了解复杂且快速变化的细胞动力学是深入探索生物进程的重要一步。因此，现代生命科学研究越来越需要关注于在分子水平上实时发生的生理事件。

观察和分析活细胞时面临的挑战

在固定细胞或组织中，获取样品“分子状态”的信息已是一项艰巨的任务。如果需要获取实时信息，就必须尽可能在实验过程中保证细胞自然地运行生理机制，因此将加大实验的困难程度。此外，由于很多生理过程的持续时间仅有几秒甚至几毫秒（例如细胞内离子水平的变化），必须在相对较短的时间内采集大量信息。

满足这些挑战性需求的一种方法是采用被统称为活细胞成像的光学技术。活细胞成像可研究活细胞中的实时动态生理过程，而非提供细胞当前状态的一幅“快照”。它把快照转变成了电影。活细胞成像可提供单个细胞、细胞内网络（原位）甚至整个生物体（体内）中动态发生分子事件的空间和时间信息。这些特性让活细胞成像成为了研究细胞生物学、癌症、发育生物学和神经科学中动态生理过程的必要技术。

近年来，电子学、光学和生物化学的迅速发展，使得科学家们更轻松的实现活细胞成像。如今的活细胞成像方法使用优化的显微镜、专用光源、高速相机、高灵敏度探测器和特异性的荧光标记物，可同时提供技术成熟且仍具有创新性的全套解决方案，满足在分子水平上对单细胞或整个细胞网络进行实时研究的挑战性需求。

活细胞成像中的常见问题

活细胞成像通常适用于培养的细胞系（例如HEK细胞、HeLa细胞）、原代细胞（例如皮肤细胞、神经细胞）、急性制备的组织切片（例如脑切片）或整个器官或生物体。因为细胞被带出其原本“自然”的培养环境并会受到光毒性的影响，所以在实验过程中的首要任务是保持细胞的健康状态。

光毒性

使用荧光染料进行活细胞成像的另一个问题是：激光或高强度电弧放电灯的入射光会损害细胞，即所谓的光毒性。光毒性主要在合成荧光染料被激发时发生。荧光染料被激发后，它们将与分子氧发生反应并产生自由基。为避免光毒性，必须选择尽可能低的光强度和尽可能短的激发持续时间，以将入射高能光剂量保持在尽可能低的水平。在实验设计过程中，还必须考虑实验的持续时间。长时间实验中，通常不需要高帧速率。因此，图像采集的周期频率通常可以从例如每秒10多帧降低到每秒1帧甚至更低。这将显著降低样品上的入射光剂量，从而大幅降低光毒性。

对于低强度荧光信号成像，可以考虑更改图像采集条件设置，比如在大多数情况下，通过将相机功能用作像素合并或提高增益，甚至使用特殊的高灵敏度相机（例如EM-CCD相机）进行成像。这样可以在不增加激发持续时间或光强度的情况下实现更好的信噪比和信号质量，而这两者都会导致更高的光毒性。此外，选择具有长激发波长的荧光基团也可降低光毒性，因为与具有短激发波长的荧光基团相比，传递给样品的能量更低。荧光蛋白（例如绿色荧光蛋白(GFP)）的光敏位点位于被多肽包膜覆盖的蛋白质内部，因此通常没有光毒性

焦面漂移

此外，在长时间的活细胞成像实验中，很可能发生焦面漂移的问题，可以使用配备有软件或硬件控制自动对焦的成像仪器来避免这种情况。

用于活细胞成像的方法

可应用于活细胞成像的宽场和共聚焦显微技术的范围也非常广泛。通常，使用复式显微镜和反差对比方法（例如相差和微分干涉相差（DIC）），随时间观察细胞的生长、聚集或运动过程。此外，通常使用体视显微镜或宏观镜对大型标本（例如发育中的斑马鱼胚胎）进行延时成像。在过去数十年中，先进荧光技术变得越来越重要。共聚焦显微镜应用的迅速增加，使生物研究的视角从平面向三维立体转变。