全内反射荧光显微镜概述
全内反射荧光显微镜TIRFM介绍
TIRFM 原理
全内反射是一项依赖于消逝波的技术。 在两种不同折射率介质的临界面上，临界角 的光线几乎被完全反射： c= sin-1 (n2/n1) n1 > n2 消逝波只能够传播到盖玻片后几百纳米内 典型的有效照明下渗透度只有50nm到100nm
低折射率 q 高折射率
只有临近盖玻片表面（近场）的荧光分子才能 被激发。远场分子不受激发。
如何得到消逝波
标本折射率 消逝波 水 n２ =1.33 细胞内液 n２ =1.38
d
盖波片 （n1＝1.52 for PLAPO60XOTIRFM) (n1＝1.78 for APO100XOHR ） 镜油 （n0＝1.52 for PLAPO60XOTIRFM） （n0＝1.78 for APO100XOHR ）
安装简单 可用于膜片钳实验 物镜数值孔径受限制
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全内反射照明的切换
宽场荧光照明
盖波片
物镜
激光
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高灵敏度冷CCD --- EMCCD Rolera-MGi
背感光、高量子效率，>90% 芯片增益EMCCD，不放大读出噪音 高速度，全幅30fps，最高300fps以上 低温制冷CCD
EM CCD在以下应用具有无可比拟的优势： 1。单分子成像：Single molecule imaging 2。全内反射：Total internal reflection 3。转盘式共聚焦：Spinning Disk 5。Ca等的离子测定 6。快速时间序列的荧光3D成像
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tirf显微镜原理
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。
简述全内反射荧光显微术的原理和应用
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。
荧光显微镜荧光显微镜（Fluorescencemicroscope）及其操作
荧光显微镜荧光显微镜（Fluorescencemicroscope）及其操作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。
原理编辑本段回目录某些物质经一定波长的光（如紫外光）照射后，物质中的分子被激活，吸收能量后跃迁至激发态；当其从激发态返回到基态时，所吸收的能量除部分转化为热量或用于光化学反应外，其余较大部分则以光能形式辐射出来，由于能量没能全以光的形式辐射出来，故所辐射出的光的波长比激发光的要长，这种波长长于激发光的可见光部就是荧光(fluorescence)。
所谓荧光就是某些物质在一定波长光（如紫外光）的照射下、在极短时间内所发出的比照射光波长更长的可见光。
由此可见，被照射物质产生荧光必须具备以下两个条件：①物质分子（或所特异性结合的荧光染料）必须具有可吸收能量的生色团；②该物质还必须具有一定的量子产率和适宜的环境（如溶剂、pH、温度等）。
荧光显微术是利用荧光显微镜结可发荧光的物质进行观测的一种实验技术。
某些物质在一定短波长的光(如紫外光)的照射下吸收光能进入激发态，从激发态回到基态时, 就能在极短的时间内放射出比照射光波长更长的光(如见光)，这种光就称为荧光。
有些生物体内的物质受激发光照射后可直接产生荧光, 称为自发荧光(或直接荧光)，如叶绿素的火红色荧光和木质素的黄色荧光等。
有的生物材料本身不能产生荧光，但它吸收荧光染料后同样却能发出荧光，这种荧光称为次生荧光(或间接荧光)，如叶绿体吸附吖啶橙后便可发出桔红色荧光。
荧光显微镜具特殊光源（多为紫外光光源），提供足够强度和波长的激发光，诱发荧光物质发出荧光。
在视场中所所观察到的图像，主要是样品的荧光映像。
（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5～15min。
TIRFM原理及应用
TIRFM简介 TIRFM原理 TIRFM分型 TIRFM应用
02.1 全反射
1. 2.
snell定律: n1sin θ 1=n2 sin θ 2
当n1大于n2时，全反射就可能发生:
θ2=90° θc=sin-1(n2/n1)
即所有的入射光线全部反射出来,称为全内反射
02.2 隐失波
1.
如果玻璃的折射率取为1.52，溶液的折射率取为1.33（生物细胞的折 射率范围是1.33-1.38），则玻璃／界面处的临界角为61.78°。从几 何光学的角度来看，当光发生全反射时，光会在剥离界面上完全反 射而不进入液体溶液中。实际上，由于波动效应，有一部分光的能 量会穿过界面渗透到溶液中，平行于界面传播。这部分光场就是所 谓的隐失波。
TIRFM在细胞生物物理研究中的应用
主讲人：秦继伟
TIRFM简介 TIRFM原理 TIRFM分型 TIRFM应用
01 TIRFM简介
全内反射荧光显微术(Total internal reflection fluorescence microscopy TIRFM)是利用全内反 射产生的隐失波激发样品,使样品表面数百纳米厚 的薄层内的荧光团受到激发，只有这个小范围内的 荧光分子将被激发，而在这个范围以外的荧光分子 则完全不受影响。所以全内反射荧光显微术具有其 它成像方法无法比拟的高的信噪比，细胞的光损伤 和光漂白也很小。再用高灵敏度和高时间分辨率的 摄像机CCD来捕捉荧光并用计算机进行显像，从 而实现对生物样品观测的一种技术。
正置荧光显微镜
倒置荧光显微镜
物镜型全内反射荧光显微镜成像系统的最大优点是在进行TIRFM实 验时可对样品进行其他操作，如改变样品介质、进行细胞显微注 射及微操作等。
中科院大学张竹青单分子考试总结
一，雷诺数Re（Reynolds number）表示作用于微团的与粘性力[1]之比。
两个几何相似的雷诺数相等，则对应微团的惯性力与粘性力之比相等。
雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流体流动稳定，为；若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的流场。
雷诺数越小意味着粘性力影响越显著，越大则惯性力影响越显著。
二，荧光产生原理：光致发光－物质分子吸收光能后，其电子由基态跃迁到激发态，激发态的分子以电磁辐射的形式释放能量回到基态，称为光致发光。
荧光－受光激发的分子从第一激发单重态的最低振动能级回到基态所发出的辐射。
磷光－受光激发的分子从第一激发三重态的最低振动能级回到基态所发出的辐射。
荧光光谱的主要参数和特征：（1）量子产率：荧光量子产率也叫荧光效率或量子效率，它表示物质发射荧光的能力，通常用下式表示发射荧光量子数 / 吸收光量子数（2）荧光寿命：当某种物质被一束激光激发后,该物质的分子吸收后从跃迁到某一激发态上,再以辐射跃迁的形式发出荧光回到基态.当激发停止后,分子的荧光强度降到激发时最大强度的1/e所需的时间称为荧光寿命，它表示粒子在存在的平均时间,通常称为激发态的荧光寿命。
（3）亮度：………斯托克司(stokes)位移：斯托克司位移为最大荧光波长与最大激发波长之差特征：（1）荧光淬灭：是指导致特定物质的荧光强度和寿命减少的所有现象。
（2）荧光漂白：photochemical destruction of a fluorophore, a phenomenon describing a fluorophore inability to be excited again after undergoing repetitive excitation and emission cycles.（3）荧光闪烁：The phenomenon of random switching between ON (bright) and OFF (dark) states of the emitter under its continuous excitation.主要荧光标记：有机染料荧光蛋白量子点三，单分子研究中常用显微术：（原理）（1）激光共聚焦显微镜：Confocal 利用放置在光源后的照明针孔和放置在检测器前的探测针孔实现点照明和点探测，来自光源的光通过照明针孔发射出的光聚焦在样品焦平面的某个点上，该点所发射的荧光成像在探测针孔上，该点以外的任何发射光均被探测针孔阻挡。
全内反射荧光显微镜 - 北京大学单分子与纳米生物学实验室
PC-linker
全内反射荧光显微术应用
现在全内反射荧光显微术已被泛广用于 实时观察单个肌浆球蛋白分子的运动、 单个蛋白分子对之间的荧光共振能量转 移( FRET) 、ATP 酶的翻转,聚合物内单 个分子的结构变化、以及等离子体膜附 近的神经分泌腺的颗粒运动等多方面。
全内反射荧光显微镜的发展展望
成像系统的消逝场 是通过入射光经物 镜本身全反射产生
棱镜型系统包括三个主要部分
(1) 倒置的相衬光学显微镜; (2) 可以二维精确移动的样品台; (3) 用来发生全反射的棱镜
棱镜型评价
1
棱镜型系统在实现上更加容易,它只 需要激光光源、棱镜和显微镜。
2
在探测上,它也不容易受到入射光信 号的干扰
3.全内反射荧光显微镜同原子 力显微镜结合的应用
Injected Fluorescent Beads
1) Silanization of whisker crystals 2) Modification of PC-linker 3) Immobilization of Fluorescent Beads
合适的pH值：PH:4.25
合适的TPPS的浓度：1.5x10-6 -1"L’
2.蛋白质的分泌：
A. 为刺激给予之前;B、C. 为刺激给予后 MIN6 细胞用吖啶橙荧光染料转染后给予50 mmol/ L 氯化钾 刺激,应用TIRFM 得到全反射影像
A1 为刺激给予之前;B、C1 为22mmol/ L 葡萄糖给予之后 MIN6 细胞应用吖啶橙荧光染料转染后给予高浓度葡萄糖刺激, 应用TIRFM 得到全反射影像。
放置样品的空间收到棱镜的限制
全内反射荧光显微镜剖析
隐失波
从几何光学的角度来看，当光发生全反射时，光会在玻 璃界面上完全反射而不进入液体溶液中。实际上，由于 波动效应，有一部分光的能量会穿过界面渗透到溶液中， 是一种非均匀波，它沿着入射面上的介质边界传播，而 振幅随离界面的距离ｚ作指数衰减。
2.3全内反射荧光显微镜特点
①信噪比高（相对共聚焦显微镜） ②分辨率高（相对其他的光学显微镜） ③对生物样本损伤小，可以进行活体物质的研究
和单分子的动态研究。 ④全内反射的荧光激发深度只在～100 nm 的薄
层范围内,从而成为研究细胞表面科学如生物化 学动力学、单分子动力学的最有前途的光学成 像技术。 ⑤全内反射荧光显微成像法不再采用扫描成像, 大大提高了成像速度,可以满足实时成像的要求。
5. 在生物单分子研究中的应用
细胞内的很多至关重要的生命活动过程如信 号转导，蛋白质转运，病原体侵入均与细胞 表面有关，如果我们可以直接对这些细胞表 面的过程进行观测，而不受到来自细胞内深 层区域信号的干扰，这对细胞生物学研究来 说，将是具有重大意义的突破。全内反射荧 光显微术正是凭借其独特的优势,它的荧光激 发深度只在～200ｎｍ的薄层范围内,从而成 为研究细胞表面科学如生物化学动力学、单 分子动力学的最有前途的光学成像技术。
2.2 物镜型
而在物镜型成像系统中，显微镜的物镜既是发生全内反射的 光学器件，又是样品荧光信号的收集器。其优点是样品的大 小没有棱镜的限制，样品的放置非常方便，并且由于样品远 离物镜而可以与多种其他技术相结合，例如微操作，微分干 涉成像系统，光镊技术，扫描探针显微术等等，因而相对于 棱镜型展现出更加广阔的生物应用前景。
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3. 物镜型光学成像系统中物镜
由于细胞的典型折射率为1.33~1.38，因此要实现全内 反射，在物镜型全内反射荧光成像系统中物镜的数值 孔径（NA）必须大于1.38。 当物镜数值孔径为1.4时，只有很小的一部分数值孔径 范围（1.4-1.38=0.02）被利用，入射角可调节范围 （最大孔径角与全内反射角的差值）很小，光束校准 比较难，同时光束的强度也很难提高。若使用数值孔 径为1.65的物镜，则有一个大的多的孔径范围（1.651.38=0.27）可以被利用，则入射角可调节范围变大， 降低了操作难度。高数值孔径的物镜的使用是物镜型 全内反射荧光成像系统的关键。
全内反射
全内反射是一种普遍存在的光学现象。 考虑一束平面光波从折射率为n1的介质进入到折射 率为n2的介质中。入射光在表面上一部分发生反射， 另一部分则发生透射。入射角θ1和透射角θ2之间满 足关系式n1sinθ1=n2sinθ2 当n1大于n2时，全反射就可能发生:即所有的入射光 线全部反射出来,称为全内反射。
2.2 物镜型
而在物镜型成像系统中，显微镜的物镜既是发生全内反射的 光学器件，又是样品荧光信号的收集器。其优点是样品的大 小没有棱镜的限制，样品的放置非常方便，并且由于样品远 离物镜而可以与多种其他技术相结合，例如微操作，微分干 涉成像系统，光镊技术，扫描探针显微术等等，因而相对于 棱镜型展现出更加广阔的生物应用前景。
2.1棱镜型
棱镜型利用激光经过棱镜并产生全内反射，其隐失波照射已 被荧光标记的生物样品，其激发光从另一侧进入物镜并被 CCD相机捕捉。棱镜作为发生全内反射的光学器件。物镜只 是作为荧光信号收集器。在探测上，它也不容易受到入射光 的干扰。缺点是放置样品的空间位于棱镜和盖玻片之间，所 以样品大小和样品的放置受到限制。
4. 生物单分子荧光探测
真正意义上的单分子荧光探测，有很多的困 难，但是还是可能的。单分子荧光探测主要 有三个问题：（1）单分子发出的荧光信号通 常是很微弱的，所以要寻找一个足够灵敏的 探测器。（2）由于拉曼散射，瑞利散射和杂 质荧光等产生的背景光，极大的干扰了信号 光的探测。所以应该尽量降低背景激发光。 （3）本体溶液产生的焦点荧光之外的背景光。 这些问题都可以利用全内反射荧光显微成像 系统来解决。
5. 在生物单程如信 号转导，蛋白质转运，病原体侵入均与细胞 表面有关，如果我们可以直接对这些细胞表 面的过程进行观测，而不受到来自细胞内深 层区域信号的干扰，这对细胞生物学研究来 说，将是具有重大意义的突破。全内反射荧 光显微术正是凭借其独特的优势,它的荧光激 发深度只在～200ｎｍ的薄层范围内,从而成 为研究细胞表面科学如生物化学动力学、单 分子动力学的最有前途的光学成像技术。
2.3全内反射荧光显微镜特点
①信噪比高（相对共聚焦显微镜） ②分辨率高（相对其他的光学显微镜） ③对生物样本损伤小，可以进行活体物质的研究 和单分子的动态研究。 ④全内反射的荧光激发深度只在～100 nm 的薄 层范围内,从而成为研究细胞表面科学如生物化 学动力学、单分子动力学的最有前途的光学成 像技术。 ⑤全内反射荧光显微成像法不再采用扫描成像, 大大提高了成像速度,可以满足实时成像的要求。
隐失波
从几何光学的角度来看，当光发生全反射时，光会在玻 璃界面上完全反射而不进入液体溶液中。实际上，由于 波动效应，有一部分光的能量会穿过界面渗透到溶液中， 是一种非均匀波，它沿着入射面上的介质边界传播，而 振幅随离界面的距离ｚ作指数衰减。 这种电磁场只存在于界面附近一薄层内，因此，我们称 此非均匀场为隐失场。隐失波激发一薄层范围之内的荧 光分子发出荧光。
超灵敏的探测设备如单光子计数的雪崩光电二极管， 单光子检测的科学CCD照相机。CCD相机分为两种： 制冷型和快速型制冷型CCD 非常灵敏,可以实现荧光弱 信号的探测。 全内反射显微成像是采用隐失波照明。隐失波在平行 界面方向以行波场方式传播,在垂直界面方向则是一个 指数衰减场。所以这种显微成像技术成像的视野开阔， 同时探测样品的厚度却很薄，约为百纳米量级，从而 解决了问题（2）和（3），可以将拉曼散射，瑞利散 射和杂质荧光等产生的背景光减小到极低的水平，也 使得在百纳米量级范围以外的本体溶液因为没有激发 而得已解决。
透射强度和浸透深度公式
T12（θi）- 分界面处的透射强度 θi - 入射角 d 12 - 渗透深度 λ - 入射光波长
对于可见光波长 380 ～ 780nm而言， 浸透深度为～ 100nm。
2. 全内反射的仪器组成
到目前为止，已经发展了多种全内反射荧光 显微镜成像系统。其中最为普遍的有两种类 型：棱镜型和物镜型。
全内反射荧光显微镜
2015现代生物仪器分析
1. 全内反射的基本理论
全内反射荧光显微术(Total internal reflection fluorescence microscopy ,TIRFM)：是利用全内反射产生的隐失波激发样 品，从而使样品表面一百纳米厚的薄层内的荧光团受到 激发,荧光成像的信噪比大大提高。可以看到样品表面， 单分子的活动情况。 由于隐失波强度成指数衰减，使激发区域限定在样品表 面的一薄层范围内，因此具有其它光学成像技术无法比 拟的高的信噪比。它是当今世界上研究单分子科学最具 前途的新型生物光学显微技术之一，可以用来实现对单 个荧光分子的直接探测。