熒光探針：讓微觀世界“閃閃發(fā)光”

在探索微觀世界的漫長征程中，科學(xué)家曾長期在黑暗中摸索。那些微小的粒子、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如同隱藏在深處的寶藏，難以被發(fā)現(xiàn)和了解。而熒光探針的出現(xiàn)如同一盞明燈，照亮了微觀世界……

來自大自然的啟迪

在自然界中，有一些生物，例如水母、珊瑚、海葵等，可以在光的照射下發(fā)出彩色的熒光，這得益于它們體內(nèi)存在的熒光蛋白。受到這個啟發(fā)，科研人員研發(fā)出了熒光探針——一種具有發(fā)光本領(lǐng)的分子或材料，當(dāng)它遇到目標(biāo)物時，會發(fā)出特定的熒光信號。憑借這些熒光信號，科研人員就能夠輕松地在復(fù)雜的微觀體系中追蹤和識別目標(biāo)物，深入了解它們的變化規(guī)律。

熒光探針緣何發(fā)光？

那么，這些熒光信號是如何產(chǎn)生的呢？

當(dāng)熒光探針吸收了特定波長的光（例如紫外線）后，因為獲得了能量，其內(nèi)部的電子會變得異常活躍，從低能量級躍遷到高能量級。但是，這種狀態(tài)極不穩(wěn)定，電子很快又會回到原來的低能量級。根據(jù)能量守恒定律，在這個過程中，能量沒有消失，而是以光的形式釋放出來，即熒光信號。這有點像給氣球充氣（吸收能量），然后松手（釋放能量）。

每個熒光探針的分子都有特定的形狀和組成。如果熒光探針分子結(jié)構(gòu)簡單，共軛體系小，它可能會發(fā)出藍(lán)光（波長較短）；如果分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，共軛體系大，它可能會發(fā)出紅光（波長較長）。

因此，科研人員可以用熒光探針標(biāo)記細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)，觀察這些蛋白質(zhì)是如何在細(xì)胞膜上移動的，通過這種方式更好地理解細(xì)胞的生理功能。

熒光探針的構(gòu)成

熒光探針主要由3個關(guān)鍵部分組成：熒光基團(tuán)、識別基團(tuán)、連接基團(tuán)。

熒光基團(tuán)：它是整個探針的“小太陽”，負(fù)責(zé)發(fā)出熒光信號。

識別基團(tuán)：碰到目標(biāo)物時，識別基團(tuán)會與目標(biāo)物進(jìn)行特異性結(jié)合，如抗原-抗體相互作用、酶-底物特異性反應(yīng)等，因此，它們會緊緊結(jié)合在一起。結(jié)合成功后，熒光基團(tuán)周圍的環(huán)境一旦發(fā)生變化，熒光信號就會跟著改變。

連接基團(tuán)：它就像一座橋梁，將熒光基團(tuán)和識別基團(tuán)穩(wěn)固地連在一起。

量子點+熒光探針

量子點是一種極為特殊的納米材料，具有尺寸依賴的光學(xué)特性。科學(xué)家正是看中了量子點的這些特性，例如高亮度、可調(diào)發(fā)光顏色和高穩(wěn)定性，將它作為熒光基團(tuán)引入到熒光探針中，實現(xiàn)了二者的結(jié)合。

多種顏色標(biāo)記：量子點使得熒光探針的發(fā)光顏色有20多種選擇，范圍從深紫色到近紅外。科研人員可以選擇不同顏色的量子點熒光探針，同時對復(fù)雜生物體系中的多種生物分子進(jìn)行標(biāo)記，例如在細(xì)胞成像中標(biāo)記不同的蛋白質(zhì)或細(xì)胞器，就好像給不同生物分子穿上了不同顏色的“衣服”，便于區(qū)分。

精確追蹤：通過改變量子點的尺寸和組成，能精確調(diào)控?zé)晒馓结樀陌l(fā)光顏色。量子點的光穩(wěn)定性高，因此在生物體內(nèi)可以更準(zhǔn)確地、長時間追蹤標(biāo)記的生物分子的行為、位置變化等。

提升光利用效率：量子點熒光探針對光的吸收和發(fā)射效率高，將其應(yīng)用在光電器件中，例如發(fā)光二極管（LED）和太陽能電池，能夠顯著提高這些器件的光利用效率——量子點LED的色域更廣，顯示效果更鮮艷；量子點太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率更高，性能更優(yōu)異。

未來，熒光探針也許會和人工智能、納米技術(shù)等深度融合，成為智能傳感器的核心部件。而納米級的熒光探針也會變得更加微小靈敏，深入生物體內(nèi)更細(xì)微的地方進(jìn)行檢測和成像，為生命科學(xué)研究帶來更多驚喜和突破。

知識鏈接

基團(tuán)：有機(jī)物的獨特“拼圖”

基團(tuán)是指有機(jī)物分子中，具有特定結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的原子團(tuán)或原子組合，它們是有機(jī)化學(xué)中非常重要的概念。

基團(tuán)的結(jié)構(gòu)十分獨特，有特定的原子連接方式和空間構(gòu)型。

以氨基酸為例，典型的氨基酸結(jié)構(gòu)包括氨基（-NH2）、羧基（-COOH）和側(cè)鏈（R基團(tuán)）。其中，氮原子和兩個氫原子通過共價鍵相連，氮原子上還有一對孤對電子。這對孤對電子使氨基具有了堿性，能夠接受氫離子（H+），因此氨基能與酸反應(yīng)生成鹽。

同時，基團(tuán)決定了有機(jī)物的主要化學(xué)性質(zhì)。例如，碳碳雙鍵（C=C）因為具有不飽和性，能發(fā)生加成（一種有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生在有雙鍵或三鍵的物質(zhì)中）、氧化等反應(yīng)。含有碳碳雙鍵的乙烯（C2H4）能與溴水發(fā)生加成反應(yīng)，使溴水褪色。

在有機(jī)反應(yīng)中，基團(tuán)常常是反應(yīng)的活躍區(qū)域，影響著反應(yīng)的發(fā)生。

（責(zé)任編輯 / 牛一名" 高琳" 美術(shù)編輯 / 周游）