基于非线性光学频率上转换原理的飞秒时间分辨荧光显微成像技术及应用

生物组织内蛋白质等大分子复杂结构的运动和变化体现着生物体重要的生命功能。目前的时间和频率分辨激光光谱学技术提供了生物分子的结构-功能关系的大量信息，但在皮秒和飞秒时域内的超快动力学过程、生物学功能以及显微成像方面还有待进一步的深入研究。本课题充分利用国家重点实验室的飞秒激光光谱技术，采用宽带非线性光学频率上转换和全光收集高灵敏多通道单光子计数探测手段，组建世界上首台具有100飞秒时间分辨率的荧光光谱显微成像系统,实时测量细胞内线粒体复合物I结合NADH和血红蛋白等分子的飞秒荧光特性﹑变化和分布，研究细胞组织活动过程中生物大分子以及复合物的空间结构与功能的关系；探索细胞体内水分子与生物分子之间相互作用机制，以及生物分子内部能量传递、电荷转移和构型折叠变化的动力学过程。此系统可用于实时灵敏探测细胞组织内生物分子与生化或药物分子的超快相互作用, 为现代生物、医学光子学的发展提供强大的推动力。

蛋白质折叠问题被列为“21世纪的生物物理学”的重大课题，国际生物物理会议的专题讨论中有一半以上涉及蛋白质的结构与功能，而“结构与功能”又强调“动力学（Dynamics），即动态的结构或结构的运动与蛋白质分子功能的关系。本项目致力于并且构建完成了国内领先的具有飞秒时间分辨的上转换荧光光谱测量实验系统，研究了多种生物分子的飞秒时间尺度内的瞬态结构功能变化；构建完成了结合共聚焦显微镜技术的荧光寿命成像实验系统；将表面增强技术和超灵敏光谱技术应用到生物样品瞬态特性的研究，我们解决了一系列理论和实验的难点。已经发表和待发表学术文章13篇，包括JPCL,JACS各一篇，申请专利4项，培养博士生8名，参加国际会议4次，主办国际会议两次。