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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SRS 270

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