荧光探针：让微观世界“闪闪发光”

在探索微观世界的漫长征程中，科学家曾长期在黑暗中摸索。那些微小的粒子、复杂的结构，如同隐藏在深处的宝藏，难以被发现和了解。而荧光探针的出现如同一盏明灯，照亮了微观世界……

来自大自然的启迪

在自然界中，有一些生物，例如水母、珊瑚、海葵等，可以在光的照射下发出彩色的荧光，这得益于它们体内存在的荧光蛋白。受到这个启发，科研人员研发出了荧光探针——一种具有发光本领的分子或材料，当它遇到目标物时，会发出特定的荧光信号。凭借这些荧光信号，科研人员就能够轻松地在复杂的微观体系中追踪和识别目标物，深入了解它们的变化规律。

荧光探针缘何发光？

那么，这些荧光信号是如何产生的呢？

当荧光探针吸收了特定波长的光（例如紫外线）后，因为获得了能量，其内部的电子会变得异常活跃，从低能量级跃迁到高能量级。但是，这种状态极不稳定，电子很快又会回到原来的低能量级。根据能量守恒定律，在这个过程中，能量没有消失，而是以光的形式释放出来，即荧光信号。这有点像给气球充气（吸收能量），然后松手（释放能量）。

每个荧光探针的分子都有特定的形状和组成。如果荧光探针分子结构简单，共轭体系小，它可能会发出蓝光（波长较短）；如果分子结构复杂，共轭体系大，它可能会发出红光（波长较长）。

因此，科研人员可以用荧光探针标记细胞膜上的蛋白质，观察这些蛋白质是如何在细胞膜上移动的，通过这种方式更好地理解细胞的生理功能。

荧光探针的构成

荧光探针主要由3个关键部分组成：荧光基团、识别基团、连接基团。

荧光基团：它是整个探针的“小太阳”，负责发出荧光信号。

识别基团：碰到目标物时，识别基团会与目标物进行特异性结合，如抗原-抗体相互作用、酶-底物特异性反应等，因此，它们会紧紧结合在一起。结合成功后，荧光基团周围的环境一旦发生变化，荧光信号就会跟着改变。

连接基团：它就像一座桥梁，将荧光基团和识别基团稳固地连在一起。

量子点+荧光探针

量子点是一种极为特殊的纳米材料，具有尺寸依赖的光学特性。科学家正是看中了量子点的这些特性，例如高亮度、可调发光颜色和高稳定性，将它作为荧光基团引入到荧光探针中，实现了二者的结合。

多种颜色标记：量子点使得荧光探针的发光颜色有20多种选择，范围从深紫色到近红外。科研人员可以选择不同颜色的量子点荧光探针，同时对复杂生物体系中的多种生物分子进行标记，例如在细胞成像中标记不同的蛋白质或细胞器，就好像给不同生物分子穿上了不同颜色的“衣服”，便于区分。

精确追踪：通过改变量子点的尺寸和组成，能精确调控荧光探针的发光颜色。量子点的光稳定性高，因此在生物体内可以更准确地、长时间追踪标记的生物分子的行为、位置变化等。

提升光利用效率：量子点荧光探针对光的吸收和发射效率高，将其应用在光电器件中，例如发光二极管（LED）和太阳能电池，能够显著提高这些器件的光利用效率——量子点LED的色域更广，显示效果更鲜艳；量子点太阳能电池的光电转换效率更高，性能更优异。

未来，荧光探针也许会和人工智能、纳米技术等深度融合，成为智能传感器的核心部件。而纳米级的荧光探针也会变得更加微小灵敏，深入生物体内更细微的地方进行检测和成像，为生命科学研究带来更多惊喜和突破。

知识链接

基团：有机物的独特“拼图”

基团是指有机物分子中，具有特定结构和性质的原子团或原子组合，它们是有机化学中非常重要的概念。

基团的结构十分独特，有特定的原子连接方式和空间构型。

以氨基酸为例，典型的氨基酸结构包括氨基（-NH2）、羧基（-COOH）和侧链（R基团）。其中，氮原子和两个氢原子通过共价键相连，氮原子上还有一对孤对电子。这对孤对电子使氨基具有了碱性，能够接受氢离子（H+），因此氨基能与酸反应生成盐。

同时，基团决定了有机物的主要化学性质。例如，碳碳双键（C=C）因为具有不饱和性，能发生加成（一种有机化学反应，发生在有双键或三键的物质中）、氧化等反应。含有碳碳双键的乙烯（C2H4）能与溴水发生加成反应，使溴水褪色。

在有机反应中，基团常常是反应的活跃区域，影响着反应的发生。

（责任编辑 / 牛一名  高琳  美术编辑 / 周游）