全內(nèi)反射熒光成像基本原理

全內(nèi)反射熒光成像基本原理TotalInternalReflectionFluorescence

(TIRF)第1頁，共31頁。全內(nèi)反射熒光顯微鏡(TIRFM)第2頁，共31頁。目前用于單分子研究的檢測技術(shù)主要有兩大類：掃描探針顯微技術(shù)（SPM）和光學(xué)技術(shù)。其中：SPM原子力顯微技術(shù)（AFM）掃描離子電導(dǎo)顯微技術(shù)（SICM）掃描隧道顯微技術(shù)（STM）光學(xué)技術(shù)光學(xué)顯微鏡成像光學(xué)操縱共聚焦熒光顯微技術(shù)（LSCM）掃描近場光學(xué)顯微技術(shù)（SNOM）全內(nèi)反射熒光顯微技術(shù)（TIRFM）第3頁，共31頁。上世紀(jì)80年代，Axelrod等生物物理學(xué)家對TIRFM技術(shù)及基本原理進行描述，并探索了其在生物方面的應(yīng)用。發(fā)展歷程

Axelrod,Julius阿克塞爾羅德（Axelrod,Julius)美國生物化學(xué)家及藥理學(xué)家。1970年他與卡茨馮奧伊勒共享了諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎。于美國衛(wèi)生研究院度過其大部職業(yè)生涯。他研究藥物及激素的作用、神經(jīng)沖動傳播的化學(xué)方面，并特別研究松果體的功能。第4頁，共31頁。光反射和折射示意圖第5頁，共31頁。全內(nèi)反射示意圖第6頁，共31頁。

n1n2RefractedTIRn1>n2光的反射和折射Snell定律：第7頁，共31頁。第8頁，共31頁。當(dāng)入射角不斷增大，透射角為增大90°時，入射角達到臨界角θc。依據(jù)Snell定律得出：當(dāng)入射角繼續(xù)增大時，光不再透射進水溶液，即發(fā)生了全內(nèi)反射。

90on1n2TIR第9頁，共31頁。

實際上，由于光的波動效應(yīng)，有一部分光的能量會透過臨界面滲透到水溶液中，平行于界面向水溶液中傳播，這一部分透過的能量場則稱之為“隱失波”

或“隱失場”。隱失波

90on1n2TIR隱失波第10頁，共31頁。隱失波的頻率與入射光線的頻率相同，其強度隨臨界面的垂直距離呈指數(shù)衰減：其中：Z是離開分界面的距離，I(z)表示距離界面Z處的強度；I(0)表示臨界面處的強度。第11頁，共31頁。由于隱失波僅在界面上極薄的一層范圍內(nèi)傳播，所以利用隱失波照明樣品，可以僅激發(fā)厚度大約100nm內(nèi)的熒光團，而更深層溶液中的熒光基團不會被激發(fā)，因此極大地提高了顯微成像的對比度和信噪比。d12是滲透深度，它等于從分界面處到光強衰減l/e處的距離。第12頁，共31頁。隱失波的滲透深度d12是入射角及相對折射率的函數(shù)。

d12是滲透深度,它等于從分界面處到光強衰減到分界面處數(shù)值l/e的處的距離。對于可見光波長而言，浸透深度約為100nm。隱失波強度成指數(shù)衰減曲線第13頁，共31頁。隱失波存在的實驗證明兩塊光密媒質(zhì)做的棱鏡中間夾一薄層空氣層(光疏媒質(zhì))。如果不斷減少空氣層的厚度,由于空氣層中有透射波,這透射波進人第二塊棱鏡。第14頁，共31頁。光學(xué)隧道效應(yīng)

光強度并不發(fā)生全反射,而是有隱失波存于介質(zhì)2中。當(dāng)光疏介質(zhì)薄膜的厚度小于隱失波的滲透深度時,這個波不僅穿過了光疏介質(zhì),而且會促進鄰近高折射率介質(zhì)3中的電子作受迫振動,由此產(chǎn)生了新的次波,隱失波的形態(tài)發(fā)生了顯著改變,全反射被破壞,能量發(fā)生了流動,導(dǎo)致了光學(xué)隧道效應(yīng)的產(chǎn)生。第15頁，共31頁。全內(nèi)反射熒光顯微技術(shù)，是利用光發(fā)生全內(nèi)反射時產(chǎn)生的隱失波照明樣本，僅激發(fā)樣本表面薄層范圍內(nèi)的熒光基團。與傳統(tǒng)的熒光顯微鏡相比，使顯微成像在Z軸上的空間分辨率得到了顯著改善，大大提高了圖像的信噪比和對比度。第16頁，共31頁。全內(nèi)反射熒光顯微成像系統(tǒng)第17頁，共31頁。分子熒光的產(chǎn)生

當(dāng)一束特定波長的光照射到物質(zhì)時，物質(zhì)分子與光量子發(fā)生“碰撞”。如果這次碰撞時有效的：吸收hv放熱H放熱H**熒光hvS2S0S1放出熱量H*第18頁，共31頁。激發(fā)態(tài)停留時間短、返回速度快的途徑發(fā)生的幾率大。熒光：10-7-10-9s磷光：10-4-100s分子熒光的產(chǎn)生第19頁，共31頁。電子躍遷的單重態(tài)（單線態(tài)）與三重態(tài)（三線態(tài)）在光致激發(fā)和去激發(fā)光的過程中，分子中的價電子（n,π）處于不同的自旋狀態(tài)，通常用多重態(tài)M來描述：

M＝2S＋1＝1電子自旋的大小用自旋量子數(shù)S表示，S可為+1/2或－1/2，這里的正負(fù)號取決于自旋的方向。基態(tài)中每個能級通常被兩個自旋相反的即自旋配對的電子占據(jù)，M=1，成為單重態(tài)。第20頁，共31頁。當(dāng)成對電子中的一個被激發(fā)到S1、S2等電子能級激發(fā)態(tài)時，其自旋不變，即仍和處于基態(tài)的另一電子成對。這些能態(tài)都被稱為單線態(tài)或單重態(tài)(singletstate)。

但如果處于第一電子激發(fā)態(tài)最低振動能級的電子通過無輻射躍遷（系間跨越，intersystemcrossing)改變自旋方向，則因消耗部分能量而降至另一種激發(fā)態(tài)：S＝1/2＋1/2＝1，多重度M＝2S＋1＝21＋1＝3，這種電子激發(fā)態(tài)稱為三重態(tài)(tripletstate)。

第21頁，共31頁。ΠΠΠ*ΠΠ*Π*能量S0單重基態(tài)S1單重激發(fā)態(tài)T1三重激發(fā)態(tài)第22頁，共31頁。分子熒光的產(chǎn)生（雅布隆斯基分子能級圖）第23頁，共31頁。熒光發(fā)射：電子由第一激單重態(tài)的最低振動能級到基態(tài)，多為S1-S0。由于基態(tài)中也有振動弛豫躍遷，這使得發(fā)射熒光的能量比分子吸收的能量要小，所以，熒光的特征波長比入射波長要長。

熒光是相同多重態(tài)間的允許躍遷，產(chǎn)生速度快：10-9—10-7s，又叫快速熒光或瞬時熒光。外部光源停止照射，熒光馬上會消失。

磷光發(fā)射：第一激發(fā)三重最低振動能級到基態(tài)（10-4—10s），外部光源停止照射后，可以持續(xù)一段時間。分子熒光的產(chǎn)生第24頁，共31頁。

目前，大多數(shù)全內(nèi)反射熒光顯微鏡主要有兩種基本類型：棱鏡型和物鏡型(或無棱鏡型)。棱鏡型全內(nèi)反射熒光顯微鏡結(jié)構(gòu)第25頁，共31頁。全內(nèi)反射熒光顯微鏡結(jié)構(gòu)

物鏡型使用高數(shù)值孔徑(NA≥1．4)的物鏡作為熒光信號的接受器，同時又作為發(fā)生全內(nèi)反射的光學(xué)器件，樣品的放置非常方便，并且可與多種技術(shù)聯(lián)用，例如納米操縱、光鑷技術(shù)、原子力顯微鏡等。第26頁，共31頁。該系統(tǒng)的關(guān)鍵是高數(shù)值孔徑物鏡的使用。由于細胞的典型折射率為1．33～1．38，因此要實現(xiàn)全內(nèi)反射，物鏡的NA必須大于1．38，表達式為：NA=nsinθnsinθ>nsinθc其中，NA為物鏡的數(shù)值孔徑

，n，θ分別為物鏡的折射率(浸沒油)和孔徑角。θc為發(fā)生全內(nèi)反射時的臨界角。物鏡的數(shù)值孔徑越高，則有更多的孔徑范圍可被利用，且容易校準(zhǔn)光束。第27頁，共31頁。第28頁，共31頁。物鏡型全內(nèi)反射熒光顯微鏡示意圖第29頁，共31頁。第30頁，共31頁。內(nèi)容梗概全內(nèi)反射熒光成像基本原理。目前用于單分子研究的檢測技術(shù)主要有兩大類：掃描探針顯微技術(shù)（SPM）和光學(xué)技術(shù)。他研究藥物及激素的作用、神經(jīng)沖動傳播的化學(xué)方面，并特別研究松果體的功能。依據(jù)Snell定律得出：。當(dāng)入射角繼續(xù)增大時，光不再透射進水溶液，即發(fā)生了全內(nèi)反射。隱失波的頻率與入射光線的頻率相同，其強度隨臨界面的垂直距離呈指數(shù)衰減：。其中：Z是離開分界面的距離，I(z)表示距離界面Z處的強度。d12是滲透深度，它等于從分界面處到光強衰減l/e處的距離。隱失波的滲透深度d12是入射角及相對折射率的函數(shù)。d12是滲透深度,它等于從分界面處到光強衰減到分界面處數(shù)值l/e的處的距離。如果不斷減少空氣層的厚度,由于空氣層中有透射波,這透射波進人第二塊棱鏡。放熱H**。