十年发展：时间门控荧光成像技术突破与生物应用探索

时间门控荧光成像（Time-gated Fluorescence Imaging, TGFI）是一种先进的生物成像技术，在过去的十年里在生物医学领域获得了显著的关注。它利用快速发展的光源、图像设备以及各种时间门控实施策略，实现了从分子到组织的广泛应用。本文由Wenzhao Yang 和 Sung-Liang Chen两位作者撰写，他们分别来自上海交通大学-密歇根大学联合研究院和上海交通大学先进光学通信系统与网络国家重点实验室，探讨了TGFI技术的最新进展和生物应用。 主要的实现方法集中在光学切片器（optical choppers）和电子单元上，这些设备用于同步荧光激发和发射过程。时间门控的核心原理是通过选择性地让荧光信号中的快速衰减部分通过，抑制背景噪音和非特异性荧光，从而提高信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR），这对于低光强度和高背景条件下对微弱信号的检测至关重要。这种方法特别适用于动态活体成像、高分辨率成像以及在光毒性或荧光淬灭问题中的研究，例如荧光探针的寿命测定、细胞内钙离子浓度监测以及肿瘤等疾病的早期诊断。 TGFI的应用范围广泛，包括但不限于以下几点： 1. **生物分子研究**：TGFI能够区分不同荧光寿命的分子，这对于研究蛋白质相互作用、动态结构变化以及药物靶向效果等提供了精确的工具。 2. **细胞和组织成像**：在活体细胞或组织中，通过时间门控可以减少光毒性，允许长时间连续观察，这对于观察细胞周期、细胞运动和细胞间通讯具有重要意义。 3. **神经科学**：在神经元活动的实时追踪和神经递质释放的研究中，TGFI能提供更高的时间和空间分辨率。 4. **纳米技术与生物传感器**：结合纳米材料的TGFI技术可以开发出新型生物标记物，用于精准医疗和环境监测。 5. **疾病诊断**：在癌症和其他病理条件下，TGFI有助于识别异常荧光信号，如肿瘤微环境中的异常代谢和免疫反应。 为了构建适合特定应用的TGFI系统，研究人员应考虑光源的选择、门控设备的优化、数据处理算法的发展以及与特定生物学样本的兼容性。通过这些努力，时间门控荧光成像有望在未来继续推动生物医学研究的前沿，并在临床诊断和治疗中发挥更大的作用。