單分子全內(nèi)反射熒光顯微鏡（Single-Molecule Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy，smTIRF）是一種高分辨率熒光顯微鏡技術(shù)，用于觀察和分析單個分子或亞微米級粒子的運動、相互作用和行為。它利用全內(nèi)反射現(xiàn)象，通過激發(fā)樣品表面附近的熒光標記分子，以實現(xiàn)高靈敏度和高分辨率的圖像采集。

原理

smTIRF顯微鏡基于全內(nèi)反射原理工作。當光從高折射率介質(zhì)（如玻璃或水）射入低折射率介質(zhì)（如空氣或細胞樣品）時，在入射角大于臨界角時，光將完全反射在界面上。這導致了一種被稱為全內(nèi)反射的現(xiàn)象。

smTIRF顯微鏡的工作原理包括以下步驟：

全內(nèi)反射：光從顯微鏡的物鏡透鏡進入樣品與載玻片之間的接觸表面。當光的入射角大于臨界角時，光在樣品-載玻片界面上全內(nèi)反射，產(chǎn)生一個被稱為全內(nèi)反射波的電磁場。

激發(fā)熒光標記分子：熒光標記的分子附著在樣品表面上，與全內(nèi)反射波的電場相互作用。這激發(fā)了熒光標記分子的熒光，使其發(fā)射光子。

熒光信號采集：smTIRF顯微鏡使用高靈敏度的探測器來捕捉從樣品表面發(fā)射的熒光信號。由于只有非常接近表面的分子受到激發(fā)，所以只有極少數(shù)的分子被激發(fā)并發(fā)出熒光信號。

高分辨率成像：由于只有靠近表面的分子被激發(fā)，smTIRF顯微鏡提供了高分辨率的圖像，僅顯示與表面非常接近的分子。這使得能夠觀察和分析單個分子的運動和行為。

應用領域

smTIRF顯微鏡在生物學、生物醫(yī)學研究和生物醫(yī)學應用中發(fā)揮著重要作用，包括：

單分子生物學：smTIRF顯微鏡用于觀察和分析單個生物分子，如蛋白質(zhì)、DNA、RNA和分子復合物的相互作用、擴散、聚集和結(jié)構(gòu)。

細胞生物學：用于研究細胞膜、受體、信號通路和細胞器的動態(tài)行為，以深入了解細胞的功能和機制。

藥物篩選：smTIRF顯微鏡可用于藥物靶點的篩選和藥物-受體相互作用的研究，有助于藥物研發(fā)和生物醫(yī)學研究。

納米顆粒和納米材料：用于觀察和分析納米顆粒、納米顆粒的運動和相互作用，有助于納米技術(shù)和材料科學研究。

神經(jīng)生物學：smTIRF顯微鏡可用于研究突觸和神經(jīng)元的活動，以深入了解神經(jīng)信號傳導和突觸連接。

優(yōu)勢

smTIRF顯微鏡具有以下優(yōu)勢：

高分辨率：提供超分辨率成像，使觀察單個分子或亞微米級顆粒成為可能。

非侵入性：測量過程不會破壞樣品，適用于活細胞和生物分子的研究。

高靈敏度：能夠檢測極少數(shù)的熒光標記分子，對于低豐度分子的研究非常有用。

動態(tài)觀察：可觀察單個分子的運動和行為，提供有關(guān)分子動力學的信息。

多通道成像：可以同時觀察多個通道的熒光標記，提供更多信息。

總結(jié)

單分子全內(nèi)反射熒光顯微鏡是一種強大的工具，用于研究生物分子和納米結(jié)構(gòu)的高分辨率表征。它已經(jīng)在多個領域產(chǎn)生深遠的影響，使科研人員能夠更深入地了解生命科學和材料科學中的微觀世界。在未來，smTIRF顯微鏡技術(shù)將繼續(xù)為科學研究和生物醫(yī)學應用提供更多的突破和創(chuàng)新。