3-单分子荧光检测在生命科学中的应用

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1、实验技术!单分子荧光检测在生命科学中的应用4曲!鹏!!赵新生（北京大学化学学院化学生物学系!北京!’%%5&’）摘!要!!文章对单分子荧光检测在分子马达、离子通道、信号分子、蛋白折叠、蛋白构象变化动力学、酶活性反应、细胞过程实时观察等生命科学领域中的应用进行了介绍-这些研究结果表明，单分子荧光检测在研究生物大分子的活动规律与机制方面不但有着无法替代的优越性，而且有着广阔的发展空间-关键词!!单分子荧光检测，生命科学，荧光共振能量传递，蛋白质，细胞!""#$%&’$()*(+*$),#-.(#-%/#-+#/(0-*%-)%-1-’-%’$()$)#$+-*%$-)%-6789

2、3:!!;<=>?03@A(93:4（!"#$%&’"(&)*+,"’-.$/0-)/)12，+)//"1")*+,"’-3&%2$(45)/".6/$%7(1-(""%-(1，8"9-(1:(-;"%3-&2，0"-<-(1’%%5&’，+,-($）!2*’0&%’33B(90C*DE)13)F9G9/D*C93)H13F1**/021)0D3HDIH03:/9CD/92./9I/.DE9H29329F9)92)0D3（AJKL）1E9F0H2.HH9F，2DG9E03:1**/021)0D3H03CD/92./1ECD)DEH，0D32(1339/H，H0:31/CD/9

3、2./9H，*ED)903ID/F03:，FM31C02HDI*ED)9032D3IDEC1)0D31/2(13:913F93NMC9E912)0D3，13FE91/O)0C9DPH9EG1)0D3DI29//*ED29HH9H-B(9H9E9H./)H0//.H)E1)9)(9.30Q.91FG13)1:9HDIAJKL13F0)HPE0:()I.).E903/0I9H209329E9H91E2(-4-56(01*33H03:/9CD/92./9I/.DE9H29329F9)92)0D3，/0I9H209329，I/.DE9H29329E9HD31329939E:M)E13

4、HI9E，*ED@)903，29//!!经过二十多年的发展，单分子检测为揭示物理段观察到单个分子，为单分子光学检测进入生物领学、化学、特别是生命运动的规律提供了重要的手域奠定了基础-《物理》曾于$%%%年发表过介绍单［R］段，成为人们日益关注的现代科学研究技术-事实分子光学检测的文章，本实验室也曾于’SSS年和上，自上世纪初爱因斯坦解释布朗运动起，单个分子$%%Z年两次在《大学化学》上撰文对单分子光学检［Z，#］的行为就引起了科学家们的注意-但直到’SZS年，测予以介绍!-到目前为止，单分子光学检测应用单个原子或分子操纵与检测的概念才由费曼提出，于生命科学的文献已经非常浩繁，

5、本文拟择要介绍有逸闻说他还为此提供了两笔’%%%美元的奖金-真一些单分子荧光检测方法在生命科学中应用的进正意义上的单分子检测是在’S&#年，[9(9E和A1Y@展，并不再重复上面谈到的三篇文章中已经讨论过［’］C133成功地检测到单个离子通道的电信号并开的基础知识-创了膜片钳技术，从而获得了’SS’年的诺贝尔生理和医学奖-另一方面，赫施费尔德也在’S&#年用全’!单分子荧光检测技术内反射光学的方法观察到标记了5%到’%%个荧光［$］素的单个抗体分子，开启了单分子光学研究的大基于低背景和高信噪比，激光诱导荧光已成为门-早期的单分子检测主要集中在低温条件下，主要!!国家自然科学基

6、金（批准号：$%"""%’%，"%RS%’&$）和国家重点基原因是在液氦温度下背底干扰小，并可对单个分子础研究发展计划（批准号：$%%#TUS’%"%%）资助项目进行长时间观察，获得高分辨荧光光谱-’SS"年，$%%&O%&O%$收到［"］U9)N0:和T(02(9H)9E率先在室温下用近场光学手4!通讯联系人-VC10/：N(1DWHX*Y.-9F.-23!"#卷（$%%&年）’’期!!!!!!!!!!!!!())*：++,,,-,./0-12-23·987·实验技术单分子光学检测中最广泛应用的手段&一般荧光分子激发态的寿命在纳秒量级，在激光激发下，分子可以反复吸收、发射光

7、子，直到发生各种原因造成的光漂白&在理想情况下，一个稳定的分子在光漂白前大01约能发出./—./个荧光光子，利用高数值孔径物镜和高效单光子计数雪崩光电二极管（234），能接收到约05—./5的荧光光子&这样，从一个“表现”好的荧光分子上可以收集到0///到0////个光子，这一数目足以让人们进行单个分子的探测、光谱辨认和对反应的实时监测&对于生物大分子如蛋白质和核酸，可以用荧光分子标记来达到单个分子检测的目的&常见的荧光分子主要包括有机染料小分子、荧光蛋白、共轭高分子等&近年来，人们还发展出一些新的荧光