隨著科研水平的提高和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)生命科學(xué)領(lǐng)域的探索也在不斷深入。以前，人們依靠觀察固定的組織標(biāo)本，揭示了許多自然的奧秘，但是在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，科研人員希望在zui真實(shí)的條件下來觀察活體細(xì)胞，研究細(xì)胞表面和內(nèi)部的動(dòng)態(tài)變化，甚至觀察細(xì)胞內(nèi)單分子的運(yùn)動(dòng)情況。

全內(nèi)反射（total internal reflection）基本理論-Snells’ Law
全內(nèi)反射現(xiàn)象是生活中的一種常見現(xiàn)象，如右下圖所示 ，當(dāng)一束平面光波從折射率為n1的介質(zhì)進(jìn)入到折射率為n2的介質(zhì)中。入射光在兩介質(zhì)接觸面一部分發(fā)生反射，一部分發(fā)生折射。入射角θ1和透射角θ2之間滿足關(guān)系遵循Snells’ Law:

由Snells’ Law可知，若n1大于n2，由公式可以看出當(dāng)入射角增大時(shí)，透射角也增大。假設(shè)增大到臨界角θc時(shí)的透射角為90°。當(dāng)光線以大于或者等于臨界角θc入射時(shí)，入射光在界面處只發(fā)生反射而不再透射進(jìn)n2介質(zhì)，也就是發(fā)生了全反射。即 θ2=90° θc=sin-1(n2/n1)

由上式可知，當(dāng)n1大于n2時(shí)，全反射就可能發(fā)生。如果玻璃的折射率取為1.52，溶液的折射率取為1.33(生物細(xì)胞的折射率范圍是1.33～1.38)，則玻璃/界面處的臨界角為61.74°。即當(dāng)光線從玻璃中射入溶液中時(shí)，入射角大于61.74°時(shí)就會(huì)發(fā)生全反射。

消逝波（Evanescent wave）與全內(nèi)反射顯微鏡 （TIRFM）
從幾何光學(xué)的角度來看,當(dāng)發(fā)生全反射時(shí),光會(huì)在玻璃界面上*反射而不進(jìn)入液體溶液中。實(shí)際上,由于波動(dòng)效應(yīng),有一部分光的能量會(huì)穿過界面滲透到溶液中,平行于界面?zhèn)鞑?。這部分光就是所謂的隱失波。隱失波是一種非均勻波，它沿著入射面上的介質(zhì)邊界傳播，在平行界面方向以平行波場(chǎng)方式傳播而在垂直界面方向則是呈指數(shù)衰減。

全內(nèi)反射熒光顯微技術(shù)(TIRFM, Total Internal
Reflection Fluorecence Microscopy）又稱為消逝波顯微技術(shù)，是利用全內(nèi)反射產(chǎn)生的消逝波激發(fā)樣品，從而使樣品表面數(shù)百納米厚的薄層內(nèi)的熒光基團(tuán)受到激發(fā)，因此幾乎*排除了細(xì)胞體內(nèi)的自發(fā)熒光干擾。與傳統(tǒng)熒光照明技術(shù)相比，TIRFM技術(shù)極大的改善了圖像的信噪比從而可以觀察到樣品表面甚至單分子的活動(dòng)情況。

消逝波在生物成像應(yīng)用中具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)較低的光損傷  
較低的光損傷
較高的Z軸分辨率 (80-300 nm)
高信噪比
熒光高對(duì)比度 
對(duì)活細(xì)胞有較低的光漂白和光毒性
結(jié)合活細(xì)胞動(dòng)力學(xué)研究的方案

WF, CLSM, SDCM and TIRF技術(shù)在Z軸分辨率和獲取速度上的比較

該圖為寬場(chǎng)照明（wildfield，WF）成像與TIRF成像的效果對(duì)比。由于TIRF模
式下細(xì)胞只有很薄的緊貼培養(yǎng)皿底部的部分熒光物質(zhì)被激活，所以非常細(xì)小的結(jié)
構(gòu)（如actin）由于信噪比（S/N）增加而顯得特別清晰。

應(yīng)用篇

TIRFM在生物學(xué)研究中的應(yīng)用
1、膜相關(guān)的生物學(xué)研究
分子擴(kuò)散的研究 (如 Sytaxin蛋白的研究)
轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究
膜融合研究
細(xì)胞通訊研究
細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)研究
2、囊泡運(yùn)輸
運(yùn)輸過程的研究
分子定位研究
胞吞胞吐研究
3、單分子熒光檢測(cè)

TIRF應(yīng)用示例1：微管動(dòng)力學(xué)研究
生長(zhǎng)的微管末端是許多重要蛋白暫時(shí)結(jié)合的平臺(tái)，這些蛋白可以調(diào)節(jié)微管的動(dòng)態(tài)及細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)間的相互作用。末端結(jié)合蛋白（End-binding proteins (EBs)）可以自主的識(shí)別生長(zhǎng)的微管末端的一個(gè)擴(kuò)展區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)特性是未知的，然后末端結(jié)合蛋白再募集其他因子到這個(gè)動(dòng)態(tài)末端結(jié)構(gòu)上。 

TIRFM應(yīng)用示例2：膜融合變化（胞吐）
細(xì)胞也需要輸入和輸出大分子，它的大小不能直接通過孔或轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。在真核細(xì)胞中，該過程是分別通過胞吞（Endocytosis）和胞吐（Exocytosis）來實(shí)現(xiàn)的。

胞吞和胞吐都涉及到一種特殊的脂囊泡的形成。受體介導(dǎo)的胞吞開始是大分子與細(xì)胞的質(zhì)膜上的受體蛋白結(jié)合，然后膜凹陷，形成一個(gè)含有要輸入的大分子的脂囊泡，也稱為內(nèi)吞囊泡，出現(xiàn)在細(xì)胞內(nèi)。出現(xiàn)在胞內(nèi)的囊泡與胞內(nèi)體融合，然后再與溶酶體融合，胞吞的物質(zhì)被降解。在胞吐中，細(xì)胞分泌出的蛋白質(zhì)被包裹在囊泡內(nèi)，然后與質(zhì)膜融合，zui后將囊泡內(nèi)的包容物釋放到細(xì)胞外介質(zhì)中。無論是胞吞還是胞吐過程，都有非常關(guān)鍵的一部分過程是發(fā)生在細(xì)胞膜上的，如下圖所示神經(jīng)遞質(zhì)的釋放過程，突觸小泡到達(dá)細(xì)胞膜區(qū)域進(jìn)入消逝波范圍，通過胞吐作用釋放神經(jīng)遞質(zhì)到突觸后膜的過程可以完整的被記錄到。

膜融合反應(yīng)(胞吐)
- 囊泡研究關(guān)注質(zhì)膜融合過程 
- 胞吐過程非常迅速且信號(hào)微弱
- 高信噪比的TIRF技術(shù)成像可以捕捉該信號(hào)

該視頻顯示快速的膜融合過程，
在該反應(yīng)過程中可以觀察到許多囊泡破裂后快速的熒光增加過程，隨后是緩慢的擴(kuò)散。

TIRFM應(yīng)用示例3：?jiǎn)畏肿佣ㄎ怀直媛食上?/strong>
超分辨率成像能夠量化單分子在XY層面上達(dá)高于20nm的精度，下圖顯示神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞膜上單個(gè)蛋白分子的分布狀態(tài)。

Dr. Colin Rickman, Heriot-Watt University 

產(chǎn)品篇

系統(tǒng)核心優(yōu)勢(shì)一

Z-軸漂移補(bǔ)償系統(tǒng)(ZDC)：已經(jīng)升級(jí)至第三代
連續(xù)模式:獨(dú)立工作，與成像同步進(jìn)行(100Hz取樣率，每秒5次矯正)
高度:下至70納米
特殊偏移透鏡:同步Z-軸聚焦調(diào)節(jié)
高耐用度
                                        

系統(tǒng)核心優(yōu)勢(shì)二

微秒級(jí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制器(RTC)
高速(100µs) ，高精度(<2µs) ，系統(tǒng)全模塊并行實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制ODB (Olympus Data Bus)數(shù)據(jù)總線，便捷穩(wěn)定的通訊TTL數(shù)字信號(hào)同步輸出/輸入，可以方便搭載第三方產(chǎn)品可調(diào)模擬信號(hào)輸出

系統(tǒng)核心優(yōu)勢(shì)三

實(shí)驗(yàn)管理器(Experiment Manager)
基于實(shí)施控制系統(tǒng)（RTC）
圖像化編程
隨意創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)協(xié)議，直觀便捷自動(dòng)保存協(xié)議和數(shù)據(jù)

系統(tǒng)核心優(yōu)勢(shì)四

為什么在TIRF系統(tǒng)中，特別同步多色TIRF成像時(shí)，每個(gè)通道激光單獨(dú)引入？
在同樣的光學(xué)體系中，由于不同波長(zhǎng)的光發(fā)生全內(nèi)反射需要的臨界角不同，如果所有的激光采用單個(gè)通道引入，則會(huì)造成不同的激光產(chǎn)生的消逝波深度（ Penetration depth ）不同，如圖左側(cè)所示，405nm和640nm的激光產(chǎn)生的消逝波深度分別為132nm和83nm，無法保證TIRF觀察深度的一致性。

奧林巴斯Cell^TIRF系統(tǒng)，采用激光單獨(dú)引入，zui多四通道獨(dú)立控制，實(shí)線電動(dòng)同步，能保證不同的激光消逝波深度保持一致，實(shí)現(xiàn)了空間定位的一致性和高的Z軸分辨率；如圖右所示， 405nm和640nm的激光能夠各自調(diào)整到相應(yīng)的入射角度（67°和77°），保證TIRF觀察深度在83nm。

針對(duì)用戶的不同需求，OLYMPUS cell^TIRF有single line、2line、4line可供用戶選擇，通過不同的TIRF成像模式，均可以實(shí)現(xiàn)的TIRF成像。

系統(tǒng)核心優(yōu)勢(shì)五

OLYMPUS TIRF物鏡種類豐富，分辨率，放大率，可選擇性，！用戶可根據(jù)自己的需求選擇。

奧林巴斯全內(nèi)反射熒光顯微鏡(TIRF)系統(tǒng)外觀