JPhys Photonics编辑优选：圆扫描FCS实现稀疏和异质体系分子动力学测量
文章介绍
Lan Yu（于岚）, Xiaoman Dong（董小曼）, Weihui Zeng（曾维慧）, Cuiping Yao（姚翠萍） and Peng Gao（郜鹏）
通讯作者：
- 郜鹏，西安电子科技大学物理学院
- 姚翠萍，西安交通大学生命科学与技术学院，
研究背景：
生物大分子在细胞内的扩散、运输与相互作用是生命活动的基础，定量测量其动力学参数（如扩散系数）对于理解信号转导、代谢调控及疾病机制至关重要。荧光相关光谱（FCS）作为一种高灵敏度的分子动力学测量技术，通过探测荧光强度涨落并利用自相关分析定量获取目标分子的动力学参数，已成为生命科学研究的重要工具。然而，将FCS应用于活细胞内大分子测量面临两大挑战：其一，细胞是高度空间异质的体系，线粒体、内质网、质膜等不同空间区域的分子动力学呈现显著异质性，传统单点FCS无法同时获取不同空间位置的异质信息；其二，细胞内生物大分子常呈稀疏分布，而传统单点FCS有效观测体积仅约0.5 fL，难以对低浓度分子进行采样以获得可靠的自相关曲线。现有扫描FCS技术虽能扩展空间覆盖范围，但时间分辨率仅为毫秒级，且传统线扫描方式存在回程时间误差，难以准确捕捉亚毫秒尺度的快速扩散过程。因此，亟需发展一种兼具高时间分辨率、大观测体积和空间分辨能力的FCS测量方法，以满足细胞内稀疏和异质体系中分子动力学的高效准确测量需求。
研究内容：
本文提出圆扫描荧光相关光谱（CS-FCS）方法，通过高速圆扫描模式采集荧光涨落数据，并将时间分辨率提升至0.1 ms，较线扫描FCS提高5~10倍；其空间测量范围相较于单点FCS增大6倍。该方法采用全局与逐像素自相关分析，全局自相关适用于低浓度稀疏样品；逐像素自相关分析可获取不同亚细胞位置的异质动力学信息，无需多次测量即可同时量化多区域分子扩散行为。CS-FCS在保留单分子测量灵敏度的同时，兼具高时间分辨率、大观测体积和空间分辨能力，为复杂生物体系的动态测量提供了一种高效工具。
图1 CS-FCS 原理示意图
利用CS-FCS对水中荧光纳米颗粒的进行了测量，全局自相关分析表明直径为40 nm和100 nm颗粒的扩散系数分别为11.1 ± 0.8 μm²/s和6.4 ± 0.4 μm²/s，如图2所示，与单点FCS和线扫描FCS的测量结果一致，验证了CS-FCS方法的测量准确性。
图2 CS-FCS技术测量荧光纳米微球在PBS中的扩散系数
图3展示了CS-FCS与单点FCS在测量稀疏纳米颗粒上的对比，相同测量时间内，单点FCS的焦点不能有效触及待测微粒，无法获得可靠的自相关曲线。然而，CS-FCS因观测体积增大，可采集足够有效信号从而准确获取扩散系数，证明了其在稀疏样品测量中的优势。
图3 CS-FCS与SP-FCS测量稀疏样品的比较
图4展示了CS-FCS对PBS、胃液和肠液中稀疏生物颗粒动力学进行了测量。结果表明：PBS中扩散最快，胃液次之，肠液最慢，反映了三种介质的黏度依次升高，证实了CS-FCS在复杂生物流体中测量稀疏颗粒动力学的可行性。
图4 CS-FCS测量稀疏生物颗粒在生物流体中的扩散
图5展示了CS-FCS测量同时获取细胞膜、线粒体膜和内质网上尼罗红的扩散系数，分别为0.17 ± 0.01、0.19 ± 0.02和0.21 ± 0.01 μm²/s，反映了各细胞器膜中的微环境如脂质/胆固醇比例的差异，证明该方法可同步解析多细胞器异质动力学。
图5 CS-FCS同时测量尼罗红在多个细胞器膜上的扩散
上述实验表明CS-FCS可准确测量分子及纳米颗粒动力学，并实现了对活细胞内多细胞器区域动力学分布的定量解析，为生物医学研究中分子动态的高通量、原位监测提供了高效测量工具。
作者介绍
于岚 助理教授
西安交通大学
- 于岚，西安交通大学助理教授，主要研究方向为荧光相关光谱技术，生物大分子及纳米颗粒动力学测量，共聚焦显微成像。主持中国博士后面上资助等项目；以第一或者共一作者身份在Photonics Research、ACS Photonics等国际期刊发表学术论文5篇，获全国光学与光学工程博士学术联赛百强等奖项。
姚翠萍 教授
西安交通大学
- 姚翠萍，西安交通大学教授、博士生导师，中国光学学会生物医学光子学专业委员会常委，陕西省医学会激光医学分会委员，陕西省光学学会理事会理事。主持国家自然科学基金项目6项，其他项目8项。2024年获中国光学工程学会“西部科技创新成果展优秀成果”奖。在Optics Letters, Optics Express, Journal of Biomedical Optics等期刊发表论文90余篇，以第一发明人获授权国家发明专利6项。参与译著三本，参编教材五部。
郜鹏 教授
西安电子科技大学
- 郜鹏，西安电子科技大学教授、博士生导师，2011年入选“中科院百篇优秀博士论文”，2012年德国“洪堡学者”，2014年欧盟“玛丽·居里学者”（IEF），2018年入选国家级青年人才。主要研究方向为超分辨光学显微与定量相位显微。在Nature Photonics、Advances in Optics and Photonics等期刊发表论文100余篇，授权发明专利10项（产业转化5项），撰写学术专著1部。现任西安市超分辨光学显微工程研究中心主任，Light: Adv. Manuf.等期刊副编辑。
期刊介绍
- 2025年影响因子：4.7 Citescore: 7.3
- JPhys Photonics（JPPHOTON）是一本新出版的开放获取期刊，面向物理学中应用于光子学各个领域的高质量研究。期刊包含光子学研究中最重要和最激动人心的进展，着重关注跨学科和多学科的研究。涵盖领域包括：生物光子学和生物医学光学；能源和绿色技术应用，包括光伏；成像、检测和传感；光物质相互作用；光源，包括激光器和LED；纳米光子学；非线性和超快光学；光通信和光纤；光数据存储；光电子学、集成光学和半导体光子学；光子材料、超材料和工程结构；等离子体技术；传播，相互作用和行为；量子光子学和光学等。