光 学 - 生 命 科 学 若 干 交 叉 课 题 的 介 绍 杨 国 桢 中 国 科 学 院 物 理 研 究 所 2006 年 7 月 31 日 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 1
Coherent Radiation Sources for Small Laboratories CW: Tunability: IR Visible Linewidth: 1 Hz Intensity: μw 10W Pulsed: Tunabality: THz Soft X-ray Pulse width: ns, ps, fs Linewidth: Transform limited Intensity: up to TW for fs pulses Quasi-cw: ~100 MHz mode-locked pulses Tunability: IR Visible Frequency Comb: Periodic fs pulses 2
一 光 反 射 差 法 二 光 镊 三 超 快 光 谱 四 拉 曼 散 射 五 近 场 光 学 六 纳 米 光 学 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 3
用 斜 入 射 光 反 射 差 技 术 进 行 生 物 分 子 无 标 记 研 究 中 国 科 学 院 物 理 研 究 所 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 4
薄 膜 的 斜 入 射 光 反 射 差 λ 检 测 原 理 θ 环 境 (ε 0 ) 膜 层 (ε 1 ) d 基 片 (ε 2 ) 物 质 参 数 ( ε ε )( ε ε ) δρ 4πε sinθ tanθ d i 2 ρo ( 0)( ε2 ε0 tan θ) 2 1 2 1 0 ε0 ε2 ε ε1 λ Film Properties 5
扫 描 斜 入 射 光 反 射 差 显 微 镜 激 光 器 (λ) I Ω I 2Ω 偏 振 器 光 弹 偏 振 调 制 器 (Ω) 相 移 器 θ d 分 析 器 检 测 器 样 品 层 精 密 二 维 移 动 平 台 基 底 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 光 反 射 差 信 号 : Δ p Δ s Δr r p Δrs r p0 s0 ( r E ) p rp () i E p ( r E ) s rs () i E s I Ω Im{ Δ Δ } I Re{ Δ Δ } p s 2Ω p s 6
thickness of 84nm. APL 75 (1999), 3464 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 7
Simultaneously measured RHEED (blue) and RD (red) intensity for interrupted growth of SrTiO 3 homoepitaxy. PHYS REV B 57, 1998; PHYS REV B 61, 2000 8
特 点 : 具 有 极 高 灵 敏 度 (10e-5) 可 以 检 测 单 个 原 胞 或 单 分 子 层 变 化 (1/20) 9 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会
用 斜 入 射 光 反 射 差 技 术 探 测 生 物 样 品 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 10
原 位 检 测 生 物 分 子 反 应 玻 璃 片 θ 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 11
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斜 入 射 光 反 射 差 技 术 应 用 的 可 能 性 DNA-DNA 反 应 : DNA-DNA 杂 交 蛋 白 质 - 蛋 白 质 反 应 : 抗 原 - 抗 体 俘 获 蛋 白 质 -DNA 反 应 : 可 用 于 生 物 分 子 反 应 的 基 础 研 究 和 制 药 也 可 以 开 发 新 的 应 用! 13
特 点 : 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 斜 入 射 光 反 射 差 法 与 荧 光 标 记 法 比 较 斜 入 射 光 反 射 差 法 无 需 荧 光 标 记 物, 工 艺 更 简 单 斜 入 射 光 反 射 差 法 所 用 光 源 功 率 较 低 (mw 级 ) 波 长 较 长 ( 通 常 为 632.8nm), 无 漂 白 作 用 斜 入 射 光 反 射 差 法 灵 敏 度 高 于 荧 光 标 记 法 14
抗 原 - 抗 体 俘 获 检 测 Before Reaction After Reaction Difference Cy3 Fluorescence Im{ Δp Δs } θ = 45º Cy3-Labeled goat anti-rb 15 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会
斜 入 射 光 反 射 差 法 检 测 少 数 核 苷 酸 杂 交 Before Hybridization After Hybridization Difference Im{ Δ p Δ s } θ = 45º [Opt. Lett. 29, 581 (2004)] Unlabeled Complement Cy5-Labeled Complement Cy5 Fluorescence 16
斜 入 射 光 反 射 差 法 展 望 Real-time OI-RD microscopy contrasts for protein function study Volume density of molecular complexes (ρ) Temporal profiles and rate constants of reactions (k) (Transient effects, intermediate kinetic steps, etc.) 实 时 多 通 道 高 速 检 测 Δ p - Δ s ρ ~ Δ p - Δ s k ~ d{δ p - Δ s }/dt 17
OIRD 方 法 对 神 经 细 胞 的 初 步 检 测 结 果 ( 与 生 物 物 理 所 何 士 刚 教 授 合 作 ) 0.043 无 细 胞 点 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 0.042 Im{Δp-Δs} 0.041 0.040 0.039 0.038 0.037 A B C 1 1 B A C 0.036 0.035 2 4 6 8 10 Time(s) 样 品 1: 两 个 空 白 处 的 信 号 差 ~ 1 10-3 空 白 与 有 细 胞 的 信 号 差 ~7 10-3 或 8 10-3 有 细 胞 点 18
0.050 0.048 Im{Δp-Δs} 0.046 0.044 A B C D 2 A B 0.042 C D 0.040 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 无 细 胞 点 2 4 6 8 Time(s) 有 细 胞 点 样 品 2: 两 个 空 白 处 的 信 号 差 ~ 1.5 10-3 两 个 有 细 胞 处 的 信 号 差 ~ 2.5 10-3 空 白 与 有 细 胞 的 信 号 差 分 别 为 ~ 7.5 10-3 8.5 10-3 或 10 10-3 19
0.045 无 细 胞 点 0.044 Im{Δp-Δs} 0.043 0.042 0.041 0.040 0.039 A B C 3 B 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 A C 0.038 0.037 2 4 6 8 10 12 14 16 Time(s) 有 细 胞 点 样 品 3: 两 个 有 细 胞 处 的 信 号 差 ~ 1 10-3 空 白 与 有 细 胞 的 信 号 差 ~7 10-3 或 8 10-3 20
结 论 : 有 细 胞 的 地 方 与 没 细 胞 的 地 方 的 信 号 强 度 差 要 远 远 大 于 多 处 没 细 胞 间 的 信 号 强 度 差 或 多 处 有 细 胞 间 的 信 号 强 度 差 OIRD 这 种 新 型 方 法 在 神 经 细 胞 检 测 甚 至 细 胞 活 动 方 面 具 有 潜 在 应 用 的 可 能 21
两 种 蛋 白 质 样 品 1 ( 与 上 海 生 化 细 胞 所 阮 康 成 教 授 合 作 ) A 空 白 ( 只 有 凝 胶 ) B Biotin-anti-IgG / avidin /streptokinase( 链 激 酶 ) 三 种 蛋 白 质 Im{Δp-Δs} 0.100 0.098 0.096 0.094 0.092 C B A C Biotin-anti-IgG( 生 物 素 抗 免 疫 球 蛋 白 ) 一 种 蛋 白 质 0.090 0 100 200 Time(s) 两 种 样 品 中 心 位 置 信 号 变 化 不 同 样 品 ( 既 不 同 蛋 白 质 ) 的 信 号 强 度 存 在 差 值, 变 化 出 现 在 10-3 22
不 同 浓 度 各 种 单 一 蛋 白 质 样 品 2 IgG: 免 疫 球 蛋 白 (immmunoglobulin-g) Cytc: 细 胞 色 素 (cytochrom) 浓 度 分 别 为 5 50 和 500 µg/ml Im{Δp-Δs} 2.4x10-1 2.2x10-1 2.0x10-1 1.8x10-1 1.6x10-1 1.4x10-1 1.2x10-1 IgG Cytc 0 100 200 300 400 500 Concentration ( μg/ml) 采 用 该 方 法 可 以 对 不 同 蛋 白 质 分 子 样 品 进 行 监 测 采 用 该 方 法 可 以 对 蛋 白 质 分 子 不 同 浓 度 样 进 行 监 测 进 而 可 望 监 测 蛋 白 质 反 应 过 程 23
一 光 反 射 差 法 二 光 镊 三 超 快 光 谱 四 拉 曼 散 射 五 近 场 光 学 六 纳 米 光 学 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 24
基 于 会 聚 光 束 形 成 的 光 阱 对 光 阱 中 客 体 的 光 梯 度 力 来 束 缚 及 操 控 客 体 的 运 动 F F r 3, n r, δi 定 量 测 定 分 子 的 纳 米 量 级 移 动 及 皮 牛 顿 量 级 作 用 力 特 点 : 把 操 控 与 定 量 测 量 结 合 起 来 无 直 接 接 触, 非 侵 入 性, 活 体 测 量 25
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我 们 光 镊 的 主 要 指 标 : 位 置 分 辨 : 1nm 测 力 分 辨 : ~ 0.1pN 测 量 时 间 响 应 : 0.3ms 测 量 范 围 : 100 pn (Single optical trap) 27
与 若 单 明 和 生 物 素 相 连 的 微 管 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 用 双 光 镊 系 统 研 究 微 管 拉 伸 及 断 裂 的 示 意 图 - 与 中 国 农 大 袁 明 教 授 合 作 Trap B 移 动 光 阱 Trap A 固 定 光 阱 与 抗 生 物 素 相 连 的 小 球 28
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8 Force(pN) 6 4 2 Tubulin labeling ration 57% Excitation intensity 100% Ascorbic acid 8mM 0 0 5 10 15 20 25 30 Extension of microtubule (%) 微 管 的 伸 长 和 所 加 力 的 关 系 微 管 断 裂 的 力 为 6.6 pn, 微 管 的 拉 伸 约 为 30%. 根 据 此 曲 线 可 以 获 得 微 管 的 杨 氏 模 量 0.3MPa. 30
微 管 断 裂 的 动 态 过 程 12 10 F=10.13 pn Force(pN) 8 6 4 7.60pN F=5.55 pn F=4.15 pn 2 F=2.15 pn 0 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 time(s) 在 外 力 作 用 下 微 管 断 裂 的 动 态 过 程. 从 图 中 可 以 看 出 组 成 微 管 的 原 丝 的 断 裂 不 是 同 时 发 生, 而 是 逐 步 完 成 的. 力 的 步 矩 约 为 2 pn 31
微 管 与 微 管 结 合 蛋 白 相 互 作 用 测 量 - 与 中 国 农 大 袁 明 教 授 合 作 在 高 等 植 物 中, 细 胞 不 同 分 裂 期, 微 管 排 列 成 不 同 的 结 构. 现 在 普 遍 认 为 微 管 结 合 蛋 白 对 于 微 管 的 组 织 和 动 态 调 控 起 着 关 键 性 作 用 然 而, 对 于 微 管 结 合 蛋 白 在 形 成 不 同 的 微 管 阵 列 中 起 什 么 样 的 作 用 还 不 十 分 清 楚 32
AtMAP65-1 被 双 光 阱 操 纵 的 聚 苯 乙 烯 小 球 微 管 电 镜 图 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 33
定 量 测 量 的 AtMAP65-1 微 管 和 蛋 白 之 间 作 用 力 20 15 14.7pN Force(pN) 10 5 NaCl:50mM 0-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Time(ms) 结 合 力 14.7pN, 作 用 距 离 3nm, 结 合 能 44 pn nm~25kj (1pN nm mol=0.6kj) 34
15 13.9pN 13.4pN 12 Unbinding force(pn) 9 6 3 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 Time(ms) 微 管 结 合 蛋 白 先 后 发 生 两 次 分 离, 每 次 分 离 的 力 约 为 14 pn, 提 示 我 们 在 微 管 束 之 间 有 两 个 结 合 蛋 白 35
14 12 10 counts (N) 8 6 4 2 0 10 20 30 40 50 60 Unbinding force (pn) 微 管 和 结 合 蛋 白 联 结 力 统 计 图 50mMNaCl 存 在 的 条 件 下 出 现 的 峰 值 大 约 在 12.5 pn 的 整 数 倍 处, 这 表 示, 联 结 力 可 能 为 12.5 pn 36
非 编 码 RNA 和 蛋 白 相 互 作 用 的 测 量 - 与 生 物 物 理 所 陈 润 生 研 究 员 合 作 我 们 测 量 了 人 类 非 编 码 Y1 RNA 和 La/SS-B Antigen 之 间 的 相 互 作 用 力, 大 小 约 为 13.4pN 工 作 刚 开 始 14 12 13.357 pn 10 Force (pn) 8 6 4 2 0-2 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Time (ms) 37
用 光 镊 系 统 测 量 蛋 白 之 间 作 用 力 的 示 意 图 固 定 光 阱 移 动 光 阱 d 开 始 时, 两 个 小 球 分 别 位 于 光 阱 的 中 心 位 置 在 测 量 蛋 白 的 相 互 作 用 时, 我 们 移 动 可 移 动 的 光 阱, 这 时 小 球 就 会 偏 移 固 定 光 阱 的 中 心 从 移 动 距 离 d 就 可 推 导 出 作 用 力 38
一 光 反 射 差 法 二 光 镊 三 超 快 光 谱 四 拉 曼 散 射 五 近 场 光 学 六 纳 米 光 学 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 39
以 光 合 作 用 中 的 超 快 过 程 先 谱 为 例 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 40
进 化 链 上 的 不 同 植 物 低 等 植 物 : 光 合 细 菌 蓝 藻 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 海 藻 高 等 植 物 : 菠 菜 41
外 周 捕 光 天 线 0.5 ps 10 ps 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 超 快 光 谱 揭 示 的 细 菌 光 合 膜 蛋 白 传 能 过 程 1ps = 10-12 秒 3-5 ps 1-3 ps 35 ps 内 周 捕 光 天 线 反 应 中 心 42
应 用 超 快 时 间 分 辨 激 光 光 谱 研 究 细 菌 光 合 膜 蛋 白 与 纳 米 粒 子 相 互 作 用 引 起 的 膜 蛋 白 结 构 畸 变 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 43
Biophysics Journal, 86, 1082, 2004 应 用 高 能 所 同 步 辐 射 光 源 进 行 小 角 X- 射 线 散 射 实 验, 证 实 溶 液 单 分 子 状 态 下 外 周 捕 光 天 线 LH2 为 椭 圆, 而 非 晶 体 状 态 下 的 圆 对 称 结 构 小 角 X 射 线 散 射 实 验 LH2 晶 体 结 构 溶 液 中 LH2 膜 蛋 白 结 构 发 生 畸 变 溶 液 状 态 的 LH2 分 子 比 晶 体 结 构 少 胖 一 点 是 因 为 蛋 白 质 表 面 过 了 一 个 单 分 子 层 的 表 面 活 性 剂 分 子 44
结 构 畸 变 对 LH2 激 子 态 能 级 的 影 响 LH2 畸 变 后, 最 低 激 发 态 变 得 光 学 跃 迁 部 分 允 许, 激 发 态 寿 命 变 短 激 子 态 寿 命 可 成 为 蛋 白 质 畸 变 的 判 据 圆 形 LH2 激 发 态 寿 命 长 椭 圆 形 LH2 激 发 态 寿 命 短 45
纳 米 粒 子 诱 导 LH2 结 构 畸 变 的 超 快 光 谱 实 验 Biophysics Journal 88 (6),4262-4273, 2005 纳 米 粒 子 与 LH2 的 自 组 装 46
飞 秒 瞬 态 吸 收 光 谱 仪 Near IR, 1.1μm, 1.4 μm OPA, Home-built 800 nm, 150 fs Hurricane IR 5-7 μm BBO Filter 1/2λ Delay line Shutter 2 Sapphire Shutter 1 Completed in Dec. 25,2001 Optical fiber Wedge Microscope CCD 47
0.0 0.5 ΔA (a.u.) -0.3-0.6 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 LH2 纳 米 粒 子 组 装 体 的 飞 秒 时 间 分 辨 瞬 态 吸 收 光 谱 试 验 试 验 表 明 组 装 后 寿 命 变 短, 通 过 精 心 的 试 验 设 计, 证 明 寿 命 变 短 由 于 LH2 结 构 畸 变 引 起 LH2(R26.1) LH2-Fit ΔA(a.u.) 0.0-0.5 LH2(R26.1) LH2(R26.1)&TiO 2 Delayed at 2ps -0.9 LH2(R26.1)&TiO 2 LH2(R26.1)&TiO 2 -Fit -1.0 0 200 400 600 800 1000 Time delay (ps) 800 850 900 950 1000 1050 Wavelength (nm) 无 β- 胡 萝 卜 素 分 子 的 LH2 突 变 体 TiO 2 组 装 体 激 子 态 的 瞬 态 吸 收 动 力 学 瞬 态 吸 收 光 谱 48
Biophysics Journal, 86, 1082, 2004 应 用 高 能 所 同 步 辐 射 光 源 进 行 小 角 X- 射 线 散 射 实 验, 证 实 溶 液 单 分 子 状 态 下 外 周 捕 光 天 线 LH2 为 椭 圆, 而 非 晶 体 状 态 下 的 圆 对 称 结 构 小 角 X 射 线 散 射 实 验 LH2 晶 体 结 构 溶 液 中 LH2 膜 蛋 白 结 构 发 生 畸 变 溶 液 状 态 的 LH2 分 子 比 晶 体 结 构 少 胖 一 点 是 因 为 蛋 白 质 表 面 过 了 一 个 单 分 子 层 的 表 面 活 性 剂 分 子 49
LH2 膜 蛋 白 与 一 系 列 尺 寸 不 同 的 带 负 电 SiO 2 纳 米 粒 子 组 装, 通 过 瞬 态 光 谱 实 验 证 实 蛋 白 质 畸 变 与 纳 米 粒 子 尺 寸 之 间 存 在 匹 配 关 系, 即 两 者 尺 度 相 近 时 引 起 的 畸 变 效 应 最 大 (a) (b) (c) (d) 50
蛋 白 质 纳 米 粒 子 相 互 作 用 尺 度 匹 配 效 应 的 科 学 意 义 纳 米 毒 理 : 尺 寸 效 应 纳 米 药 物 : 抗 爱 滋 病 药 物 HIV 病 毒 蛋 白 活 性 腔 C 60 分 子 通 过 尺 度 匹 配 占 据 空 腔 病 毒 蛋 白 失 活 揭 示 纳 米 尺 度 相 关 的 毒 性 药 物 设 计 51
一 光 反 射 差 法 二 光 镊 三 超 快 光 谱 四 拉 曼 散 射 五 近 场 光 学 六 纳 米 光 学 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 52
光 在 介 质 中 的 传 播 和 散 射 图 1. 光 在 介 质 中 的 传 播 和 散 射 当 频 率 为 ω 0 激 光 束 射 入 介 质 后, 除 了 被 介 质 吸 收 的 光 之 外, 大 部 分 仍 以 频 率 为 的 ω 0 光 沿 入 射 方 向 穿 过 介 质, 还 有 一 小 部 分 光 被 介 质 散 射 到 四 面 八 方, 并 且 改 变 了 方 向 散 射 光 中 不 仅 有 频 率 为 ω 0 的 入 射 光 而 且 还 包 含 有 频 率 为 的 ω s 散 射 光 散 射 光 的 频 谱 如 图 1 所 示 53
光 子 与 元 激 发 粒 子 碰 撞 示 意 图 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 54
光 散 射 的 微 观 描 述 光 散 射 的 微 观 过 程 55 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会
拉 曼 光 谱 测 量 技 术 的 优 越 性 1 拉 曼 光 谱 提 供 快 速 简 单 可 重 复 更 重 要 的 是 无 损 伤 的 定 性 定 量 分 析 2 由 于 水 对 拉 曼 散 射 的 干 扰 很 弱, 拉 曼 光 谱 是 研 究 水 溶 液 中 的 生 物 样 品 和 化 学 化 合 物 的 理 想 工 具 3 显 微 拉 曼 可 将 激 光 束 聚 焦 至 1 微 米 甚 至 更 小 4 表 面 增 强 拉 曼 散 射 (SERS) 可 以 将 被 吸 附 在 某 些 粗 糙 金 属 表 面 上 的 分 子, 使 它 们 的 拉 曼 信 号 强 度 增 加 10 4 到 10 14 倍 56
拉 曼 散 射 在 光 合 作 用 体 系 中 的 研 究 ( 举 列 一 ) 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 研 究 光 反 应 中 心 II 中 类 胡 萝 卜 素 的 意 义 : 类 胡 萝 卜 素 在 光 合 作 用 中 具 有 多 种 重 要 的 生 理 功 能, 概 括 讲 主 要 有 三 方 面 : 1 作 为 辅 助 色 素 分 子, 吸 收 400-600nm 波 长 范 围 内 的 不 能 被 叶 绿 素 分 子 很 好 吸 收 的 可 见 光, 并 将 激 发 能 传 递 给 叶 绿 素, 从 而 扩 展 了 光 合 生 物 光 能 利 用 范 围 2 作 为 光 保 护 剂, 保 护 光 合 器 官 免 遭 过 多 光 能 而 引 起 损 伤 3 作 为 色 素 - 蛋 白 复 合 物 的 重 要 组 成 成 分, 有 着 稳 定 结 构 的 作 用 搞 清 类 胡 萝 卜 素 在 光 反 应 中 心 II 中, 其 构 型 和 构 像 对 植 物 生 长 中 的 光 抑 止 和 光 保 护 机 理, 对 提 高 植 物 光 合 作 用 率, 促 进 生 长 旺 盛, 产 量 增 加, 是 一 项 具 有 科 学 价 值 和 社 会 经 济 价 值 的 研 究 项 目 特 别 是 光 合 率 提 高 的 机 理 的 研 究, 十 分 有 意 义 57
研 究 背 静 与 我 们 的 创 新 实 验 :1972 年 Lutz 等 人 首 次 测 定 了 分 离 纯 化 的 Chl a( 叶 绿 素 a) 分 子 的 拉 曼 光 谱 为 光 合 作 用 研 究 的 深 入 起 到 了 推 动 作 用 在 我 们 的 研 究 中, 最 大 的 创 新 点 就 是 把 共 振 拉 曼 散 射 (RRS) 和 表 面 增 强 拉 曼 散 射 (SERS) 结 合 起 来, 首 先 将 表 面 增 强 共 振 拉 曼 散 射 (SERRS) 运 用 到 光 合 体 系 研 究 中 实 验 效 果 : 利 用 SERRS 技 术, 可 提 高 拉 曼 光 谱 强 度 10 9 倍 即 用 小 的 激 光 功 率, 也 获 得 了 较 低 浓 度 (2 x10-9 mol/l) 下 各 种 类 胡 萝 卜 素 分 子 丰 富 的 拉 曼 光 谱 这 用 普 通 共 振 拉 曼 方 法 是 根 本 得 不 到 得 58
SERRS 测 定 Pd OECC 中 β- 胡 萝 卜 素 分 子 构 型 与 强 光 辐 照 后 微 结 构 变 化 所 引 起 拉 曼 光 谱 改 变 的 观 察 Intensity(a.u.) 960 1004 1154 1524 1 2 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 1 960 cm-1 附 近 反 映 -CH 基 团 向 共 轭 多 烯 链 平 面 外 的 弯 曲 振 动 程 度, 不 仅 和 多 烯 链 的 平 面 对 称 性 和 电 子 的 分 配 有 关, 而 且 对 类 胡 萝 卜 素 分 子 的 构 象 变 化 十 分 灵 敏 2. 当 样 品 用 光 强 大 于 2500 mol. m -2 s -1 连 续 照 射 150 秒 后, 振 动 带 的 强 度 下 降, 线 宽 加 大, 一 些 胡 萝 卜 素 分 子 结 构 中 与 多 烯 链 平 面 结 构 有 关 的 振 动 带 消 失 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 Raman shift (cm -1 ) 图 1 Pd OECC 在 SERS 衬 底 上 的 SERS 光 谱 ; 1 为 光 照 前 的 ;2 为 强 光 照 射 后 的 59
用 拉 曼 散 射 确 认 菠 菜 叶 绿 体 的 细 胞 色 素 b 6 f 复 合 物 (spinach Cyt b 6 f complex) 的 β- 胡 萝 卜 素 分 子 为 9- 顺 式 (9-cis) 构 型 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 Intensity (a.u.) 9-cis-β-carrotene in cytochrome b 6 f complex from spinach A g 1005 1158 A g A g 1529 2010 2A g 2316 2A g 3058 2A g Intensity (a.u.) 2010 2A g 2316 2A g // 3058 2A g + 500 1000 1500 2000 2500 3000 Raman shift (cm -1 ) 2000 2200 2400 2600 2800 3000 Raman shift (cm -1 ) 图 1 菠 菜 细 胞 色 素 b 6 f 复 合 物 中 β- 胡 萝 卜 的 SERRS 光 谱 图 2 菠 菜 细 胞 色 素 b 6 f 复 合 物 中 β- 胡 萝 卜 的 高 阶 偏 振 拉 曼 光 谱 对 图 1 和 图 2 拉 曼 光 谱 的 振 动 数 目, 振 动 带 的 相 对 散 射 强 度 和 高 阶 振 动 模 式 的 偏 振 分 析 得 出 在 菠 菜 叶 绿 体 的 细 胞 色 素 b 6 f 复 合 物 中 的 β- 胡 萝 卜 素 分 子 为 9- 顺 式 构 型 60
正 常 和 癌 变 乳 腺 组 织 的 表 面 增 强 拉 曼 散 射 研 究 ( 二 ) 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 诊 断 及 时 治 疗 是 提 高 病 人 生 存 机 会 的 最 有 效 途 径 振 动 光 谱 能 从 分 子 水 平 反 应 正 常 与 癌 变 组 织 的 化 学 组 成 和 分 子 结 构 上 的 差 异, 因 而 拉 曼 光 谱 可 以 成 为 一 种 早 期 诊 断 肿 瘤 的 潜 在 途 径 特 点 : 利 用 检 测 灵 敏 度 很 高 的 表 面 增 强 拉 曼 散 射 (Surface Enhanced Raman Scattering,SERS) 技 术, 用 小 的 激 光 功 率 ( 避 免 激 光 加 热 而 破 坏 样 品 ), 可 至 少 提 高 拉 曼 光 谱 强 度 10 4-5 倍 加 上 利 用 SERS 本 身 可 对 自 样 品 荧 光 的 摧 灭, 得 到 清 晰 的 散 射 光 谱 信 号 实 验 方 法 : 样 品 采 用 冷 冻 切 片 机 -30 o C 切 片 在 切 片 上 喷 涂 具 有 SERS 活 性 的 银 胶 溶 液 使 用 法 国 JY-T64000 型 共 焦 显 微 拉 曼 光 谱 仪 进 行 实 验 测 定 氩 离 子 激 光 器 的 514.5 nm 为 光 谱 的 激 发 波 长 照 射 在 样 品 的 激 光 功 率 为 2 mw. 信 号 采 集 为 200s 61
Intensity (a.u.) b 665 727 748 a 855 925 1156 665 729 850 873 921 941 1065 1081 1121 1166 1241 1116 1078 1002 1162 1303 1338 1340 1367 1450 1441 1516 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Raman shift (cm -1 ) 实 验 结 果 : 1658 1527 1614 1612 1668 图 1 正 常 乳 腺 组 织 (a) 和 癌 变 乳 腺 组 织 (b) 的 拉 曼 散 射 光 谱 图 1749 图 1 所 示 了 正 常 与 癌 变 组 织 的 拉 曼 光 谱 正 常 乳 腺 组 织 的 拉 曼 光 谱 以 脂 类 化 合 物 为 主 如 波 数 位 于 1749 和 1658 cm-1 是 来 自 脂 类 的 C=C 双 键 的 伸 缩 振 动,1303 和 1441 cm-1 的 振 动 峰 就 是 属 于 脂 类 的 CH2 的 剪 切 振 动 癌 变 乳 腺 组 织 则 以 蛋 白 的 振 动 为 主 最 为 显 著 的 是, 癌 变 乳 腺 组 织 的 在 位 于 100 2 cm-1 处 出 现 了 一 个 很 锐 的 拉 曼 峰, 而 在 正 常 组 织 中 是 没 有 的 其 就 是 来 自 蛋 白 质 中 苯 丙 氨 酸 的 特 征 峰 与 正 常 组 织 相 比, 病 变 组 织 中 的 源 于 脂 类 的 1749 cm -1 拉 曼 峰 就 变 的 很 弱 而 很 难 观 察 到 这 是 由 于 癌 细 胞 生 长 速 度 快, 耗 能 快, 脂 类 物 质 难 以 在 组 织 和 细 胞 内 聚 集, 因 而 含 量 低, 散 射 强 度 变 弱 拉 曼 光 谱 的 变 化 也 与 癌 变 的 生 物 学 的 解 释 是 一 致 的 62
一 光 反 射 差 法 二 光 镊 三 超 快 光 谱 四 拉 曼 散 射 五 近 场 光 学 六 纳 米 光 学 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 63
近 场 扫 描 光 学 显 微 镜 示 意 图 Scan Range: 100 x 100 x 20 μm Position Accuracy: x,y : < 3 nm, z : < 0.5 nm Optical Resolution : < 100 nm, 最 好 : 50 纳 米 64
近 场 扫 描 光 学 显 微 镜 (NSOM) 的 性 能 突 破 光 学 衍 射 极 限, 空 间 分 辨 率 可 以 达 到 : 实 验 室 :1 nm 商 品 :50 nm 可 同 时 给 出 样 品 的 形 貌 和 光 学 性 质 ( 空 间 定 域 ) 可 在 自 然 环 境 和 各 种 人 工 条 件 下 运 行 对 样 品 的 性 质 无 特 殊 要 求, 可 测 各 种 样 品 无 损 伤 探 测, 可 测 量 活 样 品 多 种 工 作 模 式 : 透 射 反 射 接 触 拍 打 样 品 的 光 吸 收 发 光 荧 光 的 空 间 分 布 样 品 的 纳 米 空 间 分 辨 光 谱 样 品 的 纳 米 空 间 fs 时 间 分 辨 光 谱 65
物 理 所 引 进 的 NSOM100 (RHK /Nanonics/Zeiss, USA/Israel/Germany) Scan Range: 30 x 30 x 30 μm Position Accuracy: x, y, z < 0.1 nm Optical Resolution: < 100 nm, 最 好 :50 纳 米 Transmission Mode, Reflection and Accept Mode 66
物 理 所 NSOM100 的 原 理 图 和 技 术 参 数 工 作 模 式 : 接 触,Tapping 新 增 : 接 收 和 反 射 测 量 范 围 : 光 吸 收 和 荧 光 空 间 分 辨 : < 100 nm 扫 描 精 度 :0.1 nm 扫 描 范 围 :30 x 30 µm 样 品 尺 寸 :φ 20 mm 样 品 移 动 :6 mm 光 源 : Ar + - Laser 465, 488, 514 nm 67
精 子 头 部 的 单 次 跨 膜 蛋 白 YWK-II 经 过 荧 光 标 定 后 的 跨 膜 分 布 测 量 合 作 单 位 : 中 国 协 和 医 科 大 学 激 发 波 长 : 488 nm 荧 光 波 长 : 510 nm YWKII 68
形 貌 荧 光 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 69
鼠 胸 腺 细 胞 凋 亡 的 NSOM 测 量 合 作 单 位 : 广 安 门 中 医 医 院 鼠 胸 腺 细 胞 功 能 : 免 役 细 胞 细 胞 凋 亡 的 描 述 : 程 序 性 死 亡 : 染 色 体 断 裂 细 胞 凋 亡 的 触 发 :DEX ( 已 知 ) GSNO( 待 测 ) 细 胞 凋 亡 的 阻 断 : 萊 菔 子 硷 ( 中 药 提 取 ) ( 待 测 ) 细 胞 凋 亡 的 标 定 : 荧 光 标 定 染 色 体 断 裂 后 的 DNA 片 断 细 胞 凋 亡 的 测 量 : 测 量 DNA 片 断 荧 光 分 布 70
样 品 的 制 备 和 测 量 分 组 鼠 胸 腺 细 胞 来 源 : 3-4 周 BALB/C 鼠 胸 腺 细 胞 的 提 取 :SWIM'S-77 medium 胸 腺 细 胞 的 处 理 :Triton X-100, 膜 孔 胸 腺 细 胞 的 标 定 :Propidium iodide (PI) 激 发 :488 nm 荧 光 :523 nm 胸 腺 细 胞 的 分 组 : 1. 无 任 何 处 理, 不 产 生 凋 亡 已 知 2. 加 入 Dexamethasone (DEX), 触 发 凋 亡 已 知 3. 加 入 S-nitrosoglutathione (GSNO), 待 测 4. 加 入 GSNO + 萊 菔 子 硷 待 测 71
测 量 结 果 ( 荧 光 分 布 ) 荧 光 NSOM 可 用 于 测 量 活 细 胞 的 变 化 荧 光 NSOM 的 空 间 分 辨 率 可 达 100 nm 荧 光 NSOM 给 出 GSNO 引 起 细 胞 凋 亡 的 空 间 分 布 萊 菔 子 硷 有 阻 止 细 胞 凋 亡 的 作 用 4 GSNO+ 1 无 处 理 2 DEX 3 GSNO 萊 菔 子 硷 72
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一 光 反 射 差 法 二 光 镊 三 超 快 光 谱 四 拉 曼 散 射 五 近 场 光 学 六 纳 米 光 学 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 74
量 子 点 (quantum dot, QD) 是 一 种 由 II-VI 族 或 III-V 族 元 素 组 成 的 纳 米 颗 粒 量 子 局 域 效 应 吸 收 和 发 射 峰 随 量 子 奌 半 径 增 加 而 红 移 化 学 制 备 界 面 可 控 75
The Characteristics of Quantum Dots 同 一 波 长 的 光 可 激 发 多 种 不 同 的 量 子 点 生 命 科 学 : 76
The Characteristics of Quantum Dots QD can be conjugated with protein, DNA etc 77
The Characteristics of Quantum Dots Narrow symmetric emission spectra 78
自 制 量 子 点 的 发 光 形 态 碲 化 镉 量 子 点 ( 硫 化 镉 壳 ) 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 硒 化 镉 / 硫 化 锌 核 壳 量 子 点 79
CdSe 量 子 点 的 TEM 形 貌 ( 左 ) 和 发 光 相 ( 荧 光 显 微 镜, 右 ) 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 80
核 壳 量 子 点 发 光 效 率 高 达 90% 转 水 后 要 降 低 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 81
CdSe 量 子 点 的 界 面 偶 联 -- 与 生 物 分 子 或 细 胞 连 接 界 面 修 饰 方 可 连 接 生 物 分 子 油 相 量 子 点 从 油 相 左 瓶 转 换 到 水 相 右 瓶 CdSe 量 子 点 水 相 不 同 尺 度 量 子 点 现 在 开 展 干 细 胞, 癌 细 胞 标 记 研 究 82
此 外, 还 有 x 光 衍 射 红 外 光 谱 THz 光 谱 等 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 83
把 物 质 科 学 领 域 的 先 进 手 段 用 于 生 命 科 学 研 究 把 物 质 科 学 领 域 的 思 维 方 法 及 对 客 观 世 界 规 律 的 认 识 用 于 生 命 科 学 研 究 把 生 命 科 学 领 域 的 研 究 方 法 和 规 律 带 入 物 质 科 学 研 究, 推 动 物 质 科 学 发 展 ( 复 杂 系 统 ) 84
谢 谢! 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 85