曾經(jīng)有這樣一個(gè)傳言，“中國(guó)的萬里長(zhǎng)城是太空中能看到的地球上唯一的人工建筑”，這讓我們中國(guó)人自豪無比。但神舟載人飛船上天后，包括楊利偉、劉洋在內(nèi)的眾多航天員都曾說過，“沒有看到長(zhǎng)城”，這是為何呢?

其實(shí)人眼的分辨率很有限，只有0.3角分左右，即便在二百公里左右的近地點(diǎn)軌道高度上，不考慮任何天氣因素，人眼至多看清17米以上的目標(biāo)，因此對(duì)于寬度不過七八米的長(zhǎng)城，確實(shí)有心無力了。當(dāng)然了，若是不考慮“看清”，而只是“看到”，那么只要在夜間將長(zhǎng)城照的燈火通明，太空中的宇航員就有可能“看到”長(zhǎng)城了。不過這就像遠(yuǎn)遠(yuǎn)看到商店的霓虹燈箱，卻看不清楚燈箱的字一樣，不屬于我們此處討論的范疇。

成像系統(tǒng)的分辨率之所以會(huì)受到限制，除了光學(xué)元件存在像差之外，更重要的原因是光波存在衍射效應(yīng)，使得一個(gè)理想無限小的點(diǎn)物體發(fā)射的光波通過系統(tǒng)成像后，由于成像系統(tǒng)口徑有限，物體光的高頻成分被阻擋，最終參與成像的只有物體光波的低頻成分(因此傳統(tǒng)成像系統(tǒng)本質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器)，使得最終的像不再是一個(gè)無限小的理想點(diǎn)，而成為了一個(gè)彌散的亮斑，稱為“艾里斑”。

因此當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)物體距離較近時(shí)，它們通過成像系統(tǒng)后形成的兩個(gè)艾里斑就會(huì)重疊到一起無法分辨，兩個(gè)物點(diǎn)恰能分辨的距離就是極限分辨距離，對(duì)應(yīng)的張角即為極限分辨角，這就是著名的“瑞利判據(jù)”?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，通常情況下該極限分辨率與光的波長(zhǎng)(λ)、成像系統(tǒng)口徑(D)和數(shù)值孔徑(NA)等參數(shù)有關(guān)。

瑞利判據(jù)

為了獲得更好的成像效果，科學(xué)家嘗試了許許多多的方法：在光刻系統(tǒng)中使用越來越短的光波(如目前因特爾等芯片企業(yè)已開始使用極紫外光)，擴(kuò)大成像系統(tǒng)口徑(如天文望遠(yuǎn)鏡口徑已達(dá)到10米以上)，增加成像系統(tǒng)數(shù)值孔徑(如顯微成像系統(tǒng)使用浸油等方式獲得更大的NA)等，但這些方法都未能擺脫理論極限的影響。

“衍射極限”仿佛是一片籠罩在頭頂?shù)年庼玻蔀榱丝此茍?jiān)不可摧的障礙。為了能夠打破這個(gè)枷鎖和桎梏，實(shí)現(xiàn)超分辨成像，科學(xué)家們真是腦洞大開，展現(xiàn)出了無窮的智慧。

讓我們看看科學(xué)家們通過哪些方法打破桎梏：

結(jié)構(gòu)光照明顯微(SIM)

普通光學(xué)顯微鏡的成像過程可以通過點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)進(jìn)行描述，通過對(duì)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，可獲得顯微系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)。由于衍射極限的存在，光學(xué)傳遞函數(shù)限制了通過顯微系統(tǒng)的信息量，只允許低頻信息通過系統(tǒng)，濾除代表細(xì)節(jié)的高頻信息，即限制了系統(tǒng)的分辨率。

結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡實(shí)現(xiàn)超分辨的原理，就是利用特定結(jié)構(gòu)的照明光 在成像過程把位于光學(xué)傳遞函數(shù)范圍外的一部分信息轉(zhuǎn)移到范圍內(nèi)，利用特定算法將范圍內(nèi)的高頻信息移動(dòng)到原始位置，從而擴(kuò)展通過顯微系統(tǒng)的樣品頻域信息，使得重構(gòu)圖像的分辨率超越衍射極限的限制。

對(duì)于光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)，光學(xué)傳遞函數(shù)的三維結(jié)構(gòu)是圓環(huán)結(jié)構(gòu)，在零頻位置存在凹陷。凹陷帶來的后果就是ccd 上記錄的信息不僅包含物鏡焦平面上的樣品信息，同時(shí)包含焦平面外的樣品信息。由于受到焦平面外的信息的干擾，常規(guī)熒光顯微鏡無法獲得層析圖像。三維結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡提高分辨率、獲得層析圖像的原理，就是利用特定結(jié)構(gòu)的照明光來獲得樣品的高頻信息，采用特定算法在橫向和縱向上擴(kuò)展樣品頻域信息的同時(shí)彌補(bǔ)凹陷帶來的影響。

飽和結(jié)構(gòu)照明顯微鏡(SSIM)的原理

法國(guó)Oxxius多波長(zhǎng)合束激光器應(yīng)用在Nikon顯微鏡

受激發(fā)射損耗顯微(STED)

在STED顯微術(shù)中，有效熒光發(fā)光面積的減小是通過受激發(fā)射效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)典型的STED顯微系統(tǒng)中需要兩束照明光，其中一束為激發(fā)光，另外一束為損耗光。當(dāng)激發(fā)光的照射使得其衍射斑范圍內(nèi)的熒光分子被激發(fā)，其中的 電子躍遷到激發(fā)態(tài)后，損耗光使得部分處于激發(fā)光斑外圍的電子以受激發(fā)射的方式回到基態(tài)，其余位于激發(fā)光斑中心的被激發(fā)電子則不受損耗光的影響，繼續(xù)以自發(fā)熒光的方式回到基態(tài)。

由于在受激發(fā)射過程中所發(fā)出的熒光和自發(fā)熒光的波長(zhǎng)及傳播方向均不同，因此真正被探測(cè)器所接受到的光子均是由位于激發(fā)光斑中心部分的熒光樣品通過自發(fā)熒光方式產(chǎn)生的。由此，有效熒光的發(fā)光面積得以減小，從而提高了系統(tǒng)的分辨率。STED顯微術(shù)能實(shí)現(xiàn)超分辨的另一個(gè)關(guān)鍵在于受激發(fā)射與自發(fā)熒光相互競(jìng)爭(zhēng)中的非線性效應(yīng)。

當(dāng)損耗光照射在激發(fā)光斑的邊緣位置使得該處樣品中的電子發(fā)生受激發(fā)射作用時(shí)，部分電子不可避免地仍然會(huì)以自發(fā)熒光的方式回到基態(tài)。然而當(dāng)損耗光的強(qiáng)度超過某一閾值之后，受激發(fā)射過程將出現(xiàn)飽和，此時(shí)以受激發(fā)射方式回到基態(tài)的電子將占絕大多數(shù)，而以自發(fā)熒光方式回到基態(tài)的電子則可以忽略不計(jì)。因此，通過增大損耗光的強(qiáng)度，使得激發(fā)光斑范圍內(nèi)更多范圍的自發(fā)熒光被抑制，可以提高STED顯微術(shù)的分辨率。

受激發(fā)射損耗(STED)顯微的原理

法國(guó)OXXIUS公司多波長(zhǎng)合束激光器

STORM和PALM超分辨顯微成像技術(shù)

STORM技術(shù)中，使用Cy3和Cy5分子對(duì)作為熒光標(biāo)記實(shí)現(xiàn)超分辨成像，因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)光可以控制Cy5在熒光激發(fā)態(tài)和暗態(tài)之間切換，例如紅色633nm激光可以激活Cy5發(fā)射熒光，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間照射可以將Cy5分子轉(zhuǎn)換成暗態(tài)不發(fā)光。之后用綠色的532nm激光照射Cy5分子時(shí)，可以將其從暗態(tài)轉(zhuǎn)換成熒光態(tài)，而此過程的長(zhǎng)短依賴于第二個(gè)熒光分子Cy3和Cy5之間的距離，因此，當(dāng)Cy3和Cy5交聯(lián)成分子對(duì)時(shí)，具備了特定的激發(fā)光轉(zhuǎn)換熒光分子發(fā)射波長(zhǎng)的特性。

在顯微觀察前，首先將待測(cè)觀察樣品用染劑染色，將Cy3和Cy5分子對(duì)膠聯(lián)到特異的蛋白質(zhì)抗體上，就可以用抗體來標(biāo)記細(xì)胞的內(nèi)源蛋白，然后用波長(zhǎng)為633nm的紅光長(zhǎng)時(shí)間照射樣品使Cy5發(fā)射熒光后全部轉(zhuǎn)化為暗態(tài)，采用波長(zhǎng)為532nm的綠光激發(fā)Cy3，從而使Cy5處于熒光態(tài)。激發(fā)過程中應(yīng)使532nm綠光強(qiáng)度足夠低，以保證在衍射極限范圍內(nèi)至多只有一個(gè)Cy5熒光分子被激活至熒光態(tài)。而后，用波長(zhǎng)為633nm的紅色激光照射待觀察樣品，使處于熒光態(tài)的Cy5分子發(fā)射熒光。通過電子相機(jī)讀取熒光圖像，采用函數(shù)擬合的方法對(duì)圖像進(jìn)行處理，進(jìn)而確定每個(gè)熒光點(diǎn)的中心位置。經(jīng)過足夠多次數(shù)循環(huán)后對(duì)獲得的熒光點(diǎn)位置進(jìn)行疊加，最終得到超分辨顯微圖像。

STORM技術(shù)中熒光開關(guān)原理圖

PALM技術(shù)中，使用GFP突變體作為光活化蛋白(PA-GFP)來標(biāo)記靶蛋白，并在細(xì)胞中表達(dá)。用405nm激光器低能量照射細(xì)胞表面，一次僅激活出稀疏分布的幾個(gè)熒光分子，然后用561nm激光激發(fā)得到熒光，通過高斯擬合來精確定位這些熒光分子，在確定這些分子的位置后，長(zhǎng)時(shí)間使用561nm激光來漂白這些已經(jīng)定位正確的熒光分子后，使他們不能夠被下一輪的激光再激活出來。

再分別用405nm和561nm激光來激活、激發(fā)和漂白其他熒光分子，多次成像后，將這些分子的熒光圖像合成到一張圖上，得到了比傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡至少高10倍以上的分辨率。PALM顯微鏡的分辨率僅僅受限于單分子成像的定位精度，理論上來說可以達(dá)到1nm的數(shù)量級(jí)。PALM的成像方法只能用來觀察外源表達(dá)的蛋白質(zhì)，而對(duì)于分辨細(xì)胞內(nèi)源蛋白質(zhì)的定位無能為力。

STROM與PALM的基本原理一致，區(qū)別在于STORM使用的熒光開關(guān)基團(tuán)是有機(jī)熒光分子對(duì)，而PALM使用的熒光開關(guān)基團(tuán)是熒光蛋白分子，由于STORM具有對(duì)細(xì)胞內(nèi)源性生物分子成像的優(yōu)勢(shì)，目前STORM在活細(xì)胞等生物體系的應(yīng)用更加廣泛。在空間分辨率上，STORM可以達(dá)到10-20nm，PALM可以達(dá)到20-30nm;在時(shí)間分辨率上，STORM可以達(dá)到1s，而PALM約為30s。

STORM與常規(guī)顯微成像方法對(duì)細(xì)胞內(nèi)微管成像效果對(duì)比

什么是多波長(zhǎng)合束激光器?

合束激光器就是將多個(gè)波長(zhǎng)光合束到一起輸出，它把合束/分束、透鏡、整形器件等全部集成并做了穩(wěn)固性的設(shè)計(jì)，各波長(zhǎng)獨(dú)立控制?？梢宰尶蒲泄ぷ髡呋?a target="_blank">工程師們專心于試驗(yàn)部分而不是做復(fù)雜的光路調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)合束光路

OXXIUS合束激光器內(nèi)部光路設(shè)計(jì)

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審核編輯：湯梓紅