單分子全內反射熒光顯微鏡（Single-Molecule Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy，smTIRF）是一種高分辨率熒光顯微鏡技術，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。它利用全內反射現象，通過激發樣品表面附近的熒光標記分子，以實現高靈敏度和高分辨率的圖像采集。

原理

smTIRF顯微鏡基于全內反射原理工作。當光從高折射率介質（如玻璃或水）射入低折射率介質（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反射的現象。

smTIRF顯微鏡的工作原理包括以下步驟：

全內反射：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-載玻片界面上全內反射，產生一個被稱為全內反射波的電磁場。

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

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射的熒光信號。由于只有非常接近表面的分子受到激發，所以只有極少數的分子被激發并發出熒光信號。

高分辨率成像：由于只有靠近表面的分子被激發，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、生物醫學研究和生物醫學應用中發揮著重要作用，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、DNA、RNA和分子復合物的相互作用、擴散、聚集和結構。

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，有助于藥物研發和生物醫學研究。

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，有助于納米技術和材料科學研究。

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

優勢

smTIRF顯微鏡具有以下優勢：

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：能夠檢測極少數的熒光標記分子，對于低豐度分子的研究非常有用。

動態觀察：可觀察單個分子的運動和行為，提供有關分子動力學的信息。

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

單分子全內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構的高分辨率表征。它已經在多個領域產生深遠的影響，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顯微鏡技術將繼續為科學研究和生物醫學應用提供更多的突破和創新。