生物元素成像

[i][font='Times New Roman'][font=宋体]引言[/font][/font][/i][font='Times New Roman'][font=宋体]在上一期的专栏里[/font][/font][font=宋体]，我们对荧光成像和生物发光的基本原理进行了对比。同时也留下了几个问题：[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]针对我的课题[/font][/font][font=宋体]，生物发光和荧光成像哪个好？什么情况下选择生物发光，什么情况下选择荧光成像。别急，今天将为大家解答关键问题：[/font][b][font=宋体][color=#ff0000]荧光成像和生物发光成像的优缺点是什么？[/color][/font][/b][align=center][font='Times New Roman']一、 [/font][b][font=宋体]荧光成像技术的优点[/font][/b][/align][font='Times New Roman'][font=宋体]相比生物发光成像[/font][/font][font=宋体]，[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]荧光成像技术的优势主要表现在[/font][/font][font=宋体]：[/font][font='Times New Roman']1. [/font][b][font='Times New Roman'][font=宋体]荧光蛋白及荧光染料的标记能力更强[/font][/font][font=宋体]。[/font][/b][font=宋体]荧光标记分子种类繁多，包括荧光蛋白、荧光染料、量子点标记等，可以对基因、蛋白、抗体、化合药物等进行标记。[/font][font=宋体][color=#ff0000]应用范围极广[/color][/font][font=宋体]，可以对样本进行[/font][font=宋体][color=#ff0000]多色标记[/color][/font][font=宋体]，一个样本同时获得多种细胞或药物的分布[/font][font=宋体]。[/font][font='Times New Roman']2. [/font][b][font='Times New Roman'][font=宋体]信号强度[/font][/font][font=宋体]高[/font][/b][font=宋体]由于荧光成像的[/font][font=宋体][color=#ff0000]光子强度较生物发光更强[/color][/font][font=宋体][font=宋体]，持续时间长，对[/font]C[/font][font='Times New Roman']CD[/font][font=宋体]的灵敏度要求相对较低，不需要必须配备低温冷[/font][font='Times New Roman']CCD[font=宋体]即可获得清晰的成像结果，节省实验成本和购置成本。[/font][/font][font='Times New Roman']3. [/font][b][font='Times New Roman'][font=宋体]实验成本低[/font][/font][font=宋体]，[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]成像过程简单[/font][/font][/b][font='Times New Roman'][font=宋体]相比生物发光成像，成像前无需注射荧光素酶底物。有合适的激发光源照射就可以发出特定波长的发射光[/font][/font][font=宋体]。[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]只要荧光基团稳定，就可实现[/font][/font][font='Times New Roman'][color=#ff0000][font=宋体]随时激发随时发光随时检测[/font][/color][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]。[/font][/font][font='Times New Roman']4. [/font][b][font=宋体]从活体到离体均可成像[/font][/b][font=宋体][font=宋体]相比生物发光只能在活细胞内才会产生发光。荧光蛋白或荧光染料只需要保持荧光基团稳定即可稳定发光。可以在活体或离体组织器官进行观察，在实验前期荧光材料制备阶段，可以直接在[/font]E[/font][font='Times New Roman']P[font=宋体]管中进行成像观察[/font][/font][font=宋体]。[/font][font='Times New Roman']5. [/font][b][font=宋体]应用范围广[/font][/b][font=宋体]相比生物发光成像，荧光成像技术应用范围极广。在肿瘤生长与转移、药物的分布与代谢、纳米颗粒的靶向性与代谢、植物基因的表达、生物相容性材料开发、新型标记技术的开发等多个研究中均可用到荧光成像技术。（[/font][font=宋体][color=#ff0000][font=宋体]点击了解[/font]FOBI[font=宋体]整体荧光成像在上述领域的应用[/font][/color][/font][font=宋体]）[/font][align=center][font='Times New Roman']二、 [b][font=宋体]生物发光技术的优点[/font][/b][/font][/align][font='Times New Roman'][font=宋体]相比荧光成像[/font][/font][font=宋体]，生物发光成像的主要优势表现在：[/font][b][font=宋体]1[font=宋体]、特异性强，无自发荧光[/font][/font][/b][font=宋体]以荧光素酶作为体内报告源的生物发光方法，特异性极强。由于动物本身没有任何自发光，使得生物发光具有极低的背景和极高的信噪比。[/font][b][font=宋体]2[font=宋体]、[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]高灵敏度[/font][/font][/b][font='Times New Roman'][font=宋体]由于生物体内很多物质在激发光的照射[/font][/font][font=宋体]下[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]也会发出荧光[/font][/font][font=宋体]，[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]这些非特异性荧光背景会影响检测灵敏度[/font][/font][font=宋体]，[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]荧光成像的灵敏度最高可在动物体内检测到约[/font]10[/font][sup][font='Times New Roman']4[/font][/sup][font='Times New Roman'][font=宋体]细胞，而生物发光具有在动物体内监测[/font]10[/font][sup][font='Times New Roman']2[/font][/sup][font='Times New Roman'][font=宋体]数量级细胞的灵敏度。[/font][/font][b][font=宋体]3[font=宋体]、检测深度更高[/font][/font][/b][font='Times New Roman'][font=宋体]对于需要在深部[/font][/font][font=宋体]组织[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]下进行的研究（检测的深度在[/font]3~4cm[font=宋体]）[/font][/font][font=宋体]，[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]应用生物发光是最佳的选择[/font][/font][font=宋体]。[/font][b][font=宋体]4[font=宋体]、[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]精确定量[/font][/font][/b][font=宋体]由于荧光素酶基因是插入细胞染色体中稳定表达的，单位细胞的发光数量、发光条件相对稳定。即使标记细胞在动物体内有复杂的定位，亦可从动物体表的信号水平测量出发光细胞的相对数量。[/font][font='Times New Roman'][color=#ff0000][font=宋体]荧光成像和生物发光技术[/font][/color][/font][font=宋体][color=#ff0000]，[/color][/font][font='Times New Roman'][color=#ff0000][font=宋体]是互为补充[/font][/color][/font][font=宋体][color=#ff0000]，[/color][/font][font='Times New Roman'][color=#ff0000][font=宋体]分别满足不同的研究领域[/font][/color][/font][font=宋体][color=#ff0000]。对于不同的研究，可根据两者的特定及实验要求，选择合适的方法。[/color][/font][table][tr][td][font='Times New Roman'] [/font][/td][td][align=center][font='Times New Roman']优点[/font][/align][/td][td][align=center][font=宋体]缺点[/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font=宋体]荧光成像技术[/font][/align][/td][td][font=Wingdings][color=#333333]2 [/color][/font][font=Verdana][color=#333333]荧光染料、蛋白标记能力强，可用于多重标记[/color][/font][font=宋体][color=#333333],[/color][/font][font=Verdana][color=#333333]信号强度大，成像速度快[/color][/font][font=宋体][color=#333333]。[/color][/font][font=Wingdings][color=#333333]2 [/color][/font][font=Verdana][color=#333333]实验成本低[/color][/font][font=宋体][color=#333333]。[/color][/font][font=Wingdings][color=#333333]2 [/color][/font][font=宋体][color=#333333]体内、体外，器官、活体均可成像。[/color][/font][font=Verdana][color=#333333] [/color][/font][font=Wingdings][color=#333333]2 [/color][/font][font=Verdana][color=#333333]应用范围极广[/color][/font][/td][td][font=Wingdings][color=#333333]n [/color][/font][font=Verdana][color=#333333]非特异性荧光限制了灵敏度，体内检测最低约[font=Verdana]104[/font][font=宋体]细胞[/font][/color][/font][font=宋体][color=#333333]。[/color][/font][font=Wingdings][color=#333333]n [/color][/font][font=Verdana][color=#333333]检测深度受限制[/color][/font][font=宋体][color=#333333]，[/color][/font][font=Verdana][color=#333333]较难精确体内定量[font=Verdana] [/font][/color][/font][font=宋体][color=#333333]。[/color][/font][/td][/tr][tr][td][align=center][font=宋体]生物发光技术[/font][/align][/td][td][font=Wingdings][color=#333333]2 [/color][/font][font=Verdana][color=#333333]特异性强，无自发荧光[/color][/font][font=宋体][color=#333333]，[/color][/font][font=Verdana][color=#333333]背景低[/color][/font][font=宋体][color=#333333]。[/color][/font][font=Wingdings][color=#333333]2 [/color][/font][font=Verdana][color=#333333]高灵敏度，在体内可检测到几百个细胞[/color][/font][font=Wingdings][color=#333333]2 [/color][/font][font=Verdana][color=#333333]可精确定量[/color][/font][font=宋体][color=#333333]。[/color][/font][/td][td][font=Wingdings][color=#333333]n [/color][/font][font=Verdana][color=#333333]信号较弱，检测时间较长，需要灵敏的[font=Verdana]CCD[/font][font=宋体]镜头，仪器价格贵[/font][/color][/font][font=宋体][color=#333333]。[/color][/font][font=Wingdings][color=#333333]n [/color][/font][font=Verdana][color=#333333]要求高[/color][/font][font=宋体][color=#333333]，[/color][/font][font=Verdana][color=#333333]需要注入荧光素，实验成本高[/color][/font][font=宋体][color=#333333]。[/color][/font][font=Wingdings][color=#333333]n [/color][/font][font=宋体][color=#333333]只能用于细胞标记，应用范围窄。[/color][/font][/td][/tr][/table][i][font=宋体]结束语[/font][/i][font=宋体]随着活体成像技术的发展特别是荧光标记技术的发展，越来越多的生物学研究需要用到活体光学成像的方法。无论大家是选择生物发光或者荧光成像技术，苦恼总是随之而来，例如：[/font][font=宋体][color=#ff0000]生物素在体内可以维持多长时间？荧光蛋白和染料种类繁多，我该怎样选择呀？[/color][/font][font=宋体][font=宋体]别急，下期我们继续为大家介绍关于活体成像技术应用与选择的问题与难点。[/font][/font][font=宋体][font=宋体][url=http://dwz.date/cwes]点击了解更多活体成像技术的应用与仪器信息！[/url][/font][/font][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]参考文献[/font][/font][/align][font='Segoe UI'][color=#222222]1. [/color][/font][font='Segoe UI'][color=#222222]Su, Y., Walker, J.R., Park, Y. [/color][/font][i][font='Segoe UI'][color=#222222]et al.[/color][/font][/i][font='Segoe UI'][color=#222222] Novel NanoLuc substrates enable bright two-population bioluminescence imaging in animals. [/color][/font][i][font='Segoe UI'][color=#222222]Nat Methods[/color][/font][/i][font='Segoe UI'][color=#222222] [/color][/font][b][font='Segoe UI'][color=#222222]17, [/color][/font][/b][font='Segoe UI'][color=#222222]852–860 (2020). [/color][/font][font='Segoe UI'][color=#222222]2. [/color][/font][url=#!][font='Segoe UI'][color=#222222]M.Keyaerts[/color][/font][/url][url=#!][font='Segoe UI'][color=#222222]V.Caveliers[/color][/font][/url][url=#!][font='Segoe UI'][color=#222222]T.Lahoutte[/color][/font][/url][font='Segoe UI'][color=#222222] [/color][/font][url=https://www.sciencedirect.com/science/referenceworks/9780444536334][font='Segoe UI'][color=#222222]Comprehensive Biomedical Physics[/color][/font][/url][font=等线][color=#222222] [/color][/font][url=https://www.sciencedirect.com/science/referenceworks/9780128012383][font='Segoe UI'][color=#222222]Volume 4[/color][/font][/url][font='Segoe UI'][color=#222222], 2014, Pages 245-256.[/color][/font]

[align=center][b][font=宋体][/font][/b][/align][align=center][font='times new roman'][size=18px]还搞不懂生物发光成像和荧光成像的区别？一篇文章告诉你！[/size][/font][/align][font=&][size=16px][color=#ff0000] 引言[/color][/size][/font][font=&][size=16px]当[/size][/font][font=&][size=16px]夜晚降临，[/size][/font][font=&][size=16px]当[/size][/font][font=&][size=16px]中国四川天台山的萤火虫[/size][/font][font=&][size=16px]们[/size][/font][font=&][size=16px]幻化成满目[/size][/font][font=&][size=16px]“[/size][/font][font=&][size=16px]星空[/size][/font][font=&][size=16px]”[/size][/font][font=&][size=16px]的美景时[/size][/font][font=&][size=16px]，[/size][/font][font=&][size=16px]游弋在[/size][/font][font=&][size=16px]太平洋深处的[/size][/font][font=&][size=16px]发光水母们[/size][/font][font=&][size=16px]正[/size][/font][font=&][size=16px]散发着[/size][/font][font=&][size=16px]柔和[/size][/font][font=&][size=16px]的[/size][/font][font=&][size=16px]绿色[/size][/font][font=&][size=16px]光芒[/size][/font][font=&][size=16px]。同样是关于“光”的美景，[/size][/font][font=&][size=16px]相同点是我们都是通过肉眼去观察，实际上它们[/size][/font][font=&][size=16px]有着[/size][/font][font=&][size=16px]截然不同的发光[/size][/font][font=&][size=16px]原理。[/size][/font][font=&][size=16px][/size][/font][font=&][size=16px]如同萤火虫和发光水母一样[/size][/font][font=&][size=16px]，[/size][/font][font=&][size=16px]活体光学成像技术包括[/size][/font][font=&][size=16px][b]生物发光[/b][/size][/font][font=&][size=16px]与[/size][/font][font=&][size=16px][b]荧光成像[/b][/size][/font][font=&][size=16px]两种。生物发光和荧光成[/size][/font][font=&][size=16px]像[/size][/font][font=&][size=16px]作为近年来新兴的活体动物体内光学成像技术[/size][/font][font=&][size=16px],[/size][/font][font=&][size=16px]以其操作简便及直观性成为研究小动物活体成像的[/size][/font][font=&][size=16px]理想方法[/size][/font][font=&][size=16px],[/size][/font][font=&][size=16px]在生命科学研究中不断发展[/size][/font][font=&][size=16px]。那么生物发光和荧光成像[/size][/font][font=&][size=16px]的[/size][/font][font=&][size=16px]区别到底在哪里[/size][/font][font=&][size=16px]呢[/size][/font][font=&][size=16px]？是否所有的活体成像设备都能同时检测生物发光和荧光成像呢？[/size][/font][align=center][font='times new roman'][size=16px][color=#c00000][b]不同点[/b][/color][/size][/font][/align][font=&][size=16px]类似于我们都是通过肉眼去观察萤火虫和发光水母一样[/size][/font][font=&][size=16px]，[/size][/font][font=&][size=16px]生物发光与荧光成像在本质上都是机体中特定的细胞或材料发出光子被高灵敏度的[/size][/font][font=&][size=16px]CCD[/size][/font][font=&][size=16px]检测到形成图像[/size][/font][font=&][size=16px]，[/size][/font][font=&][size=16px][b]但是生物发光与荧光成像产生光子的过程和机制是完全不同的[/b][/size][/font][font=&][size=16px]。[/size][/font][font=宋体][size=16px]请大家继续向下看↓[/size][/font][align=center][font='宋体'][size=16px][b]产生光子的原理[/b][/size][/font][font='宋体'][size=16px][b]不同[/b][/size][/font][/align][table][tr][td][align=center][font='宋体'][size=16px]生物发光[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='宋体'][size=16px]荧光成像[/size][/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font='宋体'][size=14px]生物发光需要[/size][/font][font='宋体'][size=14px][color=#ff0000][i]两类化学物质[/i][/color][/size][/font][font='宋体'][size=14px]，一类被称作萤光素，另一类被称为荧光素[/size][/font][font='宋体'][size=14px]酶。荧光素能在荧光素酶的催化下消耗[/size][/font][font='宋体'][size=14px]ATP，并与氧气发生反应，反应中产生激发态的氧化荧光素，当氧化荧光素从激发态回到基态时释放出光子，从而发光[/size][/font][font='宋体'][size=14px]，是[/size][/font][font='宋体'][size=14px][color=#ff0000][i]化学能转化为光能[/i][/color][/size][/font][font='宋体'][size=14px]。[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='宋体'][size=14px]荧光的发光需要[/size][/font][font='宋体'][size=14px][color=#ff0000][i]荧光物质和激发光源[/i][/color][/size][/font][font='宋体'][size=14px]。当荧光蛋白或荧光物质[/size][/font][font='宋体'][size=14px]被一定波[/size][/font][font='宋体'][size=14px]长光激发后，电子被激发到高能级，随后向低能级跃迁的过程中发出比激发光波长更长的荧光[/size][/font][font='宋体'][size=14px]，是[/size][/font][font='宋体'][size=14px][color=#ff0000][i]物理[/i][/color][/size][/font][font='宋体'][size=14px][color=#ff0000][i]过程[/i][/color][/size][/font][font='宋体'][size=14px]。[/size][/font][/align][/td][/tr][/table][font=宋体][size=16px]当我们[/size][/font][font=宋体][size=16px]理解[/size][/font][font=宋体][size=16px]了生物发光和荧光成像的发光原理之后[/size][/font][font=宋体][size=16px]，[/size][/font][font=宋体][size=16px]我们就能很好的理解[/size][/font][font=宋体][size=16px]为什么生物发光[/size][/font][font=宋体][size=16px]检测前[/size][/font][font=宋体][size=16px]需要注射[/size][/font][font=宋体][size=16px]荧光[/size][/font][font=宋体][size=16px]素[/size][/font][font=宋体][size=16px]，以及为什么荧光成像需要配置激发光源。[/size][/font][align=center][font='宋体'][size=16px][color=#c00000][b]相同点[/b][/color][/size][/font][/align][font=宋体][size=16px]既然生物发光和荧光成像的原理截然不同，那么就没有相同的地方吗？[/size][/font][font=宋体][size=16px]答案当然是否定的！如同上述所说的，[/size][/font][font=&][size=16px]生物发光产生的光子和荧光成像产生的光子[/size][/font][font=&][size=16px]都[/size][/font][font=&][size=16px]可以被高灵敏的[/size][/font][font=&][size=16px]CCD[/size][/font][font=&][size=16px]检测[/size][/font][font=&][size=16px]并形成图像[/size][/font][font=宋体][size=16px]，就像一个人的眼睛就可以既看到萤火虫又可以看到发光水母一样。除此之外，生物发光和荧光成像都需要对目标细胞进行标记，让细胞产生荧光素酶或者荧光蛋白。[/size][/font][align=center][font='宋体'][size=16px][b]都需要对细胞进行标记[/b][/size][/font][/align][table][tr][td][align=center][font='宋体'][size=16px]生物发光[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='宋体'][size=16px]荧光成像[/size][/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font='宋体'][size=14px]哺乳动物生物发光，一般是将 Firefly luciferase 基因（由 554 [/size][/font][font='宋体'][size=14px]个[/size][/font][font='宋体'][size=14px]氨基酸构成，约 50KD）即荧光素酶基因整合到预期观察的细胞染色体 DNA 上以表达荧光素酶，培养出能稳定表达荧光素酶的细胞株，当细胞分裂、转移、分化时, 荧光素酶也会得到持续稳定的表达。[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='宋体'][size=14px]通过将荧光蛋白基因[/size][/font][font='宋体'][size=14px]（例如绿色[/size][/font][font='宋体'][size=14px]荧光[/size][/font][font='宋体'][size=14px]蛋白，[/size][/font][font='宋体'][size=14px]由[/size][/font][font='宋体'][size=14px]约[/size][/font][font='宋体'][size=14px]238个氨基酸组成的蛋白质[/size][/font][font='宋体'][size=14px]）[/size][/font][font='宋体'][size=14px]整合到目标细胞染色体上以表达荧光蛋白，[/size][/font][font='宋体'][size=14px]培养出能稳定表达[/size][/font][font='宋体'][size=14px]荧光蛋白[/size][/font][font='宋体'][size=14px]的细胞株，当细胞分裂、转移、分化时, [/size][/font][font='宋体'][size=14px]荧光蛋白[/size][/font][font='宋体'][size=14px]也会得到持续稳定的表达。[/size][/font][/align][/td][/tr][/table][font=宋体][size=16px]到目前为止，相信大家对生物发光和荧光成像的区别已经很清楚了，但[/size][/font][font=&][size=16px]是[/size][/font][font=&][size=16px]肯定也会有更多的疑惑[/size][/font][font=&][size=16px]！[/size][/font][font=&][size=16px]例如科研工作者比较关心的问题[/size][/font][font=&][size=16px]：[/size][/font][font=&][size=16px][b]针对我的课题[/b][/size][/font][font=&][size=16px][b]，生物发光和荧光成像哪个好？什么情况下选择生物发光，什么情况下选择荧光成像。生物发光和荧光成像的应用范围有区别吗？[/b][/size][/font][font=&][size=16px]别急，我们下期再继续为大家解答更多关于活体[/size][/font][font=&][size=16px]光学[/size][/font][font=&][size=16px]成像技术的问题！！！欢迎对活体成像技术有疑问的老师和同学在评[/size][/font][font=&][size=16px]论区留言，共同学习，共同交流。[/size][/font]

利用现代生物学最新研究成果和研究模式，对生物及其生活环境中的元素和稳定同位素之间存在的对应关系进行总结和分析认为，生物因生理、地化环境、元素形态及其利用原则等内外因子而对其生活环境中的元素和稳定同位素存在不同程度的选择性吸收、利用和富集，具体的选择性利用机制均可以从生物的形态构造直至分子水平上加以解释。当环境中元素、同位素含量发生变化时，生物因其对各元素生态幅和耐受限度的差异而并不完全对环境中化学因子的变化产生一致性的响应，分别表现为时代效应、耐受限度效应和生态幅重叠等效应等。部分生物壳体“第二层”与其围岩碳、氧同位素比值及其变化趋势保持着较好的一致性。上述认识不同程度地在泥盆纪腕足类Rhynchospirifer属和Stringocephalus属为代表的生物壳体“第二层”及其围岩的研究中得到验证。[[img]http://www.instrument.com.cn/bbs/images/affix.gif[/img][url=http://www.instrument.com.cn/bbs/download.asp?ID=141288]生物对环境元素和稳定同位素的选择性及研究实例[/url]