生物光學(xué)標(biāo)記是指用具有光學(xué)特性的標(biāo)記物對生物分子進(jìn)行標(biāo)記，從而達(dá)到檢測和識別的目的。根據(jù)應(yīng)用光學(xué)特性的不同，通常可分為熒光分子標(biāo)記、熒光蛋白標(biāo)記、生物發(fā)光標(biāo)記、化學(xué)發(fā)光標(biāo)記等。根據(jù)標(biāo)記目的，包括生物分子標(biāo)記、生化標(biāo)記、細(xì)胞學(xué)標(biāo)記、形態(tài)標(biāo)記等。

生命分子的探測、生命過程的觀察、特定生物組織的識別通常因其微觀性和隱蔽性而難以直接觀察，甚至超出儀器的檢測范圍。它可以“脫穎而出"并借助相應(yīng)儀器進(jìn)行檢測。

對目前檢測方法可以檢測到的特定生物分子、細(xì)胞或組織進(jìn)行標(biāo)記并檢測分子和納米顆粒，然后通過檢測分子/顆粒的數(shù)量和分布來獲取特定分子、細(xì)胞或組織的特征，進(jìn)而獲得某些區(qū)域以及細(xì)胞或生物體內(nèi)分子、生化、生理指標(biāo)的反應(yīng)和信號。這種標(biāo)記過程通常稱為生物標(biāo)記。生物光學(xué)標(biāo)記是指用具有光學(xué)特性的標(biāo)記物對生物分子進(jìn)行標(biāo)記，從而達(dá)到檢測和識別的目的。根據(jù)應(yīng)用光學(xué)特性的不同，通常可分為熒光分子標(biāo)記、熒光蛋白標(biāo)記、生物發(fā)光標(biāo)記、化學(xué)發(fā)光標(biāo)記、根據(jù)標(biāo)記目的，包括生物分子標(biāo)記、生化標(biāo)記、細(xì)胞學(xué)標(biāo)記、形態(tài)學(xué)標(biāo)記等。

生物光學(xué)標(biāo)記物，由于采用光學(xué)方法，借助成熟的光學(xué)高靈敏度檢測儀器，可以實(shí)現(xiàn)高對比度、高分辨率、高靈敏度、高信噪比，方便快捷地進(jìn)行檢測。選擇作為主要生物標(biāo)志物方式。特別是熒光蛋白發(fā)現(xiàn)后，生物光學(xué)標(biāo)記得到了快速的應(yīng)用發(fā)展。 Osamu Shimomura、Martin Charfie 和 Roger Tsien 因其對綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)和研究而獲得 2008 年諾貝爾化學(xué)獎。生物光學(xué)標(biāo)簽現(xiàn)在廣泛用作生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中的示蹤劑。

生物光學(xué)標(biāo)記研究和應(yīng)用的歷史
在生物研究中，科學(xué)家經(jīng)常使用發(fā)出熒光的熒光分子作為生物標(biāo)記。通過將這種熒光分子化學(xué)連接到其他不可見的分子上，以前不可見的部分變得可見。生物學(xué)家一直在使用這種標(biāo)記方法將原本透明的細(xì)胞或細(xì)胞器“拉"出暗顯微鏡視野。

傳統(tǒng)熒光分子發(fā)光時會產(chǎn)生有毒的氧自由基，導(dǎo)致觀察到的細(xì)胞死亡，這就是“光毒性"。因此，在綠色熒光蛋白發(fā)現(xiàn)之前，科學(xué)家只能通過熒光標(biāo)記的方式進(jìn)行研究。死細(xì)胞的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，或者其毒性作用不得不暫時忽略，而活細(xì)胞只能觀察很短的時間，而熒光蛋白的光毒性很弱，非常適合標(biāo)記各種活細(xì)胞。

1962 年，這種熒光蛋白在一種名為維多利亞多管發(fā)光水母的水母中被發(fā)現(xiàn)。其基因產(chǎn)生的蛋白質(zhì)在受到藍(lán)色波長光激發(fā)時會發(fā)出綠色熒光。發(fā)光過程還需要發(fā)光蛋白水母發(fā)光蛋白的幫助，而這種蛋白還需要與鈣離子（Ca）相互作用。

GFP 的光毒性非常弱，非常適合標(biāo)記活細(xì)胞。然而，從綠色熒光蛋白被發(fā)現(xiàn)到用于標(biāo)記生物樣品，卻花了20多年的時間。 1993年，Martin Schalfi通過基因重組成功使水母以外的其他生物（如大腸桿菌等）產(chǎn)生綠色熒光蛋白。他不僅證實(shí)了綠色熒光蛋白與生物體的相容性，而且建立了利用綠色熒光蛋白研究基因表達(dá)的基本方法，而現(xiàn)代許多重大疾病都與基因表達(dá)異常有關(guān)。

后來，美籍華人錢永健系統(tǒng)地研究了綠色熒光蛋白的工作原理，并對其進(jìn)行了大刀闊斧的化學(xué)改造，不僅大大增強(qiáng)了其發(fā)光效率，而且開發(fā)出了紅色、藍(lán)色、黃色熒光蛋白。 ，使熒光蛋白真正成為生物學(xué)家根據(jù)需要進(jìn)行選擇的工具箱。生物實(shí)驗(yàn)室常用的熒光蛋白大多是錢永健修飾的變體。

有了這些熒光蛋白，利用光學(xué)儀器，科學(xué)家們似乎在細(xì)胞中安裝了“燈塔"，讓它們能夠?qū)崟r監(jiān)測各種生命過程。通過沙爾菲的基因克隆思想，科學(xué)家迄今已培育出熒光小鼠和熒光豬。
此外，除了上述熒光分子和熒光蛋白標(biāo)記外，2000年以來，隨著生物納米技術(shù)的發(fā)展，一些新型的、生物相容性的光學(xué)納米標(biāo)記也得到了研究和開發(fā)，如上轉(zhuǎn)換納米粒子、量子點(diǎn)等。 、長延時熒光粒子等都已被研究和利用。它被用作細(xì)胞和活體的生物標(biāo)記，作為生物光學(xué)成像“傳感"的有力的工具。

生物光學(xué)標(biāo)記的類型和應(yīng)用
熒光分子/納米顆粒標(biāo)記
熒光分子包括有機(jī)試劑或金屬螯合物；熒光納米粒子包括上轉(zhuǎn)換、量子點(diǎn)等，在紫外-可見-近紅外區(qū)域具有較強(qiáng)的特征熒光。用這種分子/納米顆粒標(biāo)記細(xì)胞和活體后，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)示蹤檢測，或者激發(fā)和發(fā)射波長、強(qiáng)度、壽命和偏振等熒光特性可以隨著極性、折射率等環(huán)境特性的變化而敏感地改變、粘度和生物檢測可以利用這一特性進(jìn)行。熒光分子/納米顆粒標(biāo)記設(shè)計(jì)靈活，應(yīng)用方便。

生物發(fā)光標(biāo)記
生物發(fā)光標(biāo)記是利用熒光素酶（Luciferase）基因來標(biāo)記細(xì)胞或DNA的生物標(biāo)記方法。標(biāo)記后，細(xì)胞合成熒光素酶，然后添加外源熒光素酶。下面，熒光素氧化后發(fā)光。該方法使研究人員能夠直接監(jiān)測生物體中的細(xì)胞活動和基因行為。通過該系統(tǒng)，可以觀察活體動物中腫瘤生長和轉(zhuǎn)移、傳染病的發(fā)展以及特定基因的表達(dá)等生物過程。由于其操作極其簡單、結(jié)果直觀、靈敏度高，已廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究和藥物開發(fā)。

熒光蛋白標(biāo)記熒光蛋白
后將基因片段與目的基因連接，轉(zhuǎn)染細(xì)胞，正常表達(dá)后，可在激發(fā)光下用熒光顯微鏡、流式細(xì)胞儀或激光共聚焦顯微鏡觀察檢測。熒光蛋白包括綠色熒光蛋白(GFP)、紅色熒光蛋白(RFP)、藍(lán)色熒光蛋白(BFP)和黃色熒光蛋白(YFP)。它對活細(xì)胞無害，并且可以長時間觀察。因此被廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)基因動物、融合標(biāo)記、基因治療、活細(xì)胞中蛋白質(zhì)功能定位和遷移變化、病原菌侵入活細(xì)胞的分子過程等研究。熒光蛋白作為新一代基因轉(zhuǎn)移報(bào)告基因和/或定位標(biāo)記在生命科學(xué)研究中受到越來越多的關(guān)注

化學(xué)發(fā)光標(biāo)記
將可發(fā)光的化合物附著到待檢測分子（蛋白質(zhì)、核酸等）上的方法。也可以連接半抗原（如生物素等），然后與酶標(biāo)抗半抗原抗體或親和素結(jié)合，與半抗原上的酶標(biāo)抗體或親和素結(jié)合。可以催化化學(xué)發(fā)光底物發(fā)生化學(xué)變化而發(fā)光。例如，抗體分子用吖啶酯標(biāo)記，被觸發(fā)器激活后發(fā)光，用于檢測固相抗原。