什么是生物光学标记？

生物光学标记是指用具有光学特性的标记物对生物分子进行标记，从而达到检测和识别的目的。根据应用光学特性的不同，通常可分为荧光分子标记、荧光蛋白标记、生物发光标记、化学发光标记等。根据标记目的，包括生物分子标记、生化标记、细胞学标记、形态标记等。

生命分子的探测、生命过程的观察、特定生物组织的识别通常因其微观性和隐蔽性而难以直接观察，甚至超出仪器的检测范围。它可以“脱颖而出”并借助相应仪器进行检测。

对目前检测方法可以检测到的特定生物分子、细胞或组织进行标记并检测分子和纳米颗粒，然后通过检测分子/颗粒的数量和分布来获取特定分子、细胞或组织的特征，进而获得某些区域以及细胞或生物体内分子、生化、生理指标的反应和信号。这种标记过程通常称为生物标记。生物光学标记是指用具有光学特性的标记物对生物分子进行标记，从而达到检测和识别的目的。根据应用光学特性的不同，通常可分为荧光分子标记、荧光蛋白标记、生物发光标记、化学发光标记、根据标记目的，包括生物分子标记、生化标记、细胞学标记、形态学标记等。

生物光学标记物，由于采用光学方法，借助成熟的光学高灵敏度检测仪器，可以实现高对比度、高分辨率、高灵敏度、高信噪比，方便快捷地进行检测。选择作为主要生物标志物方式。特别是荧光蛋白发现后，生物光学标记得到了快速的应用发展。 Osamu Shimomura、Martin Charfie 和 Roger Tsien 因其对绿色荧光蛋白的发现和研究而获得 2008 年诺贝尔化学奖。生物光学标签现在广泛用作生命科学和医学研究中的示踪剂。

生物光学标记研究和应用的历史
在生物研究中，科学家经常使用发出荧光的荧光分子作为生物标记。通过将这种荧光分子化学连接到其他不可见的分子上，以前不可见的部分变得可见。生物学家一直在使用这种标记方法将原本透明的细胞或细胞器“拉”出暗显微镜视野。

传统荧光分子发光时会产生有毒的氧自由基，导致观察到的细胞死亡，这就是“光毒性”。因此，在绿色荧光蛋白发现之前，科学家只能通过荧光标记的方式进行研究。死细胞的静态结构，或者其毒性作用不得不暂时忽略，而活细胞只能观察很短的时间，而荧光蛋白的光毒性很弱，非常适合标记各种活细胞。

1962 年，这种荧光蛋白在一种名为维多利亚多管发光水母的水母中被发现。其基因产生的蛋白质在受到蓝色波长光激发时会发出绿色荧光。发光过程还需要发光蛋白水母发光蛋白的帮助，而这种蛋白还需要与钙离子（Ca）相互作用。

GFP 的光毒性非常弱，非常适合标记活细胞。然而，从绿色荧光蛋白被发现到用于标记生物样品，却花了20多年的时间。 1993年，Martin Schalfi通过基因重组成功使水母以外的其他生物（如大肠杆菌等）产生绿色荧光蛋白。他不仅证实了绿色荧光蛋白与生物体的相容性，而且建立了利用绿色荧光蛋白研究基因表达的基本方法，而现代许多重大疾病都与基因表达异常有关。

后来，美籍华人钱永健系统地研究了绿色荧光蛋白的工作原理，并对其进行了大刀阔斧的化学改造，不仅大大增强了其发光效率，而且开发出了红色、蓝色、黄色荧光蛋白。 ，使荧光蛋白真正成为生物学家根据需要进行选择的工具箱。生物实验室常用的荧光蛋白大多是钱永健修饰的变体。

有了这些荧光蛋白，利用光学仪器，科学家们似乎在细胞中安装了“灯塔”，让它们能够实时监测各种生命过程。通过沙尔菲的基因克隆思想，科学家迄今已培育出荧光小鼠和荧光猪。
此外，除了上述荧光分子和荧光蛋白标记外，2000年以来，随着生物纳米技术的发展，一些新型的、生物相容性的光学纳米标记也得到了研究和开发，如上转换纳米粒子、量子点等。 、长延时荧光粒子等都已被研究和利用。它被用作细胞和活体的生物标记，作为生物光学成像“传感”的有力的工具。

生物光学标记的类型和应用
荧光分子/纳米颗粒标记
荧光分子包括有机试剂或金属螯合物；荧光纳米粒子包括上转换、量子点等，在紫外-可见-近红外区域具有较强的特征荧光。用这种分子/纳米颗粒标记细胞和活体后，可以实现光学示踪检测，或者激发和发射波长、强度、寿命和偏振等荧光特性可以随着极性、折射率等环境特性的变化而敏感地改变、粘度和生物检测可以利用这一特性进行。荧光分子/纳米颗粒标记设计灵活，应用方便。

生物发光标记
生物发光标记是利用荧光素酶（Luciferase）基因来标记细胞或DNA的生物标记方法。标记后，细胞合成荧光素酶，然后添加外源荧光素酶。下面，荧光素氧化后发光。该方法使研究人员能够直接监测生物体中的细胞活动和基因行为。通过该系统，可以观察活体动物中肿瘤生长和转移、传染病的发展以及特定基因的表达等生物过程。由于其操作极其简单、结果直观、灵敏度高，已广泛应用于生命科学、医学研究和药物开发。

荧光蛋白标记荧光蛋白
后将基因片段与目的基因连接，转染细胞，正常表达后，可在激发光下用荧光显微镜、流式细胞仪或激光共聚焦显微镜观察检测。荧光蛋白包括绿色荧光蛋白(GFP)、红色荧光蛋白(RFP)、蓝色荧光蛋白(BFP)和黄色荧光蛋白(YFP)。它对活细胞无害，并且可以长时间观察。因此被广泛应用于转基因动物、融合标记、基因治疗、活细胞中蛋白质功能定位和迁移变化、病原菌侵入活细胞的分子过程等研究。荧光蛋白作为新一代基因转移报告基因和/或定位标记在生命科学研究中受到越来越多的关注

化学发光标记
将可发光的化合物附着到待检测分子（蛋白质、核酸等）上的方法。也可以连接半抗原（如生物素等），然后与酶标抗半抗原抗体或亲和素结合，与半抗原上的酶标抗体或亲和素结合。可以催化化学发光底物发生化学变化而发光。例如，抗体分子用吖啶酯标记，被触发器激活后发光，用于检测固相抗原。