单分子全内反射荧光显微镜（Single-Molecule Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy，smTIRF）是一种高分辨率荧光显微镜技术，用于观察和分析单个分子或亚微米级粒子的运动、相互作用和行为。它利用全内反射现象，通过激发样品表面附近的荧光标记分子，以实现高灵敏度和高分辨率的图像采集。

原理

smTIRF显微镜基于全内反射原理工作。当光从高折射率介质（如玻璃或水）射入低折射率介质（如空气或细胞样品）时，在入射角大于临界角时，光将完全反射在界面上。这导致了一种被称为全内反射的现象。

smTIRF显微镜的工作原理包括以下步骤：

全内反射：光从显微镜的物镜透镜进入样品与载玻片之间的接触表面。当光的入射角大于临界角时，光在样品-载玻片界面上全内反射，产生一个被称为全内反射波的电磁场。

激发荧光标记分子：荧光标记的分子附着在样品表面上，与全内反射波的电场相互作用。这激发了荧光标记分子的荧光，使其发射光子。

荧光信号采集：smTIRF显微镜使用高灵敏度的探测器来捕捉从样品表面发射的荧光信号。由于只有非常接近表面的分子受到激发，所以只有极少数的分子被激发并发出荧光信号。

高分辨率成像：由于只有靠近表面的分子被激发，smTIRF显微镜提供了高分辨率的图像，仅显示与表面非常接近的分子。这使得能够观察和分析单个分子的运动和行为。

应用领域

smTIRF显微镜在生物学、生物医学研究和生物医学应用中发挥着重要作用，包括：

单分子生物学：smTIRF显微镜用于观察和分析单个生物分子，如蛋白质、DNA、RNA和分子复合物的相互作用、扩散、聚集和结构。

细胞生物学：用于研究细胞膜、受体、信号通路和细胞器的动态行为，以深入了解细胞的功能和机制。

药物筛选：smTIRF显微镜可用于药物靶点的筛选和药物-受体相互作用的研究，有助于药物研发和生物医学研究。

纳米颗粒和纳米材料：用于观察和分析纳米颗粒、纳米颗粒的运动和相互作用，有助于纳米技术和材料科学研究。

神经生物学：smTIRF显微镜可用于研究突触和神经元的活动，以深入了解神经信号传导和突触连接。

优势

smTIRF显微镜具有以下优势：

高分辨率：提供超分辨率成像，使观察单个分子或亚微米级颗粒成为可能。

非侵入性：测量过程不会破坏样品，适用于活细胞和生物分子的研究。

高灵敏度：能够检测极少数的荧光标记分子，对于低丰度分子的研究非常有用。

动态观察：可观察单个分子的运动和行为，提供有关分子动力学的信息。

多通道成像：可以同时观察多个通道的荧光标记，提供更多信息。

总结

单分子全内反射荧光显微镜是一种强大的工具，用于研究生物分子和纳米结构的高分辨率表征。它已经在多个领域产生深远的影响，使科研人员能够更深入地了解生命科学和材料科学中的微观世界。在未来，smTIRF显微镜技术将继续为科学研究和生物医学应用提供更多的突破和创新。