单颗粒示踪（Single particle tracking，SPT）技术是应用显微镜系统对细胞内单个特定荧光或散射颗粒的定位和追踪。由于SPT能够实时监控活细胞内复杂、高度动态的组织结构的变化并提供结构—功能间的动力学关系，因此在细胞生物学上有重要的应用。本文总结了SPT的机理以及在细胞上的应用，首先介绍了SPT的动力学原理，包括单颗粒定位，轨道重建以及轨道分析，然后总结了SPT技术现阶段重点发展的光学材料及仪器，最后阐述了SPT在细胞膜、细胞内信号通路、分子转运机制、遗传信息表达以及病毒感染机制的应用。此外，本文还对SPT技术未来的发展进行了展望。

相比于传统的光学成像技术, 近年来获得快速发展的新型多光子成像技术具有穿透深度大, 组织光损伤小, 信噪比高, 且可方便进行光学层析成像的特点, 故而被广泛应用于包括脑、肿瘤、胚胎在内的多种活体组织成像中。本综述回顾了新型多光子成像技术的诞生与发展历程, 包括微型化双光子成像技术、双光子内窥技术和三光子成像技术, 概括分析了其基本原理与成像特点, 讨论了这一领域具有代表性的最新研究成果, 重点总结了其在生物学基础研究领域和临床医学诊断中的主要应用, 并展望了其未来的应用与发展前景。可以预见, 随着激光器和光探测技术的不断进步, 多光子成像技术将会得到更大的发展与更加广泛的应用。

结构光照明显微镜(Structured Illumination Microscopy,SIM)通过结构化照明在频率域以空间混频的方式将物体高频信息载入光学系统的探测通带内实现突破衍射极限的超分辨光学显微成像。SIM凭借其较低的激发光强、对荧光染料的非特异性需求以及快速的宽场成像优势已成为活细胞超分辨光学显微成像方面应用最多的技术。本文系统回顾了SIM的技术进展, 对SIM的基本原理与实现方法进了详细的分析, 重点介绍了本课题组研发的基于光谱分辨的单光子激发超分辨显微镜和结合自适应光学的双光子激发超分辨显微镜这两种最新的SIM技术, 最后简要讨论了SIM技术在生物成像中的应用及未来发展方向。

为了拓展荧光辐射差分(Fluorescence Emission Difference,FED)显微术的应用, 使得该方法可以同时对生物样品的不同组织结构进行超分辨成像, 本文对双色FED显微系统展开了研究。FED的基本原理是将实心光斑扫描得到的共焦显微图像减去空心光斑扫描得到的负共焦图像, 以此获得超分辨显微图像。在对单色FED显微系统进行研究后, 本文提出了一种可行的双色FED显微成像系统方案。实验结果表明, 在488 nm和640 nm激发光下, 该系统在荧光颗粒上分别实现了135 nm和160 nm的空间分辨率, 另外也能对生物样品的不同组织进行多色同时超分辨显微成像, 满足了实际应用的要求。

双光子成像(Two-Photon Imaging)技术以其优越特性被广泛用于活细胞动态三维成像, 但光功率极高的短脉冲光对焦平面荧光分子严重的光漂白极大地影响了双光子长时间成像的图像质量, 针对双光子荧光漂白问题, 本文提出一种优化光照的双光子(Optimized Lighting-Two Photon,OL-TP)成像技术。通过预扫描获取双光子图像分析高低阈值, 以预设的高低阈值为标准优化一幅图像中不同区域的光照时长, 利用扫描过程中记录的荧光信息和光照时间信息可以重建OL-TP图像, 既保证信噪比又降低荧光漂白。重建的OL-TP图像与传统双光子图像基本一致, 信噪比略有降低, 但图像并未失真。对110 nm的荧光小球样本分别连续取30幅普通双光子和优化光照的双光子图像, 到第30幅图时, 重建后的优化光照双光子图像比普通双光子图像荧光漂白降低了2886%。OL-TP通过优化光照时间大幅降低双光子成像的荧光漂白, 使双光子荧光显微镜能够更好地对生物样本进行长时间观测。

为了进一步认知复杂环境中的细胞生物学过程, 研究人员发展了各种各样的生物成像技术。在这些技术中, 生物荧光成像因简单的成像条件以及对生物样品的相容性而得到了广泛的发展。然而, 传统的荧光成像技术受到了光学衍射极限的限制, 无法分辨低于200 nm的空间结构, 阻碍了对亚细胞结构的生物学过程研究。超分辨荧光显微镜技术突破了传统光学衍射对成像分辨率的限制, 能够获取纳米尺度的细胞动态过程。除了对传统的宽场荧光显微镜框架的改进及升级改造之外, 目前典型的超分辨成像显微镜技术通常依赖于荧光探针材料的光物理性质。常用的荧光探针材料包括荧光蛋白、有机荧光分子和纳米荧光材料等。本文介绍了几种主流的超分辨荧光显微成像技术并总结了已经成功应用到超分辨生物荧光成像中的荧光探针材料的应用进展。

核酸是携带遗传信息的物质, 既存在于自然界中也能够通过成熟技术人工合成。通过体外筛选技术还可以筛选出具有特殊功能的核酸序列, 例如核酸适体和脱氧核酶。核酸通过沃森-克里克碱基互补配对原则进行杂交, 具有很强的专一性。无论是通过序列设计还是体外筛选, 核酸探针在生物标志物的分析与成像应用方面都发挥着重要作用。纳米材料辅助构建核酸功能化纳米探针, 可以保护负载的核酸探针不被核酸酶降解, 并且无需转染试剂就能进入细胞, 在细胞荧光成像应用上具有很大优势。为解决细胞内有些生物标志物含量低、难于检测的问题, 目前已构建多种适用于细胞水平的成像信号放大方法来实现对低丰度生物标志物的高灵敏成像。本文主要综述了核酸功能化纳米探针在细胞荧光成像中的应用进展, 包括反义寡核苷酸功能化纳米探针、核酸适体功能化纳米探针、脱氧核酶功能化纳米探针等, 同时介绍了他们在成像信号放大中的应用。

氧化石墨烯作为石墨烯的一种带隙打开的衍生物, 极大地丰富了其光学性质, 并拓展了它在传感和成像方面的应用, 特别是氧化石墨烯限域的π共轭结构对构建发光碳材料提供了十分便利的条件。目前, 有大量的研究工作报道了氧化石墨烯及其衍生物能够产生多种颜色的荧光信号, 然而, 系统地总结这些研究去揭示氧化石墨烯发光机理的相关工作还比较少。本文总结了关于发光氧化石墨烯纳米材料的合成及其在光学成像方面应用的大量研究工作, 为进一步开发新型的发光氧化石墨烯材料提供一些建设性意见。

纳米载体一直是肿瘤精准治疗的重要研究领域。其中以细胞膜伪装的纳米药物载体作为一种新颖的药物载体平台, 在近年来已成为药物传递领域的研究热点。本文综述了不同种类细胞膜伪装的纳米载体应用于光热治疗的最新进展。将细胞膜与纳米材料结合起来, 可进一步推进纳米载体的研究, 这将对相关领域的发展产生重要影响。

碳纳米点作为新兴的碳纳米材料, 具备制备成本低、尺寸小、低毒、生物相容性高、水溶性好、易修饰、光物理性质独特等诸多优点, 在生物医疗领域展现了独有的优势和应用前景。由于具有丰富的表面官能团, 碳纳米点可以与靶向配体、医学影像造影剂、核酸、化学药物、光敏剂、光热转换试剂等功能性诊断治疗试剂相互作用形成复合物。目前, 碳纳米点及其复合物在医学影像、基因治疗、化学药物治疗、光热、光动力治疗等生物医学诊断治疗领域的应用正在被广泛的开发和报道。这些工作对开发基于碳纳米点的医学诊断治疗试剂及其临床推进具有重要意义, 为推进人类重大疾病的个体化、可视化、非入侵式、小损伤的诊断治疗提供一种新的药物体系。本文将关注应用于诊断治疗领域的碳纳米点及其复合物的设计、构建及性能研究, 对已报道的基于碳纳米点的诊断治疗试剂在生物医疗领域的研究进展进行总结和讨论。

荧光碳点具有化学稳定性好、毒性小、可表面功能化等优点, 引起了人们极大的兴趣。近年来, 由高分子多糖合成的聚合物碳点成为另一研究热点。本文通过水热法合成了一种壳聚糖基荧光聚合物碳点材料(P(CS-g-mPEG-CA)CDs), 并用于载药研究。基于壳聚糖和聚乙二醇既是碳点的碳源也是碳点的钝化试剂, 本文选择壳聚糖接枝聚乙二醇单甲醚和柠檬酸衍生物作为聚合物碳点的碳源, 以提高聚合碳点的量子产率。另外, 聚合物碳点还可以保留聚乙二醇与壳聚糖分子结构, 为其在载药方面的应用提供有利条件。采用红外光谱、紫外光谱、X射线衍射、光电子能谱、透射电子显微镜和光致发光光谱对P(CS-g-mPEG-CA)CDs进行了结构表征以及pH值稳定性的测试。结果表明, 所合成的P(CS-g-mPEG-CA)CDs具有较高的荧光量子产率(6681%)、较长的荧光寿命(15247 ns)、良好的pH稳定性。以阿霉素为模型药物, 利用该聚合物碳点进行了负载研究, 结果表明, 当聚乙二醇单甲醚取代度为119%时, 聚合物碳点的载药量最高为513%, 最大药物释放率为287%, 此外, 药物的装载和释放可以通过mPEG的接枝率进行控制。采用MTT法评价了聚合物的碳点对鼻咽癌细胞(CNE-2)的毒性作用。研究表明, 空白聚合物碳点无明显细胞毒性, CNE-2细胞存活率随着载药胶束的增加而降低, 说明载药胶束对CNE-2细胞有较强的抑制作用。可见该P(CS-g-mPEG-CA)CDs在荧光标记、药物递送、荧光示踪系统和控制释放方面, 具有一定的应用前景。

碳量子点是一类具有优异的荧光性能和高生物相容性的纳米材料, 在很多领域有广泛的应用, 是目前研究的热点材料。本文介绍了碳量子点不同的合成方法, 以及碳量子点的荧光、化学发光、电化学发光、类过氧化物酶的活性及毒性等性能的最新研究进展。此外, 还对碳量子点在生物传感、生物成像及药物传递等生物医学应用进行了概述。

光交联反应作为一种快速、简单和时空可控的交联工具广泛地应用于化学、生物、医学和材料等不同研究领域。本文详细介绍了常用的小分子光交联基团的结构、分类及反应机理, 重点综述了光交联技术在生物医学领域的应用研究,并对其应用前景进行了展望。目前大多光交联基团仅对紫外和可见光具有敏感性, 紫外和可见光穿透力弱、组织吸收强和散射等问题严重限制了该技术在生物体内的应用研究。因此, 进一步研究光交联技术在生物体系的应用和开发长波长光(如近红外或远红外光)介导的新交联技术对于药物研发和疾病诊疗具有重要的科学意义。

随着我国社会经济的发展及国人饮食、生活习惯的改变, 糖尿病的发病率呈逐年上升趋势。糖尿病视网膜病变(Diabetic Retinopathy,DR) 作为糖尿病最为常见的并发症, 已成为视力下降甚至致盲的主要原因之一。通过对其早期诊断和及时治疗, 超过50%的患者的视力损伤及致盲可得到预防。因此, 研究DR的诊断和治疗方法具有重要的临床意义。由于眼部的结构及光学特性, 生物医学光子学技术在DR的临床诊断和治疗中已得到了非常广泛的应用并且具有巨大的发展前景。本文综述了目前临床上用于DR诊断和治疗的主要生物医学光子学技术的原理及其最新应用进展, 并分析对比了各个技术的特点, 最后总结并展望了生物医学光子学技术在临床DR诊断和治疗的发展趋势。

长周期光纤光栅是对周围环境比较敏感的一种无源光学器件, 由于其具有无后向反射、对折射率灵敏度高、体积小、易于集成化、不受电磁干扰、耐酸碱腐蚀、不需要参比电极等诸多特点, 在折射率传感领域备受关注。自从2000年Bentley研究组第一次将长周期光纤光栅用于抗原的检测以来, 经过十余年的发展, 长周期光栅在生物物质的检测方面取得了很大的进展, 已被用于抗原抗体、细菌病毒、蛋白质、DNA、酶及核酸等诸多生物物质的检测。本文对长周期光纤光栅近年来在生物传感领域的研究进展和应用进行了总结和评述, 并对长周期光纤光栅在生物物质检测方面的未来发展趋势做了展望。

为了实现对生物分子间相互作用过程的实时、灵敏、快速监测, 获得生物分子的有无、浓度与相互作用的动力学参数信息, 本文设计了基于光纤生物传感器的生物亲和性检测方法。首先, 针对光干涉生物亲和性传感检测系统的光学传输系统“Y”型分叉光纤与光纤探针之间的耦合问题, 提出了自聚焦透镜与石英光纤耦合结构, 该耦合结构偏心公差能够达到002 mm, 倾斜公差能够达到01°; 针对干涉光谱信号的高频噪声问题, 采用一种改进的经验模态分解干涉光谱信号处理方法, 有效避免了干涉光谱曲线滤波处理后极值点位置的偏移; 同时采用局部拟合极值点计算生物分子膜层厚度的方法, 将生物分子膜层厚度的分辨率提高到50 pm。利用所搭建的光干涉生物亲和性检测系统, 建立了HER3-IgG1抗体药物利用金纳米粒子进行信号放大, 实现对其浓度进行定量检测的新方法, 检测过程中无需清洗, 不产生交叉污染。实验结果表明: 系统检测限能达到0082 6 μg/mL, 该系统具有检测时间短, 测量准确、精度高、成本低廉等特点, 能够应用于药代动力学研究中。

由于微流控芯片具有优异的集成性和灵活的可操作性, 基于芯片上的检测方法被大量开发, 发展十分迅速。其中, 表面增强拉曼光谱(SERS)凭借其超高的灵敏度、独一无二的指纹谱和窄峰宽等特点成为一种广泛采用的检测手段。SERS微流控芯片集SERS检测技术与微流控芯片的优势于一体, 一方面为SERS检测方法的重复性和可靠性提供了一个高效平台, 另一方面推动了微流控芯片的功能拓展, 在生物分子探测、细胞捕获乃至组织模拟等领域具有广阔的应用前景。本文在简要介绍SERS的原理及其生物传感应用的基础上, 重点概述了SERS微流控芯片的构建及其在生物传感及检测中的应用, 最后探讨了该研究方向存在的问题及发展方向。