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1 新型荧光蛋白标记技术&张智红 骆清铭1

1.1 引言3

1.2 荧光蛋白及其突变体4

1.2.1 色彩斑斓的荧光蛋白4

1.2.2 大斯托克斯位移荧光蛋白8

1.2.3 光激活与光转换荧光蛋白9

1.2.4 光敏感荧光蛋白10

1.2.5 计时荧光蛋白11

1.3 报告型荧光蛋白探针12

1.3.1 活细胞内的蛋白质示踪12

1.3.2 活细胞内基因表达的监控15

1.3.3 光转换和光激活荧光蛋白探针的生物学应用16

1.4 功能型荧光蛋白探针18

1.4.1 氧化还原型探针18

1.4.2 ATP荧光蛋白探针21

1.4.3 pH探针22

1.4.4 电压敏感性探针24

1.4.5 钙探针26

1.4.6 汞离子探针29

1.4.7 铜离子探针29

1.4.8 锌离子探针30

1.5 荧光共振能量转移型探针31

1.5.1 荧光共振能量转移（FRET）简介31

1.5.2 FRET成像技术在细胞生物学研究中的应用33

1.5.3 分子内FRET探针34

1.5.4 分子间FRET探针38

1.6 基于荧光蛋白的双分子荧光互补技术40

1.6.1 双分子荧光互补检测方法的建立40

1.6.2 双分子荧光互补技术的特点42

1.6.3 双分子荧光互补技术的应用44

1.6.4 基于荧光的蛋白相互作用研究方法的量化检测45

1.6.5 双分子荧光互补技术的限制因素46

1.6.6 BiFC的发展与应用展望46

1.7 荧光蛋白标记在活体肿瘤光学成像中的应用47

1.7.1 基于内源性荧光蛋白标记的活体肿瘤光学成像47

1.7.2 基于荧光蛋白的靶向性探针用于活体肿瘤光学成像54

1.7.3 展望58

1.8 荧光蛋白转基因小鼠在活体免疫光学成像中的应用58

1.8.1 荧光蛋白标记的转基因动物模型58

1.8.2 荧光蛋白标记的病原微生物在感染免疫成像中的应用63

参考文献68

2 双光子分子探针&李昱 董小虎 刘志洪 秦金贵95

2.1 双光子吸收概论97

2.1.1 双光子吸收效应的基本概念97

2.1.2 双光子吸收效应的测试方法99

2.1.3 双光子吸收效应的应用简介102

2.2 有机双光子吸收材料的分子设计与结构类型106

2.2.1 一维不对称偶极D-π-A结构的分子106

2.2.2 一维对称结构的双光子吸收分子109

2.2.3 卟啉及类卟啉等二维平面型双光子吸收化合物114

2.2.4 多维枝型双光子吸收化合物118

2.3 双光子分子探针的研究进展121

2.3.1 荧光探针的识别机理122

2.3.2 用于双光子成像的传统荧光探针123

2.3.3 常用于双光子荧光探针的荧光团125

2.3.4 双光子荧光探针的研究进展127

2.3.5 双光子分子探针研究展望165

参考文献167

3 光调控神经环路&刘楠177

3.1 光遗传学技术180

3.1.1 光遗传学技术的历史181

3.1.2 光遗传学技术的优势182

3.1.3 光敏感蛋白183

3.2 光遗传学技术研究的步骤190

3.2.1 细胞特异性标记方法190

3.2.2 病毒转染194

3.2.3 构建光神经界面196

3.2.4 光刺激参数选择198

3.2.5 电生理记录及行为学200

3.3 光分子探针解读神经环路的工作机制202

3.3.1 光遗传学技术对神经环路信息编码机制的研究202

3.3.2 光分子探针技术推动脑连接组学研究发展207

3.4 光分子探针探究神经环路如何调控认知与行为208

3.4.1 运动208

3.4.2 感觉212

3.4.3 记忆215

3.4.4 情感219

3.4.5 犒赏220

3.5 光分子探针定位神经环路异常与疾病的关系222

3.5.1 中枢神经系统疾病222

3.5.2 光遗传学技术在外周神经系统、心血管系统、细胞生物学及模式动物研究中的应用224

3.6 用于神经科学的光学探针技术232

3.6.1 光学探针技术232

3.6.2 用于光遗传学技术的探针——光电极阵列234

3.6.3 用于实验和临床的光遗传学装置237

参考文献238

4 拉曼成像及其生物医学应用&陈涛 黄岩谊249

4.1 引言251

4.1.1 拉曼散射的发现与发展251

4.1.2 作为分子检测手段的拉曼散射253

4.1.3 相干拉曼散射在分子成像中的应用254

4.2 拉曼散射基本原理255

4.2.1 光散射过程的一般概念255

4.2.2 拉曼散射原理256

4.3 拉曼光谱仪260

4.3.1 光源260

4.3.2 激发和采集261

4.3.3 分光单元262

4.3.4 光谱记录262

4.4 拉曼成像263

4.5 相干拉曼散射264

4.5.1 相干拉曼散射原理265

4.5.2 应用于显微术的CARS与SRS270

4.5.3 CRS显微术的发展274

4.5.4 CRS研究实例277

4.5.5 拉曼诱导克尔效应（Raman-induced Kerr effect,RIKE）279

4.5.6 相干拉曼成像面临的挑战和展望280

4.6 拉曼成像总结281

参考文献282

5 超分辨定位成像&黄振立 王伊娜 龙帆 胡哲 赵泽宇287

5.1 引言289

5.1.1 光学显微镜的分辨率极限289

5.1.2 超分辨定位成像简介292

5.2 超分辨定位成像中的荧光探针294

5.2.1 简介294

5.2.2 单分子发光的控制298

5.2.3 荧光探针的选取299

5.3 超分辨定位成像的方法和装置302

5.3.1 超分辨定位成像方法302

5.3.2 超分辨定位显微镜的基本装置304

5.3.3 超分辨定位显微镜的高级装置309

5.4 超分辨定位成像中的图像处理311

5.4.1 空间分辨率的决定因素311

5.4.2 单分子定位方法313

5.4.3 图像处理317

5.5 超分辨定位成像的应用319

5.5.1 二维成像319

5.5.2 三维成像320

5.6 结论与展望321

参考文献322

6 光声分子（功能）成像&邢达 杨思华329

6.1 引言331

6.2 光声成像原理、算法及系统334

6.2.1 光声成像原理334

6.2.2 光声信号的激发334

6.2.3 光声扫描方式及其成像算法341

6.2.4 光声成像系统346

6.2.5 涉及的特殊问题359

6.3 国内外状况363

6.3.1 国外研究现状363

6.3.2 国内研究现状371

6.4 应用发展趋势383

6.4.1 光声微循环成像及肿瘤早期检测和治疗监控的应用研究384

6.4.2 活体光声血液功能参数（血氧及碳氧饱和度）检测的应用研究390

6.4.3 血管内易损斑块的光声组分识别与成像的应用研究392

6.4.4 热声成像低密度异物检测的应用研究395

6.4.5 热声成像在乳腺癌检测中的应用研究397

参考文献399

7 活体小动物光学分子成像&邓勇 杨孝全 骆清铭409

7.1 光在生物组织中的传输模型411

7.1.1 引言411

7.1.2 光子输运方程412

7.1.3 光子输运方程的扩散近似方法416

7.1.4 光子输运方程的蒙特卡罗方法422

7.2 扩散光学断层成像439

7.2.1 引言439

7.2.2 扩散光学断层成像模式440

7.2.3 扩散光学断层图像重建方法443

7.2.4 在生物医学研究中的实际应用460

7.3 小动物活体光学分子成像462

7.3.1 引言462

7.3.2 平面式荧光分子成像463

7.3.3 荧光分子断层成像468

7.3.4 生物发光断层成像476

7.4 多模式小动物活体分子成像480

7.4.1 引言480

7.4.2 多模式分子成像系统481

7.4.3 基于多模式的光学分子图像重建和多模式图像融合485

7.4.4 在生物医学研究中的应用497

参考文献502

索引517