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发布日期:2025/7/4 22:15:00

生物发光与荧光:

如何为实验选择合适的检测方法?

从酶活性到基因表达,基于光的检测技术已成为生命科学研究的基石。其中,荧光与生物发光是检测和量化生物事件最常用的两种方法。二者虽都依赖光信号发射,但发光机制及对实验设计的实际影响却截然不同。

选择荧光还是生物发光检测并非简单的二选一。根据应用场景、仪器设备和生物系统的差异,每种方法各有优劣。本文将解析两者的工作原理、它们的优势所在(与不足之处)及选择考量因素。

1.发光原理:核心机制比较

荧光

荧光依赖外部光源(通常为激光或高强度灯)激发荧光团。受激发的荧光团吸收某一波长的光,并以更长波长发射光,通过滤光片分离激发光与发射光以实现信号检测。

尽管荧光技术通用性强,但外部照明的需求也带来挑战。细胞或培养基的自发荧光以及光散射会干扰检测,尤其在低丰度靶标或异质样本中更为明显。

该技术需复杂仪器支持。荧光读数仪或显微镜必须配备激发/发射滤光片、用于控制光路的光学组件,以及能够区分信号与背景的检测器。这类系统为多重检测和成像提供了灵活性,但其硬件需求会增加成本与操作复杂度。

点击了解更多荧光成像https://www.promega.com.cn/applications/imaging/fluorescence-microscopy/

点击了解更多生物发光成像https://www.promega.com.cn/resources/technologies/nanoluc-luciferase-enzyme/bioluminescence-imaging/

2.检测灵敏度对比

两种方法最显著的差异在于灵敏度——即区分目标信号与背景噪声的能力。

荧光检测能产生强信号(尤其使用高亮度荧光团或信号放大策略时),但高背景会降低有效灵敏度。细胞、培养基组分或耗材的自发荧光会干扰检测,且光漂白效应会随时间减弱信号强度(在活细胞或时程实验中尤为明显)。

这些因素使得荧光难以检测细微变化或低丰度靶标,尤其在背景信号难以避免的复杂生物系统中。

生物发光检测通常具有更高的信号背景比。由于信号由酶促反应产生,且多数生物系统缺乏内源性生物发光活性,背景干扰极低。这使得生物发光成为灵敏度优先应用场景(如长期追踪内源基因表达或监测活细胞信号通路)的理想选择。

最新研究佐证了这一优势。2023年发表于Biosensors(MDPI)的综述指出,生物发光系统在生物传感器应用中具有低背景和高动态范围的优势,特别适合低浓度分析物检测与实时动力学测量1。类似的,在活细胞环境中(尤其是需要从背景噪音中分辨微弱信号时),生物发光生物传感器的表现往往优于荧光版本2

3.应用场景

虽然两种技术均广泛应用于生物研究,但其特性决定了它们更适合不同类型的实验。选择常取决于对空间分辨率、时间控制及灵敏度的需求。

1

荧光技术

荧光方法在众多领域应用成熟。其时空分辨率优势使其成为成像实验的首选——从活细胞标记蛋白追踪到组织结构可视化。多重检测是另一项核心优势:通过荧光团与滤光片组合,研究者可同步监测同一样本中的多个靶标。

这些特性对流式细胞术和荧光显微镜等技术不可或缺。随着探针设计与仪器的进步,荧光应用边界不断拓展。例如基于荧光的活细胞成像技术可实时观测细胞事件,详情可参阅:活细胞成像资源中心

2

生物发光技术

生物发光检测更适合需要高灵敏度与低背景干扰的场景。由于信号由内部产生且无需外部照明,生物发光在活细胞检测和动态分析中表现卓越,尤其适用于低丰度靶标研究。

常见应用包括基因表达监测、蛋白质互作分析及时程性信号事件追踪。相较于荧光,生物发光的光毒性更低,更适合长时间活细胞实验。延伸应用可参考:发光检测资源中心

3

活细胞成像

活细胞成像技术使研究者能实时观测生物过程,而非依赖固定样本或终点检测。该技术可在保持细胞天然状态的同时获取基因表达、蛋白定位及细胞信号传导等动态事件数据。当与发光或荧光报告系统结合时,活细胞成像兼具空间与时间分辨率,可同时监测跨时间维度和不同细胞区室的变化。

生物发光成像的关键优势在于其信号具有固有稳定性和持续性——无需像荧光标记那样依赖外部激发。这不仅可直接可视化活细胞内的蛋白动态,避免了反复样本激发的需求。外部激发的缺失也降低了光毒性和光漂白风险——这些常见问题会随时间推移损害细胞活力和信号完整性。

活细胞成像为实时监测生物事件提供了一种高灵敏度、低背景的解决方案,特别适用于需要信号清晰且对细胞干扰最小的应用场景。像GloMax® Galaxy细胞成像仪这类设备——将生物发光、荧光和明场成像整合于单一平台——支持多种活细胞研究。这些在维持生理条件的活细胞系统中的研究包括:可视化蛋白质相互作用、监测蛋白质降解或靶标结合、追踪细胞信号动态等。

上图:使用NanoBRET® Nano-Glo® 检测系统检测蛋白质:小分子相互作用。视频在 GloMax® Galaxy 细胞成像仪上捕获。

4.选择考量

虽然像 GloMax® Galaxy 这样的仪器支持多种检测应用,但选择最佳检测方法需综合考虑信号强度与仪器配置等实际因素。在基于光的检测技术领域,没有绝对完美的解决方案——每种方法都具有独特优势,最终选择取决于您的具体实验需求。

当实验对灵敏度和低背景要求较高时(例如检测活细胞微弱信号或进行长期动态响应监测),生物发光通常是更优选择。由于不存在自发荧光和光漂白问题,使其在低丰度靶标检测和长周期动力学研究中表现尤为突出。

另一方面,在需要多重检测或高空间分辨率的实验中,荧光检测仍是首选技术。诸如流式细胞术和活细胞成像等应用,往往依赖于荧光探针的多功能性和卓越的成像能力。

仪器设备的选择是另一项关键考量因素。虽然前文已对比过荧光检测系统的复杂性和生物发光检测仪对灵敏度的严苛要求,但需要强调的是:平台兼容性、样品通量需求以及实验室现有操作流程,都会对检测方案的最终选择产生重要影响。

为便于直观对比,下表总结了两种检测方法的核心特征:

特性 荧光检测 生物发光检测
信号源 外部激发光 酶促反应(萤光素酶+底物)
背景信号 中至高(自发荧光/散射)
灵敏度 中至高
光漂白 存在
多重检测 支持  
设备需求 滤光片/激发光源 光度计
典型应用 成像/流式/多重检测 报告基因检测/活细胞动力学/低丰度靶标

5.结论

荧光与生物发光检测均为研究生物系统提供了强大的工具,但二者在不同应用场景中各具优势:

  • 荧光检测适用于需要空间分辨率的成像与多重检测;

  • 生物发光检测则以高灵敏度和低背景信号见长(尤其适合活细胞与低丰度实验)。

理解每种方法的原理与局限,有助于设计出结果更清晰、结论更可靠的实验。无论是显微观察还是实时基因表达监测,选择合适的检测方法都将事半功倍。

参考文献:

1.     Baader, W.J. et al. (2023). Biosensors, 13(4),452. 

https://www.mdpi.com/2079-6374/13/4/452 

2.     Matson, R.S. (2023). Methods in Molecular Biology. 

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36795370/ 

6.多功能检测平台

GloMax® Galaxy细胞成像仪集成了生物发光、荧光及明场成像功能,支持HiBiT、NanoBiT和NanoBRET等NanoLuc®萤光素酶检测技术,可实时研究蛋白定位、降解及互作。点击此处探索GloMax® Galaxy,开启多维检测视角。

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https://wechat.promega.com.cn/content/details37_6676.html

https://wechat.promega.com.cn/content/details37_6680.html

 

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