综述：荧光寿命显微成像——技术和应用

在生物体中，细胞内的细胞间质及体液成分构成了细胞生存的微环境。稳定的微环境是保持细胞的正常增殖、分化、代谢以及其他功能活动最为重要的条件，细胞内或细胞间的信息传递也离不开其所处的环境。

此外，在一些疾病的治疗中，药物分子与病变组织分子间相互作用，也会改变其微环境，可通过研究细胞或组织的微环境来评价药物治疗效果。

因此，对细胞微环境的高分辨率、高灵敏度探测成为了生物医学的重要研究课题。

图源：中科院长春光机所，Light学术出版中心，新媒体工作组

光学显微技术可以将微米甚至纳米量级的微小物质及结构展现在我们面前，是我们打开微观世界大门，观察细胞组织和生物微环境的钥匙。

若成像基于荧光发光团的荧光强度进行数据分析，则可称之为荧光强度显微技术。此类显微技术通过显微镜的目镜收集样品各个位置的荧光强度，便可以得到生物组织的形貌，具有较髙成像空间分辨率，但受荧光团浓度的影响，其测量精度和定量分析能力都不理想。

幸运的是，在种类繁多的显微技术中，荧光寿命显微成像技术（FLIM）具有对生物大分子结构、动力学信息和分子环境等进行高分辨高精度测量的能力，因此其重要性日渐提升，被广泛地应用于生物学研究及临床诊断等领域。

近期，美国莫格里奇研究所的Melissa C.Skala【⏬拓展链接】课题组在Journal of Biomedical Optics发表了题为“Fluorescence lifetime imaging microscopy: fundamentals and advances in instrumentation, analysis, and applications”的综述文章，详细介绍了FLIM的发展，总结了时域、频域两类荧光寿命探测方案，考察了对细胞异质性测量的图像算法，最后列举了FLIM在生物医学上的实际应用。文章证实了FLIM在细胞微环境观测领域的适用性，可被应用于疾病控制和药物疗效的监测。

荧光寿命

分子包含多个能态S0、S1、S2和三重态T1，每个能态都包含多个精细的能级。正常情况下，大部分电子处在最低能态即基态S0的最低能级上，当分子被光束照射，会吸收光子能量，电子被激发到更高的能态S1或S2上，在S2能态上的电子只能存在很短暂的时间，便会通过内转换过程跃迁到S1上，而S1能态上的电子亦会在极短时间内跃迁到S1的最低能级上，而这些电子会存在一段时间后通过震荡弛豫辐射跃迁到基态，这个过程会释放一个光子，即荧光。