全内反射荧光显微镜介绍

研究生光谱技术与应用课程作业河南大学单分子荧光共振能量转移技术学生：郭爱宇学号：************学院：物理与电子学院年级专业：2012级光学工程课程名称：光谱技术及应用指导老师：郭立俊教授单分子荧光共振能量转移技术摘要：单分子荧光共振能量转移技术(single molecule fluorescence resonance energy transfer, smFRET) 通过检测单个分子内的荧光供体及受体间荧光能量转移的效率，来研究分子构象的变化。

在单分子探测技术发展之前，大多数的分子实验是探测分子的综合平均效应(ensemble averages)，这一平均效应掩盖了许多特殊的信息。

单分子探测可以对体系中的单个分子进行研究，得到某一分子特性的分布状况，也可研究生物分子的动力学反应。

介绍了近来单分子荧光共振能量转移技术的进展。

关键词：单分子；荧光共振能量转移；荧光基团1 引言光谱技术是研究生物分子最常用的方法之一。

在单分子光谱（single molecule spectroscopy, SMS）探测技术发展以前，大多数的实验是探测分子的综合平均效应，得到的是由大量对象组成的一个整体所表现出的平均响应和平均值，这一平均效应掩盖了许多特殊的信息。

而单分子探测可对体系中的单个分子进行研究，通过与时间相关过程的探测，能实时了解生物大分子构象变化的信息。

2002年美国第46届生物物理年会表明单分子仍是生物物理学目前和今后重点发展的研究领域。

主要的技术手段包括生物大分子荧光光谱，单分子荧光能量转移谱、与原子力显微镜结合进行单分子水平的分子间相互作用力的测量，以及可进行单分子操作的激光光钳，高时间分辨率的单分子轨迹追踪等[1]。

由此可见，单分子荧光技术具有重要的地位。

标记在生物大分子上单个荧光基团的各种特性变化能够提供有关分子间相互作用、酶活性、反应动力学、构象动力学、分子运动自由度(molecular freedom of motion)及在化学和静电环境下活性改变的信息。

一、荧光显微镜荧光显微镜是免疫荧光细胞化学的基本工具。

它是由光源、滤板系统和光学系统等主要部件组成。

是利用一定波长的光激发标本发射荧光，通过物镜和目镜系统放大以观察标本的荧光图像（一）光源现在多采用200W的超高压汞灯作光源，它是用石英玻璃制作，中间呈球形，内充一定数量的汞，工作时由两个电极间放电，引起水银蒸发，球内气压迅速升高，当水银完全蒸发时，可达50〜70个标准大气压力，这一过程一般约需5〜15min0超高压汞灯的发光是电极间放电使水银分子不断解离和还原过程中发射光量子的结果。

它发射很强的紫外和蓝紫光，足以激发各类荧光物质，因此，为荧光显微镜普遍采用。

超高压汞灯也散发大量热能。

因此，灯室必须有良好的散热条件，工作环境温度不宜太局O新型超高压汞灯在使用初期不需高电压即可引燃，使用一些时间后，则需要高压启动（约为15000V）,启动后，维持工作电压一般为50〜60V,工作电流约4A左右。

200W超高压汞灯的平均寿命，在每次使用2h的情况下约为200h,开动一次工作时间愈短，则寿命愈短，如开一次只工作20min,则寿命降低50%。

因此，使用时尽量减少启动次数。

灯泡在使用过程中，其光效是逐渐降低的。

灯熄灭后要等待冷却才能重新启动。

点燃灯泡后不可立即关闭，以免水银蒸发不完全而损坏电极，•般需要等15min0由于超高压汞灯压力很高，紫外线强烈，因此灯泡必须置灯室中方可点燃，以免伤害眼睛和发生爆炸时造成操作。

超高压汞灯（IOOw或200TV）光源的电路和包括变压、镇流、启动几个部分。

在灯室上有调节灯泡发光中心的系统，灯泡球部后面安装有镀铝的凹面反射镜，前面安装有集光透镜。

国产超高压汞灯GCQ-200型性能良好，可以代替HB0-200等型的进口灯泡，平均寿命在200h 以上，价格也比较低。

我国研制的一种简易轻便型高色温溟铝荧光光源装置，体积小，重量轻，功率小，交、直流两用（自带直流电源），易于携带，使用方便，已推广应用。

tirf显微镜原理简介：TIRF（Total Internal Reflection Fluorescence，全内反射荧光显微镜）是一种用于研究界面和薄膜附近的生物发光过程的高分辨率显微镜技术。

本文将解析TIRF显微镜的原理，包括全内反射现象、波导耦合和荧光检测等方面，帮助读者深入了解这种重要的显微镜技术。

正文：1. 全内反射现象TIRF显微镜利用全内反射现象实现高分辨率成像。

当光束从高折射率的材料（例如玻璃）射入到低折射率的材料（例如溶液）时，当入射角大于临界角时，光束将完全反射，不进入低折射率材料。

2. 波导耦合TIRF显微镜利用光波在玻璃和样品之间发生全内反射来实现荧光成像。

一种常用的方法是通过特殊设计的金属或玻璃叫做波导，将激光束耦合到玻璃和样品的边界上。

波导保证了光束以全内反射的方式沿界面传播，通过控制波导与样品之间的接触面积，可以使激光束只在非常薄的区域内与样品相互作用，实现高分辨率荧光成像。

3. 荧光检测TIRF显微镜利用荧光探针标记的样品发出的荧光信号来进行观察。

在TIRF成像中，仅有与表面接触的荧光染料将被激发并发射荧光。

未被激发的荧光将不被收集，从而有效地减少了背景信号的干扰，提高了信噪比和成像的分辨率。

4. 超分辨率成像TIRF显微镜在满足一定条件下能够实现超分辨率成像。

通过控制入射角度、荧光染料的位置和波导耦合等参数，可以限制荧光激发区域的大小，使得成像分辨率超越传统荧光显微镜的衍射极限，实现更高的空间分辨率。

5. 应用TIRF显微镜广泛应用于生物科学的研究领域，特别是细胞和分子生物学。

通过观察细胞膜和介观尺度结构之间的相互作用、细胞内分子交互作用以及染料的分子动力学等，TIRF显微镜为研究生命科学中的各种现象和过程提供了高分辨率的实时成像手段。

总结：TIRF显微镜利用全内反射现象和波导耦合技术，实现了高分辨率的成像和荧光检测。

通过限制光激发区域和减少背景干扰，TIRF显微镜能够提供超过传统荧光显微镜的分辨率。

全内反射荧光显微术原理与应用1. 引言全内反射荧光显微术（Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy，TIRFM）是一种基于全内反射原理的显微技术，利用全内反射限制激光光束的传播范围，使其仅激发样品表面附近的荧光染料，并通过荧光显微镜观察和记录表面附近的高分辨荧光信号。

该技术具有高灵敏度、高空间分辨率和实时监测能力等优点，广泛应用于生命科学研究中。

本文将详细介绍TIRFM的原理和应用。

2. 全内反射原理光在由一个折射率较大的介质（如光具）射入折射率较小的介质（如空气）时，当入射光线的入射角大于一个特定的临界角时，光线将会完全发生反射，不再穿透进入折射率较小的介质中。

这个现象被称为全内反射（Total Internal Reflection，TIR）。

当一个光束从高折射率的物质射入低折射率的物质时，入射角大于临界角时，发生全内反射。

通过调控入射角，可以使光线沿着介面传播，从而形成衰减系数很小的光束。

这个现象可以被用来实现TIRFM的照明光路。

3. 全内反射荧光显微术系统TIRFM系统主要由以下几个部分组成：激光光源、调制器、目标镜、物镜、荧光滤光片、成像系统和数据采集分析系统等。

激光光源：一般使用高功率激光器，如氩离子激光器或二极管激光器。

激光通过光纤输入到光路系统中。

调制器：用于控制激光的工作模式，常用的包括振荡镜或振荡腔。

目标镜：一般是具有高折射率的玻璃片或光具，用于实现全内反射，常用的目标镜材料有石英、玻璃等。

物镜：用于聚焦激光到样品表面，并收集荧光信号。

物镜的选择要考虑到激光的聚焦效果和空间分辨率。

荧光滤光片：用于选择性地阻挡激发光和透射荧光信号。

成像系统：一般是荧光显微镜或全内反射显微镜。

能够观察并记录样品表面的荧光信号。

数据采集分析系统：可以对观察到的荧光图像进行实时处理和分析，如图像增强、图像叠加、荧光强度计算等。

4. TIRFM原理TIRFM的原理可以通过以下步骤进行解释：1.激光从物镜聚焦到样品表面。

初级感觉神经元的分泌和胞吞：单个囊泡行为的全内反射显微成像（TIRFM）研究位于背根神经节（DRG）的初级感觉神经元表达多种神经肽，这些神经肽从神经元的末梢和胞体等区域的致密囊泡（DCV）分泌出来，起到调节神经元突触传递，细胞兴奋性和调控基因表达等重要作用。

分泌过程是神经肽行使其功能的重要调节步骤，然而以往对于这一过程的研究主要在神经内分泌细胞上进行，对神经元神经肽分泌多采用生化方法检测，不足以阐明这一精细调控的过程。

因此我们采用实时成像的方法对DRG神经元神经肽分泌的调控进行了研究。

在此过程中，我们还意外地发现了一个内吞的负向调控因子，于是我们进一步对其作用机制进行了研究。

本论文将分别对这两部分工作进行介绍。

第一部分研究DRG神经元神经肽分泌的调控。

我们首次将全内反射荧光显微镜（TIRFM）成像应用于DRG神经元，用NPY‐pHluorin作为分子标记，在单个囊泡水平观察刺激引起的神经肽分泌。

TIRFM 记录到的单囊泡分泌事件有NPY‐pHluorin“完全释放型”和“不完全释放型”两种，提示DRG神经元中神经肽的分泌受到融合小孔（fusion pore）的调节。

对胞体和轴突的同时记录发现，除了我们已知的胞体分泌，DRG神经元的轴突各部分也存在刺激依赖的DCV分泌，两者对于刺激的响应均表现出较长的延迟。

去极化及电刺激引起的轴突囊泡分泌的数量显著多于胞体，分泌时程也显著快于胞体，尽管轴突的内钙浓度并不比胞体更高，说明DCV在不同细胞区域的分泌位点受到严格的调控。

然而激活DRG神经元上的温度敏感通道TRPV1引起的神经肽分泌在轴突和胞体间没有明显的差异，其单个事件的动力学与去极化引起的分泌有显著的不同，有更多的不完全释放型的事件发生。

这一发现表明不同的生理刺激可以对分泌的位点和融合小孔进行调节，进而调节递质的分泌。

第二部分研究DRG神经元内吞的调控机制。

内吞过程的精确和有效的调控对于突触传递，细胞膜平衡，细胞膜表面的通道和受体的平衡等都具有重要的作用。

全内反射荧光显微镜单分子荧光能量共转移1. 引言1.1 概述本文旨在介绍全内反射荧光显微镜和单分子荧光能量共转移技术，并探讨它们在生物医学领域的应用。

全内反射荧光显微镜是一种基于全内反射现象的高分辨率显微镜，可以实现非常高的空间分辨率和极低的背景噪音，因此被广泛应用于生物体系中超分辨率成像的研究。

而单分子荧光能量共转移是一种用来研究生物体系中分子之间相互作用和结构动态变化的方法，在生命科学领域具有重要意义。

1.2 文章结构本文主要分为五个部分：引言、全内反射荧光显微镜、单分子荧光能量共转移、实验结果与讨论以及结论。

在引言部分，我们将对本篇文章进行简要介绍，并概述全内反射荧光显微镜和单分子荧光能量共转移技术的背景和意义。

随后，在接下来的几个部分，我们将逐步深入探讨这两项技术的原理、发展历程、应用领域以及实验方法与技术要点。

最后，我们将介绍相关的实验结果，并进行结果讨论与解释。

在结论部分，我们将对本文进行总结回顾，并探讨存在的问题及未来展望。

1.3 目的本文旨在全面介绍全内反射荧光显微镜和单分子荧光能量共转移技术的原理和应用，并通过实验结果与讨论来验证这两项技术在生物医学领域中的有效性。

通过本文的阐述，读者可以了解到这些重要技术在研究生物体系中起到的关键作用，并对未来发展方向有所启示。

2. 全内反射荧光显微镜部分的内容如下：2.1 原理介绍全内反射荧光显微镜（Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy，TIRFM）是一种基于全内反射原理的高分辨率荧光显微技术。

其原理是利用高折射率物质与低折射率域之间的全内反射现象，将激发光只聚焦在非常薄的表面层上，进而使得观察对象处于极低背景的强照射区域。

相比传统荧光显微镜，TIRFM 具有更高的信噪比和更好的空间分辨率。

在TIRFM中，通过特定角度入射到玻璃-样品界面上的激发光会被全内反射。

当样品中存在荧光探针时，这些探针会受到入射激发光的刺激并发生荧光发射。

全内反射荧光显微镜（TIRFM）系统全内反射荧光显微镜TIRFM系统介绍一、全内反射荧光显微镜的原理及其在生物领域的应用全内反射荧光显微镜(Total internal reflection fluorescence microscope TIRFM)利用光从高折射率的介质进入较低折射率的介质时，如果入射角足够大时则光全部被反射而不发生折射，但是在两种介质的界面会产生衰逝波可以激发近界面100nm范围内的荧光的原理来实现对物体表面的观察。

可通过常规荧光显微镜的照明器或特殊照明器送入激发光，并对激光的入射角度进行控制，采用瞬间场激发方法以避免激发光进入探测器，在玻璃和水界面的激发光产生全内反射实现的。

为了实现全内反射，需要大的入射角，例如玻璃-水界面的入射角要大于61度。

这可以通过棱镜(prism)实现，称为prism-based TIRFM，也可通过高数值孔径的物镜实现，此时称为objective-type TIRFM。

现在商品化的全内反射荧光显微镜一般都是物镜类型的，速度快，精度高。

Wide field FL TIRFM全内反射荧光显微镜由于能实现物体表面非常薄范围内（小于100nm）荧光观察，故在某些生物领域得到广泛应用。

如以下等应用：1、细胞表面图象的观察。

如细胞膜表面结构，细胞表层的接触，膜表面动力学/蛋白质定位Fixed 3T3 纤维原细胞细胞免疫化学标记微管蛋白2、单分子观察及其操作。

肌球蛋白，肌动蛋白与Cy3标记ATP3、细胞膜表面运动。

如泡吞、泡吐现象，泡外分泌现象。

表达GFP-肌动蛋白的培养MAST 细胞正在胞饮4、细胞膜钙火花现象的观察，离子通道监视G蛋白偶联钙离子通道监视5、分子马达研究旋转的马达、细胞骨架蛋白、聚合体、G蛋白、环状蛋白、核苷酸马达RNA聚合酶反应除了在生物领域外，在化学领域等对于化学分子结构观察中也有很好的应用。

二、全内反射荧光显微镜的基本组成全内反射荧光显微镜主要由四部分组成。