单分子探测技术.
单分子科学前沿—监测、操纵与表征
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单分子检测原理
单分子检测原理嘿，朋友们！今天咱来唠唠单分子检测原理。
你说这单分子检测啊，就像是在一个超级大的沙滩上找一颗特别的小沙粒。
想象一下，那沙滩上的沙粒多得像天上的星星一样，而我们要找的就是那独一无二的一颗。
单分子检测可不简单呐！它得有超级厉害的“眼睛”才能发现那一个小小的分子。
这就好比你在茫茫人海中，一下子就能认出你最想见的那个人。
它不是随随便便就能做到的，得有专门的技术和方法。
比如说荧光检测吧，就好像给那个小分子装上了一个闪闪发光的小灯，这样就能更容易地找到它啦。
就像黑夜里的萤火虫，那么显眼，那么独特。
还有一些其他的方法，每一种都有它的奇妙之处。
你想想啊，在那么多分子里面，准确地找到那一个，这得需要多高的精度和技巧啊！这可不像在菜市场挑菜那么简单哦。
这就好像一个超级侦探，在无数的线索中找到那关键的一条，然后揭开谜底。
单分子检测在好多领域都可重要啦！比如在医学上，能帮助医生更早地发现疾病呢。
这就像是给医生配上了一副神奇的眼镜，能看到别人看不到的微小病变。
这多厉害啊，能挽救多少生命啊！在科学研究中，也是大功臣呢，可以让科学家们更深入地了解各种生命现象和物质的本质。
咱再回过头来想想，要实现单分子检测，得克服多少困难啊！但科学家们就是这么牛，他们不断地钻研，不断地尝试，终于让这看似不可能的事情变成了现实。
这难道不值得我们竖起大拇指吗？所以啊，单分子检测原理真的是太神奇，太重要啦！它就像一把神奇的钥匙，打开了好多未知世界的大门。
让我们对这个世界有了更深刻的认识，也为我们的生活带来了更多的可能。
这就是科学的魅力啊，朋友们！让我们一起为单分子检测点赞，为科学家们点赞！。
单分子荧光检测技术
单分子荧光检测技术涂熹娟B200425010【摘要】单分子检测技术有别与一般的常规检测技术，观测到的是单个分子的个体行为，而不是大量分子的综合平均效应。
近年来随着相关学科的技术进步，单分子研究已经在从分子生物学到细胞生物学等生命科学领域有了迅速的发展和应用。
本文简要介绍了单分子荧光检测技术的研究背景、意义、原理，以及该项技术进展和应用。
【关键词】单分子荧光寿命荧光偏振单分子FRET1. 单分子检测技术的意义和发展背景1.1单分子检测技术的意义在统计力学的各态遍历假设中，系综个体物理量轨迹的时间平均等于该物理量在给定时间的系综平均[1]。
在一个包含完全相同个体的系综，当测量时间足够长的时候，系综测量和单分子测量结果相同（例如对于稀溶液中小分子的核磁共振谱线的测定，由于测量时间远大于小分子的翻滚时间，这时体系就可以看成是一个均匀的体系，并看作静态）；但是即使在均相体系中，分子本身并不是处于静态，而是在不断地运动，测量的参数具有涨落现象，而测量时间可能会小于分子的涨落时间；另一种情况是在非均相体系中，个体轨迹平均本来就不等于系综平均（实际上几乎所有生物体系都不是均相体系）。
这以上考虑到的两点都导致系综测量结果和单分子测量结果不等。
一般系综测量结果表示的是大量由一种或多种对象组成的一个整体所表现出来的平均效应和平均值。
这一平均效应掩盖了许多特殊的信息。
而这些特殊的信息有时是非常重要的，尤其在研究具有非均匀特性的凝聚相物质和生物大分子结构时。
而相比之下，单分子检测就可做到对体系中单个分子的行为进行研究，可以得到在特定时刻，特定分子的特殊位置和行为，因为在某一时刻，集团中的任何成员只能处于一种状态。
将此再与时间相关，还可得到单个分子的行为的分布状况。
这样我们就可以同时得到所研究的对象的整体行为和个体行为了，然后将数据综合处理，得到更为全面的信息。
1.2单分子检测技术的意义和发展背景既然单分子检测技术有这么多的好处，为什么直到近年来才逐渐发展起来呢？这与光学系统的进展有很大的关系。
单分子定位显微成像技术介绍
单分子定位显微技术（Single Molecule Localization Microscopy，简称SMLM）是一种基于荧光显微技术的高分辨率成像方法，它的原理是通过利用单个荧光分子的闪烁信号来定位样品中的单个分子，从而实现高分辨率成像。
SMLM技术可以实现分子级别的可视化，其分辨率可以达到10纳米以下，远高于传统显微技术。
由于其高分辨率和高灵敏度，SMLM 技术已经成为生物学、化学、材料科学等多个领域中重要的研究工具。
一、原理SMLM的原理基于单个荧光标记的瞬时发光特性。
当激光或其他光源激发荧光标记时，标记会发射荧光光子。
这些光子在相机或光探测器上被捕获，并转化为电子信号。
在SMLM 中，通过分析这些光子的时间和空间分布，可以确定每个荧光标记的位置。
SMLM的关键在于利用光学显微镜的成像系统将荧光标记限制在光学焦点内，使得每次只有单个标记被激发发光。
因此，可以记录每个标记的光子发射时间和位置信息，并将这些信息用于精确定位标记的位置。
SMLM技术包括多种方法，其中最常用的是单分子激发的STORM（stochastic optical reconstruction microscopy）和PALM（photoactivated localization microscopy）。
在SMLM过程中，需要解决许多技术挑战，包括背景噪声的影响、荧光标记的失活和漂移等问题。
为了解决这些问题，研究者们开发了各种算法和图像处理技术，如滤波、校正和重建方法等。
这些技术的应用可以提高SMLM的空间分辨率和信噪比，并为更深入的细胞生物学研究提供了新的工具。
图 1 STORM其中，STORM是最常用的SMLM技术，其基本原理是利用亚波长分辨率下荧光发光的闪烁特性，对单个发光染料的位置进行定位，进而构建出超分辨率的图像。
STORM技术将样品在一定范围内随机激发，从而使样品中的荧光染料分子以随机的方式发光。
利用图像处理算法，可以对发光点的位置进行高精度的计算，得到超分辨率图像。
单分子追踪
单分子追踪单分子追踪是一种先进的实验技术，可以跟踪和观察单个分子在生物体系中的运动和相互作用。
通过这种技术，科学家们可以深入了解分子的结构、功能以及与其他分子的相互作用方式。
本文将以人类的视角，生动地描述单分子追踪的原理、应用和意义。
一、引言单分子追踪技术的诞生，为生命科学研究带来了革命性的突破。
传统的生化实验往往需要大量的分子样本进行平均测量，而单分子追踪技术可以在单个分子水平上进行观测，提供了更加准确和详细的信息。
二、原理单分子追踪技术主要基于荧光探针的使用，这些探针可以标记在感兴趣的分子上，并发出荧光信号。
通过高灵敏度的荧光显微镜，科学家们可以实时地观察和记录荧光信号的变化，从而获得单个分子的运动轨迹和动力学信息。
三、应用1.蛋白质动力学研究：单分子追踪技术可以直接观察和测量蛋白质在细胞内的行为，揭示蛋白质的结构、功能以及与其他分子的相互作用方式。
这对于深入理解生物体系的调控机制具有重要意义。
2.生物膜研究：生物膜是细胞的重要组成部分，通过单分子追踪技术，科学家们可以观察和研究膜蛋白的扩散、聚集和相互作用等行为，揭示生物膜的结构和功能。
3.药物研发：单分子追踪技术可以用于研究药物与靶标分子的相互作用，评估药物的效力和选择性。
这有助于加速药物研发的过程，提高药物的疗效和安全性。
四、意义单分子追踪技术的发展，为生命科学研究提供了全新的视角和方法。
通过观察和分析单个分子的行为，科学家们可以更深入地了解生物体系的复杂性，揭示生命的奥秘。
此外，单分子追踪技术还在疾病诊断和治疗中发挥着重要作用，为精准医学的发展提供了有力支持。
五、结论单分子追踪技术的出现，为生命科学研究带来了重大突破。
通过观察和分析单个分子的运动和相互作用，我们可以更加准确地了解生物体系的结构和功能。
这一技术的发展将进一步推动生命科学的进步，为人类健康和疾病治疗带来福音。
生物物理学中的单分子测量技术
生物物理学中的单分子测量技术生物物理学是关于探究生命的基本物理规律的学科。
单分子测量技术正是生物物理学在探究生命过程中一项重要的技术手段。
通过单分子测量技术，研究者可以在亚微观尺寸下，监测、分析分子之间的交互作用、反应过程等生物学事件。
近年来，单分子测量技术已经成为了许多领域研究中的核心手段。
一、技术原理单分子测量技术的基本原理是利用高分辨率的显微镜、敏感的检测器和设计精密的实验系统，观察、记录单个分子在水相或固相中的性质、运动以及反应等过程。
这项技术旨在揭示分子水平上的行为和动力学过程，无需对相互作用进行均化，相对于传统的差谱和平均技术，单分子技术可以提供更精确的信息。
二、主要技术方法介绍1. 荧光单分子成像技术荧光单分子成像技术（Fluorescence single molecule imaging）让研究者们能够在单个分子水平下观察和记录其行为。
技术的原理是将荧光标记物标记到生物大分子上，然后在显微镜下对它们进行照射，通过检测这些荧光标签的发光，就可以测量这些分子在空间和时间上的精确位置。
这种技术被广泛应用于细胞分子动态行为、跨膜信号传导、重要酶类反应体系等生命科学研究中。
2. 原子力显微镜技术原子力显微镜技术（Atomic force microscopy，AFM）是一种基于探针的扫描隧道显微镜技术。
在生物物理学中，AFM被广泛用于纤维、膜、蛋白质、DNA、RNA或其他生物大分子的单分子测量。
AFM技术能够在原子级别下区分样品的不同特性，提供各种样品的形态、力学性质、亲和性、表面反应速率等信息。
三、应用领域单分子测量技术已经成为了许多领域研究中的核心手段，包括生命科学、物理学、化学、材料科学、电子信息等领域。
其中，生物酶学、分子医学、分子生物学等领域正是单分子技术的主要应用领域。
通过单分子技术，科学家们可以对大分子的结构和功能进行深入的研究，从而促进生物技术的发展和创新，为疾病的提前预防、诊断和治疗提供了新的思路和途径。
基于原子力显微镜的单分子探测技术及其在医学研究中的应用
各 种 生 物 分 子 的 时 空 分 布 、 构 和 相 互 作 用 的 动 态 过 程 等 结
问题 。
如 何 探 测 生 物 分 子 在 生 理 条 件 下 的 活 动规 律 呢？ 原 子 力 显 微 镜 （ ｔ ｍｉ ｆｒｅ ｍｉ ｏ ｃ ｐ ， Ｆ 为 这 一 领 域 开 辟 了 广 ａｏ ｃ ｏｃ ｃ ｓｏ ｙ Ａ Ｍ） ｒ
重 庆 医学 ２ １ ０ ０年 ７月 第 ３ ９卷 第 １ 期 ４
１ １ ９１
・
综
述 ・
基 于 原 子 力 显 微 镜 的 单 分 子 探 测 技 术 及 其 在 医 学 研 究 中 的 应 用
陈建敏 ， 杨 拯 ， 彦 芳 综述 ， 何 张 晓 校 审 （ 都 医 学 院基 础 医 学 院 基 础 医 学 实验 教 学 中心 ， 川 成 都 ６ ０ ８ ） 成 四 １ ０ ３
（ ｈ ｍｉ ｒ ｔ ｎ 将 带 有 硫 醇 基 团 的 蛋 白质 、 核 苷 酸 和 碳 水 化 ｃ ｅ ｓ ｐｉ ） ｏ ｏ 寡
其 卓 越 的 高 分 辨 率 （． ～ １ｎ 和 能 保 持 样 品 生 理 状 态 的 制 ０ ５ ｍ） 样 方 法 ， 研 究 人 员 能 在 生 理 条 件 下 直 接 观 察 到 高 分 辨 率 的 生 使
猛 进 的 发 展 【 。这 些 技 术 进 步 实 现 了 在 生 理 条 件 下 直 接 观 测 删
生 物 单 分 子 和 在 纳米 尺度 上 直 接操 作 生 物单 分 子 ］ 。特别 是 以功 能 化 探 针 为 基 础 的黏 附 力 成 像 和 动 态 识 别 成 像 将 ＡＦ Ｍ 具 备 的 力 谱 测 定 和 高 分 辨 率 成 像 能 力 与单 分 子 问 识 别 的 特 异 性 有 机 结 合 ， 现 了生 物 样 品 表 面 单 分 子 定 位 、 于 单 分 子 识 实 基
单分子荧光检测技术
Absorption 10-15 s hA hA
S0 3210 Jablonski Diagram
3.单分子荧光的特征
量子跳跃特性 发射－暗态交替的量子跳跃过程是单分子荧 光的主要特征之一，取决于单分子的周围环境 和猝灭途径，是实验中单分子荧光光谱和荧光 强度涨落现象的原因 荧光偏振特性 单分子荧光分子具有唯一的固定吸收和发 射偶极矩，因此在偏振激光的激发下，通过测 量单个分子的吸收和荧光的偏振方向，可以完 全确定单个荧光分子的空间取向。这是单分子 荧光的主要特征之二
单分子的荧光特性及其在生物学上的应用. 物理，29(11):657,2000
3.单分子荧光共振能量转移
荧光共振能量转移原理
当能量给体分子（D）和受体分子(A)相隔的距 离远大于D –A碰撞直径时，如若D的发射谱与A的 吸收光谱发生重叠，且距离在有效范围内，能量就 可以从短波长的荧光基团D传递到长波长的荧光基 团A，这个过程称为荧光共振能量转移，实际相当 于将短波长荧光基团D释放的荧光屏蔽 这是一种通 过偶极－偶极耦 合作用的能量转 移过程。
在包含完全相同个体的系综，测量时间足够长 系综测量和单分子测量结果相同 在均相体系：测量时间可能小于涨落时间 非均相体系：个体轨迹平均不等于系综平均 系综测量和单分子测量果不等
显微镜的发展 光 学 显 微 镜
电 子 显 微 镜 扫 描 隧 道 显 微 镜
扫描探针显微技术和光学技术连用
近代，随着各个学科的发展，科学研究达到了微观分 子水平，使得我们可以看清单个分子与时间相关的行 为，排除测量中的平均效应
单分子荧光检测原理
1. 单分子荧光检测是单分子检测最常用的 方法
标记在生物大分子上各个荧光基团的各种特 性的变化反映了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 由度及在化学和静电环境下活性改变的信息
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单个染料分子所能发出的荧光 光子数目
两个假定：激光光束正好聚焦在探测灵敏区的中间
染料分子通过探测灵敏区的中心
NA =EAλ/hc =0.76σPλ/ωvhc
P:激光束的平均功率 ω:聚焦半径 λ:激光波长
σ:光吸收截面 v:样品的流速 h:普朗克常数
激光功率对荧光强度的影响曲线
共聚焦显微镜原理
时间门技术
LIF 的基本原理
在激光的照射下 ,分子吸收光子而被激发到某一 激发态 ,在退激的过程中发射荧光。对于荧光量 子产率较大的分子 ,其激发态的寿命为 ns量级 , 而分子通过激光束的时间为 ms量级 ,因此在连 续或准连续激光的激发下 ,一个分子在通过激光 束的过程中 ,将被多次反复激发而发射出大量的 荧光光子，即所谓的“光子爆发”（photon burst)
单分子荧光探测的必须条件
➢在被照射的体积中只有一个分子 与激光发生相互作用
➢确保单分子的信号大于背景干扰信号 (有效减少拉曼散射、瑞利散射及其杂质 荧光所造成的干扰)
难点：杂散光背景比荧光信号大得多
杂散光
减小方法
Rayleigh散射光 光学器件的散射光 溶液杂质的荧光
光谱过滤 减小灵敏体积
溶液的Raman散射光
单对Ｄ -Ａ体系标记的单个无抑 制剂蛋白的能量转移过程
展望
作为一门新兴边缘学科 ,单分子科学展现出 蓬勃的生机。 1.单分子实验方法还有待于进一步开拓与改进。 如荧光技术中时间匹配 (荧光漂白 )。 2.单分子理论还有大量工作可做。单分子实验方 法的一个共同特点是信息量大,而有效地把这些 信息从实验数据中提取出来就需要强有力的理论 指导。 3. 随着单分子科学的发展,越来越多的新的物理 效应与各种应用将被揭示出来。
单分子探测技术
报 告 人： 韩 洁
主要内容
单分子探测技术产生的原因 单分子探测的主要基本技术 单分子荧光检测的物理基础 单分子荧光检测技术应用
单分子探测技术的产生原因
•通常对大量分子集合体的观察测量只给出一个 参数的整体平均值 , 单分子水平的测量则完全 排除了这种平均效应；
•单分子体系的变化过程与时间密切相关 。采用 分子集合体时不能观察到这种时间相关的行为；
昆虫脑部双重染色
a. 传统的荧光显微影像 b.共聚焦显微镜影像
单分子对荧光能量共振转移
(sp F R E T )
原理： 标记两个不同的荧光基团,一个是供体Ｄ。另一个 受体Ａ 。受体的吸收光谱与供体的发射光谱相重 叠 。由于偶极 -偶极相互作用 ,能量从供体传递到 受体。 通过探测能量转移效率 ,可确定两点间的距 离 ,并且通过检测能量转移效率随时间的变化来推 测构象的变化所引起的两点间距离的变化。
单分子荧光特性
荧光偏振特性
单分子荧光分子具有唯一的固定吸收和发射偶 极矩，因此在偏振激光的激发下，通过测量单 个分子的吸收和荧光的偏振方向，可以完全确 定单个荧光分子的空间取向。
量子跳跃特性
取决于单分子的周围环境和猝灭途径
单个GFP分子的荧光on-off现象
Off 态主要来源于单个GFP分子的光化学诱导的长寿命的暗态
光漂白
荧光分子在激发光的照射下 ,经历多次受 激、退激过程后 ,往往造成分子内部结构 发生不可逆的变化 ,不能吸收更多的光子 而进一步发射荧光。
光漂白几率
φd = 1 / 分子在漂白前吸收的平均光子数
荧光技术特点
提供了一种“远距离操作”的方法.在不 丧失优越的空间分辨率的情况下对样品 扰动很小。
•观察到未知领域中的新效应。
单分子检测的基本技术 （single molecules detection, SMD)
• 扫描探针显微技术(SPM) • 光镊技术 • 荧光技术
单分子荧光检测的物理基础
• 荧光寿命 τ= 1/(Kf +ΣK )
• 荧光量子产率 φ =发射的光子数/ 吸收的光子数
• 漂白几率