究这些异常状态的成因和调控机制，为疾病的诊断和治疗提供有效的依据。
例如，多种生物体相关的研究表明，血管新生是很多成年细胞生长的基本生理过程，但在某些类型的癌症细胞中，血管新生不断发生，导致癌细胞不断生长发展。
利用不同类型的光学显微镜技术，可以观察到这些癌细胞的新生血管并分析其机制和生理过程，为癌症的治疗和管理提供有价值的信息。
细胞的观察与实验技巧细胞是构成所有生命的基本单位，对于科学家来说，准确观察和掌握细胞的结构与功能是非常重要的。
本文将介绍一些细胞的观察与实验技巧，帮助读者更好地进行细胞研究。
一、细胞的观察1.亮场显微镜：亮场显微镜是最常用的观察细胞的工具。
首先，将待观察的细胞标本放置在载玻片上，并加入一滴显微镜液，在载玻片上覆盖一个玻片盖片。
接下来，调整显微镜的光源和镜头，通过调焦轮将样本调至清晰可见的位置。
2.荧光显微镜：荧光显微镜可以观察细胞中的荧光标记物。
首先，将待观察的细胞与荧光染料共同培养，等待染料进入细胞内。
然后，将样本制备好后放在载玻片上，调整显微镜的荧光滤光片，然后通过调焦轮观察样本。
3.相差显微镜：相差显微镜适用于观察不透明的细胞、活细胞或厚度较大的标本。
通过调整望远镜和目镜之间的相差装置，可以增强细胞的对比度，使其更容易观察到细胞内的结构。
二、细胞实验技巧1.细胞培养：细胞培养是研究生物学和医学的重要手段之一。
首先，将细胞样本或组织分散到含有培养基的培养皿中，然后放置在恒温箱中，提供适宜的氧气和营养物质。
定期观察细胞的生长情况，并根据需要进行细胞传代或其他实验。
2.细胞染色：细胞染色可以通过染料与细胞特定部分的亲和性来观察和研究细胞内的结构和功能。
例如，荧光染料可以用于标记特定的细胞器或蛋白质。
常用的细胞染色方法包括荧光标记、免疫组化和核染色等。
3.细胞融合：细胞融合是将两个或多个不同类型的细胞合并为一个细胞的过程。
这种实验技术可以用于研究不同细胞类型的互作关系、基因表达以及信号传导等。
常用的细胞融合方法包括电融合、溶液融合和病毒介导的融合等。
4.原代细胞培养：原代细胞培养是指从活体组织中得到的第一代细胞培养，有助于研究细胞在原始状态下的特性和行为。
在进行原代细胞培养时，需要注意选择适当的培养基、细胞分离酶和其他培养条件，以确保细胞的正常生长和功能。
结论：通过运用适当的技巧和仪器，科学家们能够准确观察和研究细胞的结构和功能。
细胞生物学研究中的光学成像方法细胞生物学是生物学的一个重要分支，主要研究细胞的结构、功能及其在生命活动中的作用。
随着科技的不断进步，各种先进的生物成像技术也得到了广泛的应用。
其中，光学成像技术是一种非侵入性、高分辨率、高灵敏度、可定量测定的生物成像技术，被广泛应用于细胞、分子和组织结构的研究。
细胞是生命的基本单位，它与外部环境的相互作用决定了生命过程的发展。
为了实现对细胞的实时成像和追踪，光学显微镜已成为必需的工具之一。
然而，由于细胞组织的过度散射和折射以及特定结构的局部厚度和不透明性，传统的荧光显微镜成像技术受到了一定限制。
在过去的几十年中，人们已经开发了一系列高级的光学成像技术，以便在生物样本中进行更深入、更准确的研究。
一种重要的光学成像技术是共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）。
CLSM是一种非常有效的荧光显微镜技术，可以消除样品背景下的不必要信号和荧光染料对背景的敏感性。
该技术通过使用逐点扫描激光束产生荧光，同时仅在从样品制备的特定薄层中聚焦激光束，从而使该技术具有高分辨率成像能力。
同时，CLSM也在很多领域被广泛应用。
例如，CLSM用于研究锥体细胞的形态和分子分布（如ATP、钙离子、细胞骨架、膜蛋白等）的成像，可以研究其与视网膜感受器的同步发射作用。
在气体扩散的领域，CLSM可以用于测量各种气体分子的扩散和化学反应，以了解复杂系统中的分子运动和相互作用。
除了CLSM，还有一种称为单分子荧光显微镜（SFM）的技术，可以检测单个分子的荧光。
使用单分子荧光显微镜技术，科学家可以跟踪单个荧光标记的分子并显示其在时间和空间上的运动。
此外，还有种被称为光片段化显微镜（Lattice light-sheet microscopy）的技术，可以使成像的细胞可以保持长时间的健康状态，同时还可以高效的测定香烟烟雾对细胞的影响。
研究人员发现，通过使用多种光学成像技术，可以对细胞的形态、结构和活动进行更准确和详细的研究。
生命科学中各种光学方法
生命科学中应用了多种光学方法，以下是其中的一些：
1. 光学显微镜：这是最常见的一种光学方法，用于观察细胞和组织的结构和形态。
通过这种技术，科学家可以观察细胞器的形态和分布，以及细胞之间的相互作用。
2. 荧光显微镜：荧光显微镜利用荧光染料或荧光探针标记样本，然后通过特定波长的光激发这些荧光物质，使其发出荧光。
通过观察荧光的分布和强度，可以研究生物分子的定位和动态变化。
3. 共聚焦显微镜：共聚焦显微镜采用激光作为光源，通过聚焦到样本的特定深度并逐层扫描，获得高分辨率的三维图像。
这种方法可以用于观察活细胞或组织的动态过程。
4. 光学活体成像：光学活体成像技术利用特定波长的光穿透生物组织，并检测组织内部的荧光信号。
通过这种技术，可以在不破坏组织的情况下观察生物分子的定位和动态变化。
5. 光学干涉仪：光学干涉仪利用光的干涉原理测量微小位移和形变。
在生物学领域，它可以用于测量细胞和组织的机械性能，如硬度、弹性和粘弹性等。
6. 光学散射仪：光学散射仪利用光的散射原理测量颗粒或组织的粒径和形状。
在生物学领域，它可以用于测量细胞、蛋白质和其他生物分子的结构和形态。
这些光学方法在生命科学研究中发挥了重要作用，有助于深入了解生命活动的机制和生物分子的功能。
细胞生物学的基本研究方法与应用细胞生物学是研究细胞结构、组成和功能的学科。
细胞是生物学的基本单位，也是生命的基本单位。
通过对细胞的研究，我们可以更好地理解生命的本质，并为疾病的治疗和预防提供更好的方法。
本文将介绍细胞生物学的基本研究方法和应用。
1. 显微镜技术显微镜是细胞生物学中最常用的仪器。
通过显微镜，我们可以观察细胞的形态、结构和功能。
现代显微镜分为光学显微镜和电子显微镜两种。
光学显微镜适用于观察较大的细胞和组织，而电子显微镜适用于观察微小的细胞结构和分子结构。
2. 分子生物学方法分子生物学是研究生物分子结构和功能的学科。
分子生物学方法可以用于判断细胞内蛋白质的表达水平、细胞中基因表达的情况和细胞分裂过程中DNA复制的情况等。
其中主要的实验技术包括PCR、DNA测序、蛋白质质谱分析等。
3. 细胞培养细胞培养是将细胞置于含营养物质和生长因子的培养基中，使其在体外生长和繁殖的技术。
细胞培养可以为细胞生物学的其他实验技术提供强有力的支持。
它可以用于测试药物的毒性、培养病毒和细菌、研究细胞生理学和细胞发育等问题。
4. 荧光标记技术荧光标记技术是一种利用荧光染料标记细胞、细胞器或分子的技术。
这种技术可以增强对细胞结构和功能的研究，如利用荧光染料标记细胞器（如线粒体、内质网、高尔基体等）来研究它们的运动和分布。
5. 基因编辑技术基因编辑技术是一种可以编辑细胞DNA序列的技术。
它涉及到CRISPR/Cas9技术、TALENs和ZFNs等技术。
这些技术可以用于直接编辑人类基因，以治疗许多人类遗传性疾病。
此外，基因编辑技术还可以用于生物种群的基因驱动和灭绝处理，以控制害虫和其他有害生物的数量。
6. 细胞治疗细胞治疗是一种新兴的治疗方法，它利用人体自身的细胞和细胞培养技术，治疗疾病。
例如，干细胞治疗可以用来治疗各种组织和器官的疾病，如心脏病、糖尿病和脊髓损伤。
总之，细胞生物学是一个快速发展的领域，基本研究方法和应用得到了广泛的发展和应用。
活体显微镜技术解析细胞生命活动细胞是生命的基本单位，对于探索生物学、医学和生物工程等领域，了解细胞的结构和功能至关重要。
活体显微镜技术是一种在活体细胞中观察和研究细胞生命活动的重要工具。
本文将详细解析活体显微镜技术，以及它在揭示细胞生命活动中的应用。
活体显微镜技术是一种通过显微镜观察活体细胞的工具。
相较于传统的固定实验样本，活细胞显微镜可以提供实时和动态的细胞观察，以便更好地了解生命活动。
其中一种常见的活体显微镜技术是荧光显微镜技术。
这种技术利用荧光染料或荧光标记蛋白质，从而使细胞和细胞器可以在显微镜下清晰可见。
荧光显微镜技术不仅可以观察细胞的形态变化，还可以追踪细胞内各种分子的位置和运动。
通过活体显微镜技术，研究人员可以观察细胞的多个生命活动过程。
首先，它可以研究细胞的运动和形态变化。
细胞是高度动态和可塑的结构，通过活体显微镜技术，可以观察到细胞的形态变化、细胞内各种胞器的移动以及细胞的整体运动过程。
其次，活体显微镜技术还可以研究细胞的分裂和增殖过程。
分析细胞分裂的动力学过程，可以帮助我们更好地理解生物体的发育和组织恢复过程。
此外，活体显微镜技术还可以研究细胞的互作和信号转导。
通过观察细胞内各种蛋白质相互作用和信号传递，可以深入了解疾病发生的机制和潜在的治疗靶点。
活体显微镜技术的应用非常广泛。
在医学领域，这种技术可以用来观察和诊断疾病。
例如，在癌症研究中，活体显微镜技术可以用来观察肿瘤细胞的恶性转化过程、治疗药物的效果以及癌细胞与免疫细胞的相互作用。
另外，活体显微镜技术也可以用于药物研发的初步筛选。
通过观察药物对细胞的作用，可以初步评估药物的有效性和毒性。
此外，活体显微镜技术还可以在生物工程领域应用于发育生物学研究、组织工程和干细胞培养等方面。
然而，活体显微镜技术也存在一些限制。
首先，活体显微镜技术对样品的要求较高，需要准备高质量的细胞样本。
其次，由于活体显微镜要求实时和动态观察，因此对设备的操作和控制要求较高。
细胞生物学中的细胞生存和存活检测技术细胞生物学是研究细胞的结构、功能和活动的学科，而细胞生存和存活检测技术在该领域中起着至关重要的作用。
本文将介绍一些常用的细胞生存和存活检测技术，包括细胞形态观察、细胞生物标记物染色和细胞代谢活性检测等。
通过这些技术，科学家们能够更好地理解和研究细胞的生存机制。
一、细胞形态观察细胞形态观察是一种直观的方法，用于了解细胞的形态特征和结构。
细胞的形态可以通过光学显微镜或电子显微镜进行观察。
光学显微镜适用于观察细胞的整体形态，而电子显微镜则可以更详细地观察细胞的亚细胞结构。
细胞形态观察可以提供有关细胞健康状态和细胞器功能的信息，但不能提供关于细胞内分子活动的精细细节。
二、细胞生物标记物染色细胞生物标记物染色是一种常用的细胞生存和存活检测技术。
通过给细胞加入特定的化学染料或荧光探针，可以选择性地标记细胞中的一些特定分子或细胞器。
例如，用荧光染料荧光素绿（fluorescein）可以标记细胞核，用DAPI染色可以标记细胞内的DNA，用荧光偶联抗体可以检测细胞表面的蛋白质表达情况。
细胞染色技术可以帮助研究人员观察和分析细胞内分子的定位、转运和相互作用，从而了解细胞的生存状况以及其参与的生物过程。
三、细胞代谢活性检测细胞代谢活性检测是通过测量细胞内特定代谢产物的生成或消耗来评估细胞的生存和存活状态。
常用的代谢活性检测方法包括细胞呼吸率检测、蛋白质合成检测和细胞增殖检测等。
细胞呼吸率检测可以通过测量细胞内氧气的消耗和二氧化碳的产生来判断细胞的能量代谢情况。
常用的方法有氧耗量测定和细胞酶标仪测定等。
蛋白质合成检测可以通过标记新合成的蛋白质分子来判断细胞的代谢活性和生长状态。
常用的方法有放射性同位素标记蛋白质合成、非放射性同位素标记蛋白质合成和荧光标记蛋白质合成等。
细胞增殖检测可以通过测量细胞数量、细胞增殖速率或细胞周期来判断细胞的生存和存活情况。
常用的方法有细胞计数、细胞增殖试剂盒检测和流式细胞仪检测等。
应用显微技术与成像技术研究生命现象生命是一种神奇而复杂的现象，从宏观到微观，都充满了未知和充满了探究的欲望。
在现代科技的不断推进下，显微技术与成像技术的发展，为我们解开了生命现象的谜团，打开了探究生物的新局面。
一、光学显微镜透射光学显微术是人类发展历史中最早最常用于生物研究的方法之一。
也是现代学者仍在广泛使用的方法之一。
透射光学显微术利用透明的样品，通过显微镜的若干估透镜成像，形成对样品的放大和清晰的观察。
通过这种方法可以看到细胞的形态、内部结构、细胞核和细胞质等生命现象，为研究生命科学提供了基础和灵魂。
在透射光学显微术基础上，产生了许多衍生技术，例如荧光显微术和比相显微术等。
这些技术的出现，扩展了对生物细节的观察范围，更好地满足了对细胞的进一步探究。
二、电子显微镜与透射光学显微术相比，电子显微术通过电子束成像，可以提供比光学显微术更高的分辨率和放大倍数。
电子显微镜可以检验生命现象的健康状况，查看有无异常细胞或细胞结构。
相比之下，电镜技术适用范围略微狭窄，仅适用于某些特定的生物模型。
三、扫描显微镜扫描电子显微镜是一种通过高速极微电子束成像样本表面的显微镜。
它利用高速电子束和探头，来对样品进行成像和分析。
扫描显微镜可以很好地展示生命现象细节的3D结构和表面形貌。
扫描显微镜手法的成像方式是通过电镜来观察的，属于一种非接触式的测量方式，对生物细节的观察和分析相当有用。
四、成像技术相较于显微技术，成像技术更加注重生物图像的处理与应用。
成像技术可以将显微术的记录数字化，从而更便于长期保存和分析。
成像技术可以生成生物图像。
生物成像技术分为两个部分：第一部分是利用生物学显微镜或其他成像设备获取图像，第二部分是将图像处理和分析转换到数字格式。
常见的成像技术有计算机断层扫描（CT）、核磁共振成像（MRI）、放射性同位素成像（PET）等。
五、生命现象研究的应用应用显微技术和成像技术有助于发掘生命现象的内在机理，追踪病理过程，指导治疗行为。
细胞生物学如何探究细胞的结构和功能细胞是构成生物体的最基本单位，也是最小的自主生命体。
通过细胞生物学的研究，我们可以了解到细胞结构及其功能，探究细胞在生命活动中的作用和机制。
首先，我们需要通过显微镜观察细胞，了解其基本结构。
光学显微镜是最基本和常用的显微镜，通过聚光透镜将光线通过透明物质中，然后将所反射的光线聚焦在目镜中进行观察。
我们可以通过光学显微镜观察到细胞的形态、大小、数量、位置等。
除了光学显微镜外，现代生物学还发展出了电子显微镜和共焦显微镜等高端技术。
电子显微镜通过利用能量较高的电子束来观察物质，可以分辨到细胞内的各种小器官和分子结构，比光学显微镜分辨率高得多。
共焦显微镜则是利用激光束扫描样本进行成像，不仅可以对活细胞进行实时成像，还可以实现三维成像和对分子运动的跟踪。
细胞的基本结构可以通过显微镜观察到，但是细胞内的生化过程却需要更深入的探究。
细胞的各种生命活动都是由细胞内各种分子参与和调控的。
因此，分子生物学作为现代生物学的重要分支之一，通过研究细胞内的基本分子结构来探究细胞活动的机制。
DNA是构成细胞核的基本物质，其中包含着遗传信息，是生命的基础。
通过技术手段，我们可以抽取细胞内的DNA，并进行测序和比对。
这种方法不仅可以检测细胞的种类和基因组组成，也可以在深入了解细胞分子生物学的基础上，进行基因编辑和治疗等应用。
除了DNA外，蛋白质也是构成细胞的基本分子之一。
它们负责许多细胞生命活动中的关键反应和调控过程。
蛋白质的结构和功能都是分子生物学的核心研究领域。
通过对蛋白质的生化实验，如蛋白质的分离、纯化和鉴定，人们可以深入了解蛋白质的结构、性质和功能，同时探究蛋白质在细胞内生命活动中的调控机制。
除了分子生物学的研究外，其他生物学分支如生理学、生态学等也可以对细胞进行深刻探究。
例如细胞分化、分裂、凋亡等，都是生物体生命周期中重要的生命事件。
而生理学、生态学等分支则更加注重细胞与环境的相互作用关系，研究细胞在不同环境条件下的适应能力与生存机制。
利用高分辨率显微镜观察细胞生命活动细胞，是构成生物的最小基本单位。
如果说胞膜是细胞的“表皮”，细胞核就是细胞的“大脑”，而细胞质则是细胞整个生命活动的主要场所。
经过了数十年的研究，我们对细胞内部的结构和机制有了很深入的了解。
而高分辨率显微镜的出现，则为我们进一步研究细胞生命活动提供了更强的工具。
高分辨率显微镜是一种在显微镜的基础上，通过采用一系列的技术手段，能够将物体放大到更高的分辨率的一种显微镜。
之所以能够做到这一点，是因为高分辨率显微镜采用了分辨率更高的镜头和更先进的成像技术，能够在细胞内部观察到更细微的结构变化。
细胞内部有许多重要的生命活动，如细胞分裂、细胞自噬、细胞吞噬、细胞凋亡等等，这些生命活动都是细胞生命的重要组成部分。
通过高分辨率显微镜观察细胞生命活动，可以让我们更好地了解这些现象背后所隐藏的机制。
以细胞分裂为例，当细胞准备进入分裂阶段时，我们可以利用高分辨率显微镜来观察到细胞核内部发生的巨大变化。
一开始，细胞核内的染色体逐渐凝聚成线状结构，并开始排列在细胞核的中央。
随着分裂的进行，这些染色体会被“切断”，被分配到两个不同的新生细胞中。
这个过程所需要的精确计算和复杂调控，需要依靠复杂的信号传递网络，而高分辨率显微镜恰好可以帮助我们观察这一细微的分子级别的调控网络。
另一个例子是细胞自噬。
细胞自噬是指细胞内部自身吞噬陈旧或有损部分的一种现象。
这是一个非常重要的生命活动，它可以帮助细胞清除废弃物和异常物质，有助于保持细胞的正常运作。
在细胞自噬的过程中，高分辨率显微镜可以让我们观察到细胞膜的局部肿胀现象、内部部分的空泡化等等变化，更好地了解细胞自噬的具体机制。
细胞凋亡是指细胞在受到外界压力时，通过内部调控机制，主动崩解而死亡的一种现象。
在细胞凋亡的过程中，细胞内部的复杂机制被调动起来，正常基因被激活，而一些可疑基因则被抑制。
高分辨率显微镜可以让我们观察到细胞内部纽带、细胞膜和细胞核的变化，更好地了解细胞凋亡过程的具体步骤和机制。
中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2007年 第37卷 增刊: 21~29收稿日期: 2007-05-20; 接受日期: 2007-08-28国家自然科学基金资助项目(批准号: 60532090, 60627003, 60408011) * E-mail: hbniu@《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS 细胞生命现象分析和研究的光学方法与手段牛憨笨* 袁小聪 屈军乐 许改霞 刘立新 彭 翔(深圳大学光电工程学院, 光电子学研究所, 光电子器件与系统教育部重点实验室, 深圳 518060) 摘要 未来生物学发展的一个重要方向是系统生物学研究, 其根本目的是从系统角度深入理解包括细胞增殖、分化、凋亡在内的重大生命过程. 系统生物学研究的基本内容是高通量获取从一维的基因到多维的蛋白质信息, 并通过系统整合所获得的信息而最终重构出细胞生命如何建立、执行或取消一种生物功能的基本图像, 其中蛋白质信息包括蛋白质的数量和空间分布、蛋白质之间的相互作用、蛋白质在细胞生命活动中发生的变化等. 随着基因组时代的基本结束, 研究者已经开始从原来关注静态的“密码”转向了研究动态的“功能”. 这将要求来自物理或化学的新技术应用到生物学以收集细胞动态信息. 需要在活细胞水平上进行的研究至少包括两类: 一类是对活细胞群体进行快速无损的功能检测, 主要服务于临床快速诊断、药物筛选和某些细胞功能分析; 另一类则是针对单细胞进行的亚细胞结构和大分子的动态功能表征分析. 光学技术是研究活细胞功能的主流研究方法, 具有无损、高特异性、高灵敏、高空间分辨、高时间分辨和实时动态等优势.主要介绍用于活细胞功能分析的光学方法与手段及其发展现状与趋势.关键词 光学方法 功能成像 光学散射力 细胞生命现象20世纪中期以来, 随着DNA 双螺旋结构和蛋白质空间构象的发现, 生命科学已成为自然科学中最重要的学科. 回顾历史, 我们不难发现, 生命科学的发展是与相关的技术科学的发展是相辅相成的. 每一次生命科学的大发展都是技术进步推动的结果, 而生命科学的大发展又进一步牵引了相关技术的进步(Nobel lecture: /medicine/laureates/2002/index. html).在现代生命科学研究中, 相关的技术和仪器可以分为两大类: 一类是以生物学原理为主设计的, 例如聚合酶链式反应(polymerase chain reaction, PCR)技术、基因芯片和蛋白质芯片等; 另一类则是基于物理、化学原理的仪器, 如X 射线衍射仪、光学显微镜、质谱仪和电子显微镜22中国科学G辑物理学力学天文学第37卷等. 从目前的发展趋势看, 现代生命科学的发展越来越依赖于高新技术. 可以说, 在“后基因组时代”, 谁拥有更加先进的技术, 谁就是生命科学研究的“领头羊”. 正因为如此, 第224次香山科学会议上提出的战略思想是: 1)在生命科学的基本问题上下功夫; 2)改进或创造基本技术, 因为没有技术的改进创新, 单单依靠现有商品化的仪器设备, 很难设想我们能比别人做出更多、更高的创新性工作.当然, 要发展生命科学研究中所需的新方法和新手段, 首先要深入了解生命科学目前的发展现状、重点要解决的科学问题和发展趋势. 20世纪中叶以来, 人们通过应用X射线衍射仪解析了DNA的双螺旋结构和蛋白质的空间构象之后, 科学家的研究视野已经逐步从一两个基因或蛋白质的行为扩展到了成千上万个基因或蛋白质的表现. 此外, 由于复杂系统理论和非线性科学的发展, 人们关注的对象已不再停留于一条代谢途径或信号转导通路, 而是拓展提升到了决定细胞各种功能动态网络结构和生物大分子之间的相互作用关系. 今天, 人们对基因组和蛋白质组的研究已经将生物学研究提升到了系统生物学的高度. 一方面, 基因组学(genomics)奠定了系统理解细胞生命活动的分子生物学基础, 并准备了充分的信息学方法. 另一方面, 蛋白质组学(proteomics)则进一步从更加宏观的角度来理解在细胞生命活动中, 蛋白质的组成与相互作用所构建的蛋白质分子网络. 然而, 从系统生物学角度来看, 对于理解一种生物学功能或过程的本质, 研究者需要在细胞、组织、器官和生物体整体水平研究结构和功能各异的各种分子及其相互作用, 这是一个逐步整合的复杂过程, 可能需要一个世纪或更长时间才能完成. 因此, 为了实现从生命密码到生命现象、生命过程的研究, 首先必须从细胞的生命现象和生命过程研究着手, 需要了解细胞内蛋白质具体的组成、含量、修饰、定位、动态传输、交互作用以及这些现象与细胞整体功能的关系. 实际上, 生命科学研究的维度是趋向于更加丰富的. 为了解细胞的生命活动, 高通量获取并整合从一维的基因表达到多维的蛋白质的数量、空间分布以及修饰在细胞的动态生命活动过程中发生的变化信息, 最终重构出细胞完成一种独立生物学功能的根本机制, 从而更深刻地理解细胞的增殖、变异和凋亡等生命过程. 在这些研究中我们需要了解:(ⅰ) 如何在高效、高通量、无损伤的情况下实现活细胞内大分子成分(比如蛋白质, 目前只能依靠抗体识别, 用荧光或酶标记后靠显微镜观察)的特异性表征;(ⅱ) 如何测量活细胞的机械特性和电学特性, 并进一步利用这些新的特性作为疾病检测和诊断的新指标;(ⅲ) 如何针对分子和亚细胞结构进行实时动态检测以及如何测量不同蛋白质在细胞内微环境的差异分布等.然而, 目前的组学研究手段多基于分子生物学、生物化学与化学生物学, 这些方法操作复杂, 且功能单一. 更为突出的问题是, 这些方法都需要离体操作, 即都要将细胞破碎、纯化、富集或扩增目标分子, 不能实现活细胞实时定位测量. 而光学方法在这方面却具有独特的优势.光学技术是研究活细胞生命现象的主流研究方法, 具有无损、高特异性、高灵敏、高空间分辨、高时间分辨和实时动态等优势[1]. 20世纪60年代激光发明之后, 光学为生命科学的发展提供了许多新方法和新手段, 其中包括近场光学显微技术、共焦显微技术和光学相干层析成像技术等. 它们从不同的工作原理出发分别为生物学研究提供了超衍射极限的空间分辨图像和显微层析结构图像. 更为重要的是, 近年来利用激光技术发展了包括荧光多参量和Raman显微增 刊牛憨笨等: 细胞生命现象分析和研究的光学方法与手段23成像技术. 它们和上述各种显微成像技术的显著不同之处是可以提供揭示生物分子组分和构象的功能图像, 或可以提供表示不同物质之间相互作用的功能图像, 而不是纯粹的微观结构图像. 显然, 这是研究细胞组学所亟需的方法和手段. 值得关注的另一个进展是探测器的时间分辨率在不断获得改进, 这对研究活细胞内的各种微观动态过程具有十分重大的意义. 借助该技术, 我们不仅可获得活细胞内随时间变化现象的某一瞬态的清晰图像, 还可获得现象随时间连续变化的“电影”. 另外, 激光技术还与微光学技术相结合实现了对细胞的可控操纵和可控变形, 发展成可灵活操作细胞的光镊和光涡流等, 从而为实现细胞的固定、筛分、弹性测量、模拟细胞在生理和病理条件下所受到力的影响等创造了条件. 介绍用于活细胞现象分析和研究的光学方法和手段的发展现状及未来发展展望.1国内外发展现状目前需要在活细胞水平进行研究的有两类问题: 一类是对群体活细胞进行快速无损的功能检测, 主要解决临床快速诊断、药物筛选和细胞功能分析, 这方面的研究把生物学和基础医学带入细胞组学研究时代; 另一类是针对单细胞进行亚细胞结构和分子水平的动态功能分析, 主要用于细胞生物学和相关学科对细胞内基本功能的解读. 这两类问题的研究不是截然分开的, 对单细胞内基本功能的了解有利于群体活细胞功能的进一步分析.为开展上述研究, 需要发展的光学新方法和新手段应具有如下特征:(ⅰ) 与活细胞等生命体环境友好, 输入光不会损伤活细胞, 不会扰动其正常活动;(ⅱ) 能提供细胞和亚细胞结构研究的超衍射极限的空间分辨率;(ⅲ) 能提供细胞和亚细胞结构各种生命现象的动态过程研究的高时间分辨率;(ⅳ) 能提供细胞成分、构象及细胞内不同生物分子之间相互作用的功能信息;(ⅴ) 能实现细胞的可控操纵和可控变形;(ⅵ) 能实现活细胞无损、无扰动参量检测.具有上述特征的光学新方法和新手段, 将使细胞组学研究所需进行的活细胞光学微操纵、筛分、可塑性测量、表面成像、体成像、功能成像、光谱分析等成为可能.近年来, 围绕上述问题的解决已取得许多研究成果. 下面就有关进展分述如下:1.1应用于细胞的快速光学操纵与物理特性实时检测技术细胞机械性能与其内在有机成分有着密切联系. 细胞骨架由微丝、微管和中间丝交错构成, 用以支持细胞、并行使细胞迁移、胞内物质运输及细胞分裂等功能. 细胞骨架不仅决定着细胞的机械强度与表面轮廓, 而且与细胞的各种功能密切相关. 当发生疾病时, 细胞功能的改变将直接导致细胞骨架变化. 医学研究证明, 细胞骨架变化将导致许多血液疾病. 在癌变过程中, 当细胞从正常状态发展到癌变状态时, 其细胞骨架将由规则的刚性结构变为非规则的柔性结构. 由于细胞骨架变化反应了细胞整体机械特性, 因此细胞刚性测量可以被认为是一种新的非生化手段标记法. 而且, 由于细胞拉伸技术所需要的样本数量非常少, 在临床上可以直接从病患的可疑部分如肺部、胃部、子宫颈等表面部位直接取样, 具有方便、快捷、准确等特性. 另外, 弹性是区分正常细胞与癌细胞最敏感的参数, 它可以定量分析及判断癌细胞的扩散程度.目前, 测试细胞骨架机械特性的技术有细胞微吸管技术、原子力显微技术、光镊微操纵技术等. 但这些技术都存在不同的问题, 如微吸管细胞操纵技术需要机械接触, 近场光学方法操24中国科学G辑物理学力学天文学第37卷作复杂和速度慢, 光镊由于需要在细胞样品上黏贴微颗粒, 也存在操作复杂和检测速度与流量较慢等问题. 因此, 发展新一代光学手段, 通过光学作用力与光学成像技术联用, 实现活体细胞骨架快速无损三维检测, 将是突破目前细胞骨架检测在临床医学应用的有效途径.由激光产生的光学作用力分为梯度力和散射力. 与梯度力相比, 光学散射力无需高倍显微物镜会聚产生, 其强度通常是相同激光光束产生梯度力的10倍以上. 因此, 利用光学散射力对活体细胞进行操纵, 将可使光学辐射损伤降到最小. 国际上已经开展了应用光学散射力检测细胞变形能力的研究, 例如对癌变细胞及其癌变阶段进行了弹性表征. 但是, 此类研究在采用光学手段方面, 仍然停留在定性检测水平. 需要进一步发展与光学成像手段联用的技术, 以便精确实时地检测细胞的形态变化. 如果使用相干光源成像检测, 将光学干涉测量法结合到传统的生物显微镜上, 就可以实现在亚微米精度上的三维形状实时测量. 再与散射力光镊结合, 即可实现高分辨率、无损伤的操纵、观察与测量.对于群体细胞检测, 通常需要先进行细胞筛分, 然后再进一步进行单细胞操纵与观察. 传统流式细胞仪具有高速多参量分离等优势, 但由于体积庞大、价格昂贵, 操作复杂等因素, 该技术不适用于小剂量的细胞筛分. 目前主流的小剂量细胞颗粒筛选通常在微型槽或微型腔中进行, 这样不仅节约成本, 而且大大提高了检测效率. 目前主要的筛分方法有电泳筛分、介电电泳颗粒筛分以及基于微颗粒物理扩散的筛分技术等, 其中电泳筛分的电场作用可能会影响活体细胞本身的生命活动, 而且电泳筛分通常需要进行荧光标记, 增加了筛分过程的复杂性. 介电电泳颗粒筛分技术由于易于集成化设计, 因此广泛应用于生物和生化领域细胞及颗粒的筛选, 但其缺点是筛分效率较低. 虽然基于微颗粒物理扩散的筛分技术是科学家近年提出的新技术, 已引起国内外广泛重视, 但由于其不适用于大至几微米的颗粒筛选, 所以暂时不能应用于通常大小的细胞筛分. 利用全光学方法实现细胞筛分是一种新方法, 其原理是使流动的细胞群通过三维光学晶格点阵, 利用细胞尺寸、折射率差异产生选择性偏折作用, 从而实现筛分. 由于该方法拥有连续筛选、非接触、指数级选择率等独特优点, 而且处理细胞速度超过30粒/s, 全光学细胞筛选技术已经得到广泛重视, 自2002年以来, 已经有多个国际小组启动了这方面的研究工作[2~7]. 在全光学筛分技术中, 虽然多光束干涉方法能够成功实现光学晶格点阵并筛分细胞, 但是该方法依赖于光学干涉, 对光路调节要求极高, 同时由于多光束干涉的限制, 光学晶格点阵的几何参数无法任意调节. 因此, 发展多自由度的全光学点阵筛分技术, 将为该技术的实际应用提供方便.国内在光镊领域的研究, 在过去15年里, 中国科技大学和中国科学院物理研究所等单位做了大量的工作[8,9]. 但是在利用光学散射力导致细胞变形、全光学点阵筛分技术和整合光学筛分、光学散射力、细胞光学三维成像等方面国内尚未见报道.1.2应用于亚细胞结构和细胞分子成像的荧光及Raman显微技术荧光显微技术已经成为细胞生物学研究的重要工具, 近年来取得了许多重要进展. 首先是荧光探针技术. 荧光探针是用来标记生物分子的, 要求具有高的荧光转换效率、小的体积、不影响被标记分子的性质、对所处微环境敏感等特点. 目前前景较好的荧光探针主要有两类, 一类是荧光蛋白[10,11], 另一类是量子点[12,13]. 前者已在活细胞内蛋白质分子间相互作用的研究中获得广泛应用, 后者也表现出突出的优越性, 如荧光强度高, 光谱宽度窄且分布对称, 荧光谱峰位置可通过改变量子点物理尺寸进行控制等. 这两种标记技术, 结合新型的探测技术, 在增 刊牛憨笨等: 细胞生命现象分析和研究的光学方法与手段25活体细胞生命现象的研究中将发挥重要的作用. 其次是多光子激发荧光技术. 单光子激发需要短波长激光, 甚至紫外光, 在活细胞研究中, 往往具有破坏性. 随着飞秒激光脉冲技术的诞生和走向成熟, 多光子激发荧光技术越来越受到人们的重视[14,15]. 多光子激发荧光技术具有许多突出的优越性, 例如, 它的非线性效应和超短脉冲效应使横向和纵向空间分辨率均获得改善, 从而为研究细胞内的动态过程创造了条件, 同时由于激发光可以是近红外光, 不会像紫外光那样对样品造成损伤, 还具有穿透深度深、激发荧光波长范围宽、激发光与荧光容易分离等优点. 随着飞秒脉冲激光器成本的降低, 它将会获得越来越广泛的应用. 另外, 在突破衍射极限提高空间分辨率方面也取得很大进展. 为了实现亚细胞结构和细胞分子成像, 亟待解决的问题之一是如何突破衍射极限, 提高空间分辨率. 人们曾通过不同的技术途径进行了研究. 对荧光显微成像而言, 最为成功的途径之一是受激发射耗尽(stimulated emission depletion, 简称STED)技术[16,17], 其基本工作原理是通过激发光束与另一束环形激光束共同作用, 设法使受衍射极限限制的激发光斑外围产生受激发射而不发射荧光, 只有环形中心部分才发射荧光, 通过时间同步和光谱分光技术将荧光和受激发射光分开, 从而获得超衍射极限的空间分辨, 所获得的空间分辨率小于35 nm. 还有荧光多参量成像技术也获得飞速发展. 除了荧光光谱和荧光强度成像技术外, 近年来还发展了荧光寿命成像(fluorescence lifetime imaging microscopy, 简称FLIM)技术、同时荧光光谱与荧光寿命成像技术以及同时荧光寿命与荧光偏振成像技术等. 通过对样品进行荧光寿命成像, 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、氧压、溶液疏水性及猝灭剂等的分布进行定量测量. 基于荧光寿命测量的荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer, 简称FRET)技术, 可以提供一种非常精确的研究蛋白质－蛋白质分子之间相互作用的手段[18,19]. 通过荧光偏振特性的测试可以获得影响荧光探针分子转动的有关待研究分子本身及其所处微环境的很多信息, 如: 分子体积、形状、质量以及微环境的黏滞度等, 从而得到蛋白质变性、蛋白质与其它物质结合以及蛋白质内部的动力学变化情况等信息[20]. 最后, 随着荧光多参量成像技术的发展, 对探测技术提出越来越高的要求, 不仅要以低的噪声、高的灵敏度探测微弱的荧光强度信号, 以高的时间分辨率测量荧光寿命, 还需要利用两维探测器以高的灵敏度和高的时空分辨率同时记录不同光谱的荧光寿命, 甚至多焦点处不同光谱的荧光寿命. 这些技术近年来都取得很大的进展. 在上述技术飞速发展的基础上, 除已有激光扫描共焦显微镜商品供生物学家使用外, 在实验室已研制成功基于飞秒激光器和时间相关单光子计数器的荧光寿命成像系统、基于超短脉冲激光器和门控像增强器及面阵CCD的多焦点荧光寿命及荧光偏振测试系统、基于多光子效应和同步扫描相机的荧光寿命或荧光多参量测试系统等, 并在实验室演示了这些系统在研究活细胞生命活动中应用的可行性.与荧光显微成像技术相比, Raman光显微成像技术的发展要缓慢得多. Raman光谱技术最大的优点是具有很高的分子特异性. 但其最大的缺点是信号微弱, 需要用很强的激光照射样品. 正因为如此, 数据采集时间过长和激发光功率过高是阻碍Raman光谱技术应用于活细胞研究的主要因素. 所以, 在Raman光谱学技术研究中, 如何有效提高Raman信号、缩短数据采集时间、降低激发光功率, 是众多研究人员关注的热点. 最主要的进展是1965年由Maker 和 Terhune提出的相干反斯托克斯Raman散射(coherent anti-stokes raman scattering, 简称CARS)技术[21], 它的转换效率比传统Raman散射提高了105倍, 且具有很强的方向性, 使信号采集效率大大提高. 1999年哈佛大学Xie小组利用两台可调谐飞秒激光器第一次对活细胞进行26中国科学G辑物理学力学天文学第37卷了高质量的CARS成像[22]. 近年来, 为了减小背景干扰和实现应用方便的背向CARS成像, 又做了大量的改进工作[23,24]. 在哈佛大学Xie小组的研究基础上, 日本Ichimura等人[25]将尖端场增强技术引入CARS成像技术之中, 极大地提高了空间分辨率(小于35 nm). 与医学成像技术相结合, 美国马萨诸塞州人民医院和哈佛大学的研究小组合作, 得到了皮肤的视频背向CARS 图像, 其卓越的成像效果打开了CARS进入医学领域的大门[26,27].我国在荧光显微成像技术的方法学研究方面已经陆续对双光子激发荧光、荧光寿命成像、荧光光谱成像以及FRET等方法及其应用方面开展了广泛研究, 并取得了一些高水平研究成果, 积累了较强的工作基础[28~31]. 作者所在研究小组首次提出了一种基于高重复频率皮秒扫描相机的同时光谱和时间分辨多焦点多光子荧光显微功能成像技术[32,33]. 在Raman谱生物医学领域的研究中, 大多使用成熟的商业化仪器, 测量单点Raman谱线, 无直观的图像, 且无法与传统的研究方法得到的数据进行比对, 因此在生物学应用中受到了一定的限制. 中国科学院上海光学精密机械研究所在国内率先开展了CARS的理论研究工作[34]. 但总体来说, 我国在荧光和Raman光显微成像方面的发展远不能满足细胞组学研究发展的要求.1.3应用于亚细胞结构研究的表面等离子增强技术表面等离子共振成像是利用样品表面折射率变化而引发的等离子体和倏逝波之间共振角度的改变来检测样品的表面特征. 20世纪80年代, 瑞典科学家Liedberg首次将表面等离子共振成像技术运用于IgG抗体与其抗原相互作用的测定[35]. 1990年, 瑞典的Biacore AB 公司开发出世界上第一台商业化的表面等离子共振生物传感器BiacoreTM[36], 随后不断有专业化的商用表面等离子共振生物传感器平台相继推出, 从而被广泛应用于从蛋白、寡核苷酸、寡糖、脂类到小分子、噬菌体、病毒颗粒、细胞等各种生物体系, 从根本上改变了生物分子识别科学, 成为生命科学和制药研究中的重要手段. 表面等离子共振成像其垂直方向的分辨率达到纳米量级, 因此广泛应用于细胞运动、胞内运输以及细胞之间相互作用的实时监测.现有的表面等离子共振成像系统通常运用机械旋转镜来调节入射光角度以达到与最佳成像角之间的吻合. 这种方法难以控制入射角的精度, 并且在检测不同种类细胞时需要重新校正部分装置, 很大程度上限制了表面等离子共振成像方法的应用. 为此, 我们在表面等离子共振成像系统中引入计算机控制的高精度压控振镜以解决传统系统的缺点, 从而大大提高成像系统的灵活性和优越性, 实现高通量的成像效果. 在利用表面等离子共振成像或监测时, 样品位置的控制以及细胞表面与金属薄膜层之间的距离直接影响成像效果. 因此分子敏感膜在连接样品与金属薄膜层的作用上就显得极为重要. 现阶段分子敏感膜的成膜方法如金属膜直接吸附法、共价连接法、单分子复合膜法、分子印膜技术等都要引入额外的吸附材料, 不易灵活操作, 而且容易造成细胞和金属薄膜层的损伤, 吸附的准确性和成功率也难以保证. 为此, 我们引入无任何机械损伤又行之有效的固定手段——光镊, 通过聚焦激光入射介质时光子与微粒发生动量交换完成对细胞的捕捉、移动甚至转动, 而且, 通过微光学器件(如微透镜阵列、达曼光栅等)投影产生聚焦光点阵列可以对多细胞同时进行捕获与固定. 虽然目前已有关于利用表面等离子共振技术进行生物传感检测的成熟商业化仪器, 但是表面等离子波作为纳米荧光探针在细胞面形和亚细胞结构成像研究方面, 尤其是作为荧光激发方法, 还有许多新的内容需要研究. 例如, 2000年德国科学家首次提出表面等离子激发荧光光谱方法[37], 同等条件下, 该方法比全内反射荧光显微术(total internal reflection fluorescence microscopy, 简称TIRFM)的。
