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萤光显微镜在生物学上的应用

  • 生科新闻 | 2020-08-02 17:14:05 阅读量:25万+


显微镜是研究生物学必备的工具。其实,拜工业科学的进步,许多材料工业和电子晶片的生产与研发,也需要显微镜的帮忙。所以,目前已经不是研究生物学的领域才需要使用显微镜。本文章将说明萤光显微镜的原理,以及在生物学上的应用。

传统的光学显微镜,不论正立或倒立,或是解剖显微镜,都是藉由一般的滷素灯泡光源,来观察物体。而萤光显微镜的光源,则是藉由全光汞灯源(包括紫外线白光),并藉由特殊的滤片来观察生物体的萤光物质,或是经由人为染色的分子。而这种萤光显微镜,已经扩展到实体显微镜(解剖显微镜)、正立显微镜和倒立显微镜。

萤光显微镜的基本原理,是藉由一个高能量波长的光线,激发出一个较低能量波长的萤光。一般而言,蓝、紫色的波长较短,能量较高,可以激发出绿色或红色的低能量萤光(图一,A)。加上适当的滤镜组,便可清晰的看到或撷取萤光影像(图二,B)。像植物细胞的叶绿体,内含叶绿素,接收到蓝光或紫光,这种高量的光,会激发出红色的萤光(图二)。

还有来自水母(Aequorea victoria) 的绿萤光蛋白Green fluorescence Protein (GFP) (Shimomura et al., 1962),接受到高能量的蓝光或紫光激发,会产生绿色的萤光(图三)。GFP 这种萤光蛋白,经过多年的研究,已经生产许多人为变异的萤光蛋白,如黄萤光或红萤光等。以上这些萤光物质,不需要外加染剂染色,所以细胞不会经由人为染色杀死,甚至可以作生物活体观察,相当方便好用 (Jouvenet et al., 2008)。

再者,细胞内的分子与胞器,必须藉由特殊的染剂来标示该分子或胞器的所在位置。最常用的染剂是抗体。特殊的抗体可以标定特殊的分子。若该抗体再以人为的方法键结萤光物质,就可以再以萤光显微镜,来观察该分子或胞器在细胞内的行为或形态。

图片说明:
图一
萤光显微镜基本原理
(A)一般而言蓝紫色短波长的色光,能量较高。红光,长波长的色光,能量较低。 (B)萤光显微镜,在光源前和影像观测前,会有特殊滤片,以产生特定的激发光波,并且观察到萤光。不过,现代的显微镜,已经将此两片镜组合而为一。

萤光显微镜在生物学上的应用

图二
叶绿素经由蓝光照射,会激发出红色萤光,藉此,可观察植物活细胞内的叶绿体型态。A,B:观音座莲原叶体。 C,D:阿拉伯芥。A,C:可见光下的植物细胞和叶绿体型态。B,D: 萤光显微下的叶绿体型态。D图中的插图,为共轭经显微镜的影像,较为清晰。

萤光显微镜在生物学上的应用

图三
绿萤光蛋白(GFP),在生物活体上的观察。
麻醉的果蝇,在蓝光的激发下,显示绿萤光蛋白。A:为对照组,没有GFP基因转殖的果蝇。B: 为GFP转殖基因果蝇。

萤光显微镜在生物学上的应用


Reference
Jouvenet, N., Bieniasz, P. D. and Simon, S. M. (2008). Imaging the biogenesis of individual HIV-1 virions in live cells. Nature 454, 236-40.
Shimomura, O., Johnson, F. H. and Saiga, Y. (1962). Extraction, purification and properties of aequorin, a bioluminescent protein from the luminous hydromedusan, Aequorea. J Cell Comp Physiol 59, 223-39.




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