Language
Country/Area
No result found
Nhìn thấy các quá trình năng động bên trong tế bào: Làm thế nào hình ảnh huỳnh quang có thể giúp chúng ta hiểu được biểu hiện gen?
Chụp ảnh huỳnh quang là một kỹ thuật chụp ảnh không xâm lấn giúp chúng ta hình dung các quá trình sinh học diễn ra trong các sinh vật sống. Kỹ thuật này sử dụng nhiều phương pháp khác nhau bao gồm kính hiển vi, đầu dò hình ảnh và quang phổ để tạo ra hình ảnh. Huỳnh quang về cơ bản là hiện tượng phát quang xảy ra khi một chất hấp thụ bức xạ điện từ và sau đó phát ra ánh sáng có bước sóng cụ thể. Các phân tử có khả năng phát ra ánh sáng được gọi là chất huỳnh quang. Chụp ảnh huỳnh quang sử dụng thuốc nhuộm huỳnh quang và protein huỳnh quang để đánh dấu cấu trúc và máy móc phân tử, cho phép quan sát thực nghiệm các quá trình động của biểu hiện gen, biểu hiện protein và tương tác phân tử.
Hình ảnh huỳnh quang cung cấp một công cụ định lượng chính xác cho các ứng dụng sinh hóa.
Người ta thường hiểu lầm giữa huỳnh quang và phát quang sinh học, sự khác biệt giữa hai hiện tượng này nằm ở quá trình protein tạo ra ánh sáng. Phát quang sinh học là một quá trình hóa học liên quan đến các enzyme phân hủy chất nền để tạo ra ánh sáng, trong khi huỳnh quang là sự kích thích vật lý của các electron sau đó trở về trạng thái cơ bản để giải phóng ánh sáng.
Cơ chế huỳnh quang
Khi một phân tử hấp thụ ánh sáng, năng lượng của phân tử sẽ tăng lên trạng thái kích thích cao hơn trong thời gian ngắn. Khi trở về trạng thái cơ bản, nó phát ra ánh sáng huỳnh quang, có thể được phát hiện và đo lường. Bước sóng riêng của ánh sáng phát ra phụ thuộc vào năng lượng của các photon bị hấp thụ, do đó bước sóng này cần phải được biết trước trong thí nghiệm để thiết bị đo có thể phát hiện chính xác sự phát ra ánh sáng.
Công thức xác định bước sóng phát xạ huỳnh quang là: Phát xạ λ = hc / Phát xạ năng lượng
Ở đây, h là hằng số Planck và c là tốc độ ánh sáng. Thông thường, một thiết bị quét lớn hoặc CCD được sử dụng để đo cường độ và số hóa hình ảnh.
Thuốc nhuộm huỳnh quang và proteinThuốc nhuộm huỳnh quang có độ ổn định quang học và độ sáng cao hơn và không cần thời gian trưởng thành so với protein huỳnh quang. Về độ sáng, hệ số tiêu quang (khả năng hấp thụ ánh sáng) và hiệu suất lượng tử (mức độ chuyển đổi ánh sáng hấp thụ thành ánh sáng huỳnh quang) của chất huỳnh quang có liên quan chặt chẽ với nhau. Bản thân thuốc nhuộm không có tính huỳnh quang cao, nhưng khi liên kết với protein, nó trở nên dễ phát hiện hơn. Ví dụ, NanoOrange có thể liên kết với lớp phủ và vùng kỵ nước của protein và không bị ảnh hưởng bởi chất khử.
Protein có thể tự phát huỳnh quang khi chúng hấp thụ ánh sáng chiếu tới có bước sóng cụ thể. Ví dụ, protein huỳnh quang xanh (GFP) phát ra ánh sáng xanh khi tiếp xúc với ánh sáng trong dải màu xanh lam đến cực tím. Protein huỳnh quang là phân tử báo cáo tuyệt vời giúp xác định vị trí protein, quan sát sự liên kết protein và định lượng biểu hiện gen.
Phạm vi hình ảnh
Vì một số bước sóng huỳnh quang nằm ngoài phạm vi mắt người nên CCD được sử dụng để phát hiện chính xác ánh sáng và tạo ra hình ảnh. Điều này thường được thực hiện trong phạm vi 300–800 nm. Một lợi thế của tín hiệu huỳnh quang là mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng phát ra và số lượng phân tử huỳnh quang hiện diện thường là tuyến tính, về cơ bản đòi hỏi cường độ ánh sáng tới và bước sóng phải không đổi. Hình ảnh cuối cùng thường được hiển thị ở định dạng dữ liệu 12 bit hoặc 16 bit.
Hệ thống hình ảnh
Các thành phần chính của hệ thống hình ảnh huỳnh quang bao gồm: nguồn kích thích (có thể tạo ra ánh sáng bước sóng rộng hoặc ánh sáng laser), quang học hiển thị ánh sáng (được sử dụng để chiếu sáng mẫu) và quang học thu thập ánh sáng (thường bao gồm thấu kính, gương và bộ lọc ). và các thiết bị phát hiện, khuếch đại và trực quan hóa (như ống nhân quang điện hoặc CCD).Ứng dụng
Hình ảnh huỳnh quang đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau, bao gồm:
- SYBR Green là thuốc nhuộm thông dụng được sử dụng để quan sát các dải DNA trong PCR (điện di trên gel agarose).
- Sử dụng hình ảnh huỳnh quang để hỗ trợ định hướng trong quá trình cấy ghép. Ví dụ, Indian Teal có thể được sử dụng ở bệnh nhân ung thư để phát hiện hạch bạch huyết. Trong chụp ảnh canxi, các phân tử huỳnh quang được sử dụng để theo dõi hoạt động của các tế bào sống trong hệ thần kinh.
Ưu điểm và nhược điểm
Mặc dù chụp ảnh huỳnh quang có một số ưu điểm như phẫu thuật không xâm lấn và độ nhạy cao, nhưng nó cũng có một số thách thức như tẩy trắng huỳnh quang, độ nhạy với môi trường và khả năng phân giải hạn chế.Hướng đi trong tương lai
Các nhà khoa học đang nỗ lực phát triển các protein huỳnh quang hiệu quả hơn để cải thiện hiệu suất của đầu dò hình ảnh. Thông qua các phương pháp như kỹ thuật di truyền và ổn định môi trường, công nghệ hình ảnh huỳnh quang trong tương lai dự kiến sẽ đạt được những đột phá ở nhiều khía cạnh.
Chụp ảnh huỳnh quang cung cấp nhiều cơ hội để khám phá những gì đang diễn ra bên trong tế bào, vậy những hiện tượng sinh học mới nào có thể được khám phá trong tương lai?
