熒光和量子點(diǎn)的基本原理和發(fā)展歷史

 
在您的科研生涯的某個(gè)時(shí)候，都有可能會(huì )用到熒光顯微鏡。這種無(wú)處不在的技術(shù)改變了顯微鏡學(xué)家對研究對象進(jìn)行成像、標記和追蹤的方式，不論是整個(gè)生物體，還是單個(gè)蛋白質(zhì)等等。
通過(guò)本文，我們將探討什么是“熒光"，包括其定義背后的歷史和基礎物理原理，綠色熒光蛋白（GFP）的發(fā)現和應用，并展望量子點(diǎn)等熒光探針不斷擴大的應用領(lǐng)域。


我們如何定義“熒光"？
在任何搜索引擎中輸入“熒光的定義"，你會(huì )得到以下語(yǔ)句，或者非常相似的內容；
“由較短波長(cháng)的入射輻射，如X射線(xiàn)或紫外線(xiàn)，某些物質(zhì)會(huì )發(fā)出可見(jiàn)或不可見(jiàn)的輻射。"
這個(gè)定義與熒光顯微鏡（圖1）有何關(guān)聯(lián)呢？“波長(cháng)較短的入射輻射"只是用來(lái)“激發(fā)"樣品發(fā)射熒光的光源。這種光線(xiàn)包括可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)（UV）和紅外線(xiàn)（IR），顯微鏡的光源可以是汞或氙弧光燈，也可以是激光。熒光基團（即上述定義中的“某些物質(zhì)"）是具有特殊性質(zhì)的化合物，它們在較短波長(cháng)光線(xiàn)的激發(fā)下，可以再次發(fā)射較高波長(cháng)的光線(xiàn)/光子。

 
圖1：熒光顯微鏡下顯示的熒光標記細胞。
波長(cháng)的基本單位是米，“波長(cháng)"定義為光波的兩個(gè)連續波峰或波谷之間的距離。波長(cháng)的符號是希臘字母λ(l)。顯微鏡使用的波長(cháng)通常以納米（nm）為單位，可見(jiàn)光譜段在400至700納米之間，紫外光譜段在400納米以下，紅外光譜段從700納米開(kāi)始（圖2）。

 
圖2：可見(jiàn)光光譜
熒光基團按其激發(fā)和發(fā)射波長(cháng)分類(lèi)，通常以圖形的形式顯示最大波峰。熒光基團在所謂的“基態(tài)"中自然穩定。它們吸收到（來(lái)自“較短波長(cháng)"入射光的）光子時(shí)，光子的能量將熒光基團的電子提升到更高能量的“激發(fā)"狀態(tài)。被激發(fā)的電子不會(huì )保持在這種狀態(tài)，而會(huì )失去振動(dòng)能量，并在返回基態(tài)時(shí)發(fā)射出一個(gè)較長(cháng)波長(cháng)的光子。對于顯微鏡使用熒光基團，從激發(fā)到返回基態(tài)的一個(gè)完整周期需要0.5到20納秒。
熒光基團的激發(fā)和發(fā)射波長(cháng)通?？s寫(xiě)為希臘字母lambda，加上下標“ex"（激發(fā)）或“em"（發(fā)射；即lex或lem）。
每個(gè)熒光基團都有一個(gè)不同的最大激發(fā)和發(fā)射譜段，這一特性用來(lái)區分同一樣品中的不同標靶。例如，使用熒光染色劑DAPI(4',6-二脒基-2-苯基吲哚）高亮顯示細胞中的核蛋白，同時(shí)使用熒光標記的鬼筆環(huán)肽來(lái)高亮顯示肌動(dòng)蛋白細胞骨架。
熒光的雅布隆斯基圖
波蘭物理學(xué)家亞歷山大·雅布隆斯基（Aleksander Jablonski，1898-1980）首先用三能級能量圖描述了基態(tài)/激發(fā)/發(fā)射之間的循環(huán)，因此稱(chēng)為“雅布隆斯基圖"。  1930年，他憑借題為《關(guān)于激發(fā)光波長(cháng)變化對熒光光譜的影響》的論文獲得華沙大學(xué)博士學(xué)位。1933年，他在《自然》雜志上發(fā)表了自己的論文（《染料中反斯托克斯熒光的效率》"），其中含有雅布隆斯基圖。這種簡(jiǎn)單而有效的示意圖清晰表現出熒光基團從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的激發(fā)行為，然后在發(fā)射較長(cháng)波長(cháng)光子后回到基態(tài)（圖3）。

 
圖3：熒光雅布隆斯基圖。熒光基團會(huì )吸收光子。光子的能量將熒光基團的電子提升到更高能量的“激發(fā)"狀態(tài)。隨后，激發(fā)的電子失去振動(dòng)能量，并在返回基態(tài)時(shí)發(fā)射一個(gè)較長(cháng)波長(cháng)的光子。
 
雖然圖3是簡(jiǎn)化版的雅布隆斯基圖，但應該可以注意到，熒光基團可以存在多個(gè)不同的激發(fā)和發(fā)射狀態(tài)。此外，熒光基團可以通過(guò)不同的弛豫狀態(tài)返回基態(tài)，這些弛豫狀態(tài)被稱(chēng)為“三重態(tài)"，具體取決于分子的電子自旋。
斯托克斯位移
喬治·加布里埃爾·斯托克斯爵士（1819-1903）是愛(ài)爾蘭數學(xué)家和物理學(xué)家，他一生中在光學(xué)和光線(xiàn)領(lǐng)域頗有建樹(shù)。1849年他受命擔任劍橋彭布羅克學(xué)院的盧卡斯數學(xué)教授，并一直擔任該職務(wù)，直到1903年離開(kāi)。他寫(xiě)了一篇文筆優(yōu)美的描述性論文，發(fā)表于1852年，名為《論光的折射性的變化》[1]。他在論文中使用的語(yǔ)言不同于我們在現代科學(xué)文獻中使用的語(yǔ)言。以下是斯托克斯爵士所用精彩語(yǔ)言的兩段簡(jiǎn)短摘錄；
“去年深秋，雖然因為節氣遲來(lái)，觀(guān)察機會(huì )不多，我從不同渠道得知，之前提到過(guò)的那種具有高內色散性的黃色玻璃采用氧化鈾染色。"
以及：
“看到試管在浸入不可見(jiàn)光線(xiàn)的瞬間點(diǎn)亮，這當然是一個(gè)奇怪的景象：那實(shí)際上是可見(jiàn)的黑暗?？偟膩?lái)說(shuō)，這種現象有點(diǎn)不可思議。"
“斯托克斯位移"這詞就是為了紀念這位科學(xué)家。當激發(fā)的電子回到基態(tài)并發(fā)出光子時(shí)，其波長(cháng)始終大于激發(fā)熒光基團的入射光線(xiàn)的波長(cháng)。這是由于光的特性，即波長(cháng)與輻射能量成反比。斯托克斯位移描述了熒光基團的峰值激發(fā)波長(cháng)和峰值發(fā)射波長(cháng)之間的差值（以納米為單位）（圖4）。

 
圖4：斯托克斯位移發(fā)射光的波長(cháng)始終大于用來(lái)激發(fā)熒光基團的光線(xiàn)波長(cháng)。
增加斯托克斯位移，熒光基團的激發(fā)光和發(fā)射光之間區別就越明顯。熒光基團的電子排布和分子結構令其在斯托克斯位移方面有著(zhù)*的性質(zhì)。
綠色熒光蛋白的發(fā)現與應用
斯托克斯爵士首先使用“熒光"這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述他觀(guān)察到的現象，但其發(fā)現可以追溯到1565年。來(lái)自西班牙的醫生兼植物學(xué)家尼古拉斯·莫納德斯（Nicolas Monardes）描述了一種墨西哥樹(shù)（Lignum nephriticum），其木頭被注入了奇怪的藍色。盡管有這些早期的觀(guān)察，但直到約400年后，人們才在活體組織中找到一種綠色熒光物質(zhì)。1955年，Davenport和Nicol發(fā)表論文[2]，描述了一種在稱(chēng)為水螅水母（Hydromedusae）的水母亞綱生物的嗜酸性粒細胞中找到的發(fā)光組織。當時(shí)，兩位論文作者并沒(méi)有意識到這些嗜酸性粒細胞含有綠色熒光蛋白（GFP）。
直到1962年，下村脩（Osamu Shimomura，出生于1928）發(fā)表了一篇論文[3]，認定這種發(fā)光成分是一種蛋白質(zhì)。通過(guò)與他在普林斯頓大學(xué)的老師（弗蘭克·*教授）合作，他們從生物發(fā)光水母Aequorea Victoria（維多利亞多管發(fā)光水母）身上收集到樣本。他們用一種*的方法從水母中分離出熒光蛋白，即通過(guò)棉布袋擠壓分離的生物發(fā)光組織，產(chǎn)生一種被下村稱(chēng)為“擠壓物"的溶液。
1994年，哥倫比亞大學(xué)的馬丁·查爾菲（Martin Chalfie，出生于1947年）教授發(fā)表論文，證明了基因編碼GFP可以在原核細胞和真核細胞（即大腸桿菌和秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)的神經(jīng)元）中實(shí)現功能表達[4]。該論文寫(xiě)道“由于這種熒光不需要外源底物和輔助因子，GFP表達可以用于監測生物體內的基因表達和蛋白質(zhì)定位。"正是這篇文章的發(fā)表為GFP在生物學(xué)研究中的廣泛應用鋪平了道路。

 
圖5：線(xiàn)蟲(chóng)，GFP在神經(jīng)系統中的表達。
一年后，一直在研究野生型GFP突變體的加州大學(xué)圣迭戈分校教授錢(qián)永?。?952-2016）在《自然》的科學(xué)通訊上發(fā)表了自己的論文[5]。錢(qián)教授和他的同事發(fā)現，他們選擇的一個(gè)單點(diǎn)突變（S65T）具有最長(cháng)的激發(fā)和發(fā)射波長(cháng)(490/510nm)，這令它更具有光穩定性，并帶來(lái)大家都知道的GFP激發(fā)/發(fā)射峰。
2008年，下村脩、錢(qián)永健和查爾菲因在GFP的發(fā)現和應用方面發(fā)揮的重要作用共同獲得諾貝爾化學(xué)獎。下村脩在他的諾貝爾演講中表示，“當我在1979年發(fā)現GFP的發(fā)色團時(shí)，我認為自己已經(jīng)完成了所有研究工作，因而決定終止我在GFP方面的工作，以便集中精力研究生物發(fā)光"。他接著(zhù)承認，“GFP是一種美麗的蛋白質(zhì)，但在發(fā)現之后的30年中，它依然百無(wú)一用。"
自從錢(qián)永健發(fā)現GFP的應用之后，他的實(shí)驗室已經(jīng)設計出多種GFP變體，涵蓋了大部分的可見(jiàn)光譜，并*改變了光學(xué)顯微鏡和成像領(lǐng)域。得益于這種基因工程，GFP的色彩范圍從光譜的藍色譜段（EBFP；380/460納米）到光譜的黃色譜段（YFP；514/527納米）。
報告基因和探針
除了成像領(lǐng)域，熒光團可以作為研究細胞和生物體中基因表達的“報告基因"。熒光素酶以及基因編碼GFP，就是檢查細胞是否表達特定基因的常用報告基因。生物體或細胞被基因改造的病毒DNA或質(zhì)粒轉染，當目標基因獲得表達時(shí)，這些質(zhì)粒會(huì )發(fā)出熒光。細胞內部的相關(guān)細胞器或位點(diǎn)可以在受轉染的細胞中進(jìn)行觀(guān)察和檢查。
利用熒光基團標記（或“標注"）的抗體通常稱(chēng)為“熒光探針"。在GFP和其他熒光基團得到廣泛應用之前，兩種常用的熒光基團標記抗體是FITC（異硫氰酸熒光素）和TRITC（異硫氰酸四甲基羅丹明）。盡管FITC和TRITC仍在使用，但該領(lǐng)域已取得重大進(jìn)展，至少可以說(shuō)，熒光基團和探針的選擇非常廣泛。
當然，如今實(shí)驗室中使用最為廣泛的熒光基團之一是“Alexa Fluor"染色劑。目前Alexa Fluor染色劑的可用色彩范圍已超越可見(jiàn)光譜，其中激發(fā)波長(cháng)范圍可達346至784納米。
量子點(diǎn)
1981年，俄羅斯科學(xué)家阿列克謝·?；颍ˋlexey Ekimov）在圣彼得堡瓦維洛夫國立光學(xué)研究所工作時(shí)，第一次在玻璃基質(zhì)中發(fā)現了量子點(diǎn)。然而，在新澤西州AT&T貝爾實(shí)驗室從事半導體工作的路易斯·布魯斯（Louis Brus）首先發(fā)現了量子點(diǎn)膠體溶液。他現在是哥倫比亞大學(xué)化學(xué)系教授。在1983年和1984年發(fā)表的兩篇論文中，布魯斯將量子點(diǎn)描述為“小型半導體微晶"。
量子點(diǎn)有著(zhù)奇特的行為方式，盡管它們包含100到10萬(wàn)個(gè)原子，但它們表現出的性質(zhì)就像它們由單個(gè)原子組成一樣。當然，它們確實(shí)符合熒光基團的性質(zhì)，即它們可以吸收光能并激發(fā)，然后在返回基態(tài)時(shí)釋放光子。不過(guò)，量子點(diǎn)發(fā)射光線(xiàn)的波長(cháng)取決于量子點(diǎn)的大小，即量子點(diǎn)越小，發(fā)射波長(cháng)就越短。這種特性是因為較小的量子點(diǎn)具有較大的“最小帶隙"。這正是激發(fā)電子到更高能態(tài)所需的能量。由于較小的量子點(diǎn)需要更多的激發(fā)能量，它們隨后會(huì )發(fā)射較短波長(cháng)的光（波長(cháng)與激發(fā)能量成反比）。
大約20年后，即2002年，加州量子點(diǎn)公司的生命科學(xué)研究人員實(shí)現了量子點(diǎn)的商用開(kāi)發(fā)。
量子點(diǎn)是一種非常明亮且穩定的熒光工具。研究表明，量子點(diǎn)的的亮度比傳統熒光基團高幾個(gè)數量級，盡管與有機染料相比，量子點(diǎn)的明亮程度存在一些差異[6]。就光穩定性而言，量子點(diǎn)的穩定性是傳統熒光基團的100倍，在一項活體成像研究中，量子點(diǎn)的熒光持續時(shí)間長(cháng)達4個(gè)月[7]。
在傳統熒光探針中，一個(gè)或多個(gè)熒光基團可以附著(zhù)在單個(gè)相關(guān)抗體上。然而，由于量子點(diǎn)的表面積非常大，許多分子和抗體可以附著(zhù)在單個(gè)量子點(diǎn)上，這會(huì )帶來(lái)許多優(yōu)點(diǎn)，包括熒光信號放大。量子點(diǎn)的使用也為多重分析提供了優(yōu)勢，可以在檢測中同時(shí)對各種波長(cháng)進(jìn)行成像。在這種分析中，變量是研究者選擇的量子點(diǎn)大?。ㄒ虼税l(fā)射波長(cháng)）?？梢允褂冒坠馔瑫r(shí)激發(fā)大范圍的量子點(diǎn)，這樣就可以避免使用多道激光和多次調整來(lái)形成最終影像。