利用受激发射损耗_STED_显微术突破远场衍射极限
受激发损耗(sted)显微术及在生物邻域的应用
受激发损耗(sted)显微术及在生物邻域的应
用
受激发损耗（STED）显微术是一种高分辨率显微技术，该技术利用点扫描显微镜的原理，与激光束控制方法相结合。
该技术由德国物理学家斯特凡·赫尔敏（Stefan Hell）于1999年发明。
STED显微镜结构简单，能够实现效果明显的高分辨率成像，使得其在生物邻域的应用非常广泛。
以下是受激发损耗显微术在生物领域的应用：
一、细胞结构成像
使用STED显微术可以实现细胞和细胞器的高分辨率成像。
与传统的激光共聚焦显微（CLSM）相比，STED显微术的分辨率更高。
例如，使用同样的显微镜，STED显微术比共聚焦显微术可以实现更高的解析度，能够更准确地分析分子分布和空间组织。
二、神经元成像
STED显微术可以用于神经元成像。
在神经元成像中，这种高分辨率技术可以帮助科学家们了解神经元之间的连接和交流模式。
在这一领域中，STED显微术也被称为“超分辨率显微镜”，因为它可以将神经元的形态和细节展现得更为准确和清晰。
三、蛋白质和细胞活性成像
STED显微术能够实现蛋白质和细胞活性的实时监测。
这种技术使得科学家们能够在细胞和分子水平上观察生物过程和细胞反应，为研究细胞信号传递和疾病发展提供了更可靠的数据。
总之，随着STED显微技术的不断进步，其在生物邻域的应用将会越来越广泛。
该技术的高分辨成像特征将为生命科学研究提供强有力的支持，帮助科学家们更深入地了解生物世界的奥秘。
大学细胞生物学考试练习题及答案811
大学细胞生物学考试练习题及答案81.[单选题]一般来说，膜的功能越复杂，蛋白质/脂类该比值 （ ）A)越大B)越小C)恒定不变D)可大可小，无相关性答案:A解析:2.[单选题]具有7个跨膜疏水区域的膜受体类型是 （ ）A)酪氨酸蛋白激酶B)配体门控通道C)G蛋白偶联受体D)以上都不对答案:C解析:3.[单选题]在代谢活跃的细胞的核仁中，核仁最主要的结构是（ ）：A)纤维中心B)致密纤维组分C)颗粒组分D)前核仁体答案:C解析:4.[单选题]在下列激酶中，除（ ）外，都能使靶蛋白的丝氨酸或苏氨酸磷酸化。
A)酪氨酸蛋白激酶B)蛋白激酶KC)蛋白激酶CD)都不对答案:A解析:5.[单选题]含有45S rRNA基因的染色体是A)1号染色体B)2号染色体C)21号染色体D)Y染色体6.[单选题]一般来讲，脂肪酸链的长度越长，膜的流动性 （ ）A)越大B)越小C)不变D)以上都不对答案:B解析:7.[单选题]负责从内质网到高尔基体物质运输的是（ ）。
A)网格蛋白有被小泡B)COPⅡ有被小泡C)COPⅠ有被小泡D)胞内液泡答案:B解析:A项，网格蛋白有被小泡主要负责蛋白质从高尔基体TGN向质膜和胞内体及溶酶体运输；C项，COPⅠ有被小泡负责将内质网逃逸蛋白质从高尔基体返回内质网等。
8.[单选题]下列有关内外核膜的描述哪个是不正确的？（ ）A)内外层核膜的厚度不同B)核周间隙宽度因细胞种类和功能状态而改变C)由于外层核膜表面附着核糖体，可以看作是糙面内质网的特化区域D)内层核膜上的一些特有的蛋白质成分与核纤层结合答案:A解析:细胞核的内外核膜都由磷脂双分子层和镶嵌在其中的蛋白质构成，在成分、厚度、性质方面都是一样的。
9.[单选题]染色体出现成倍状态发生于细胞周期中的（ ）[湖南大学2007研]A)G2期和早M期B)G1期和S期C)晚M期和Gl期D)G0期和G1期答案:A解析:S期开始DNA的复制，同时染色体也在这个阶段完成复制。
突破衍射极限——探索纳米世界的超分辨显微技术
突破衍射极限——探索纳米世界的超分辨显微技术作者：李德增陈波来源：《化学教学》2015年第01期摘要：介绍了2014年诺贝尔化学奖，并以此为背景围绕着如何突破衍射极限提高分辨率这一核心问题，通过衍射极限产生的原因、突破的途径及新型显微技术发展的历程及特点等几个方面展开阐述，以期更好地认识新型光学显微技术在探索纳米世界时的作用和意义。
关键词：诺贝尔化学奖；衍射极限；瑞利判据；超分辨率；荧光显微技术文章编号：1005–6629（2015）1–0012–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B1 引言2014年10月8日，2014年度诺贝尔化学奖揭晓，美国科学家埃里克·白兹格（Eric Betzig）、威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔（William E. Moerner）和德国科学家斯特凡·W·赫尔（Stefan W. Hell）三人获奖，以表彰他们在超分辨率荧光显微技术领域取得的成就。
长期以来，光学显微镜的分辨率被认为是有极限的，它不可能超过二分之一个光波长度，对于可见光波长而言，约200纳米。
1873年德国物理学家阿贝（E. Abbe）指出衍射极限是传统光学显微镜存在最大分辨率的物理限制。
然而，在荧光分子的帮助下，今年诺贝尔奖化学奖的几位获得者巧妙地绕开了这种限制，并突破了这一极限。
他们划时代的贡献将传统光学显微镜技术带进了纳米领域，使光学显微镜步入了纳米时代。
根据纳米荧光显微技术，科学家实现了活体细胞中单个分子通路的可视化。
他们能够观察到分子是如何在大脑神经细胞之间生成神经突触；还可以追踪帕金森病、阿尔兹海默症和亨廷顿症患者体内相关蛋白的累积情况等等。
然而科学家在最小分子水平上对活体细胞细节进行研究时，却受到了限制。
由于今年三位诺奖得主的贡献，我们可以利用突破衍射极限的光学显微镜对纳米世界一探究竟。
这次获奖的是两项独立的技术。
第一项是Stefan Hell于2000年研制的受激发射损耗（STED）显微技术。
STED显微镜
4pi显术简介
4pi也是HELL发明的.而样品的成像通过两个物镜的 亚衍射尺寸的光斑来扫描样品实现的.
缺点 1.需要强光,能量利用率低. 2.过强的光还会引起光致漂白. 3.略贵 4.应用范围较窄 受激损耗的原理也可以应用在其它地方,比如近年来 在纳米光刻领域引起重点关注的双光束刻录技术.
受激发射损耗的基本原理
如果你有一根粗笔，怎么能够用它画细线？ 买块橡皮。先画个粗的，再擦去两边的多余部分. STED用的就是这个原理。 使用一种合适的激光,仅激发一个点的荧光基团使其 发光,然后再用一个面包圈样的光源抑制那个点周围 的荧光强度,这样就只有一个点发光并被观察 了.
受激发射损耗的基本原理
损耗光的波长要选在荧光发射谱的红边,以避免重激 发,激发光与损耗光的时间差要选的合适,既保证有 荧光产生,又能保证一定的损耗几率.
STED荧光显微镜示意图
环形的损耗光是利用一个位相片进行光位相调制， 最终在焦点处形成环形光分布。 按顺序先给激发脉冲(2ps左右)，等荧光物质跃迁上 去了,马上给一个受激辐射波长的脉冲（250ps左 右），用二向色镜区分受激辐射跟自发辐射，探测 过来的自发辐射信号,移动样本就可以三维成像. 起初的主要用于突破STEM显微镜主要用于突破横 向衍射极限 ,横向分辨率可达70nm,而轴向分辨率还 较低, 因为有限的孔径角导致轴向分辨率降低. 近来将和4pi显微术互补性地结合 ,在技术上扩大了 有效孔径角.目前已经获得了100nm的轴向分辨率.
某种染料的光谱.图中蓝色曲线为激发光谱,红色曲线为发射光 谱.620nm~850nm均有可能,670nm最大.这是自发辐射.
STED的发明
STED 受激发射损耗显微术是在 1994 年被施特芬-赫 尔开发出来的,当时赫尔正躺在研究生公寓的床上看 一本有关光学量子理论的书,突然灵光一闪,就发明 了STED. Stefan W. Hell（生于1962年)物理学博士学位，1990 年开始在海德堡大学学习，后留在海德堡欧洲分子 生物学实验室研究.1993年到1996年，他曾作为高级 研究员，在芬兰土尔库大学开发受激发射损耗显微 镜 .1996年，他在哥廷根的马克斯普朗克生物物理 化学研究所，在那里他建立了他目前的研究小组， 致力于高分辨率显微镜的研究。
显微成像的历史发展的流程
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超分辨成像技术的新发展
超分辨显微成像技术的新发展马利红引言人类获得信息的主要器官是眼睛，然而靠人眼观察客观事物的空间分辨率的极限约为4´米，客观世界中人眼不能分辨的所有细微结构称为微观世界。
显微成像技术将310-微观过程或结构成放大图像，以便于人眼能够直接观察。
研究微观世界所涉及的学科领域十分广泛，有生物、医学、材料科学、精密机械、微电子学、分子及原子物理、核物理等等，微观世界中细分的微量尺度原则上是无穷的，因而显微学是跨多学科的，其发展也是无止境的。
1665年，Robert Hooke用原始显微镜发现了池塘水中单细胞有机体，它的出现为人类打开了微观世界的大门。
光学显微镜由此成为历代生物学家的主要研究工具之一。
生物学家把显微镜作为一种主要工具来研究生物器官、组织和细胞，由此奠定了细胞学和组织学的基础，并对生物学、遗传学、微生物学、病理学和医学的发展起到了极大的推动作用。
但传统光学显微镜有以下两个主要缺点：(1)受衍射极限的限制，其分辨率与照明波长是同一个数量级，具有一个数值孔径(NA=nsin(q))的传统光学显微镜，分辨极限l，称之为瑞利判据；(2)由于使用的是场光源，观测到的是一个宽视野图像，为0.61/NA从而降低了信噪比，影响了图像的清晰度和分辨率。
随着生物医学、材料科学等的发展对显微提出了更高的要求，不仅希望其具有更高的分辨率，而且能对样品进行无损成像，甚至希望可观察其三维图像。
因此，传统的显微镜已不能满足要求。
电子显微镜的分辨率虽然远高于光学显微镜，但它需要在真空条件下工作，因此很难观察活的生物样品，另外电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。
电子显微镜、的局限以及高分辨显微的需求，迫使人们转向超经典衍射极限的光学超分辨理论和技术研究，利用新原理、新技术、新方法来实现光学高分辨力成像和检测。
第一节基于传统的Rayleigh分辨率意义下的超分辨理论光学系统的空间分辨率是一个非常有用的概念，但是关于它的具体定义和描述却有许多不同的见解。
STED超分辨成像技术
STED超分辨成像技术超分辨光学成像超分辨光学成像特指分辨率打破了光学显微镜分辨率极限（200nm）的显微镜，技术原理主要有受激发射损耗显微镜技术和光激活定位显微镜技术。
简介光学显微镜凭借其⾮接触、⽆损伤等优点，长期以来是⽣物医学研究的重要⼯具。
但是，⾃1873年以来，⼈们⼀直认为，光学显微镜的分辨率极限约为200 nm，⽆法⽤于清晰观察尺⼨在200 nm以内的⽣物结构。
超分辨光学成像(Super-resolution Optical Microscopy)是本世纪光学显微成像领域最重⼤的突破，打破了光学显微镜的分辨率极限（换⾔之，超越了光学显微镜的分辨率极限，故被称为超分辨光学成像），为⽣命科学研究提供了前所未有的⼯具。
光学显微镜的分辨率1873年，德国物理学家恩斯特·阿贝(Ernst Abbe)提出，光学显微镜受限于光的衍射效应和光学系统的有限孔径，存在分辨率极限（也称阿贝极限），其数值约为l / 2NA（分辨率极限公式），其中l是光波波长，NA是光学系统的数值孔径（Numerical Aperture）。
, n为介质的折射率，a为物镜孔径⾓的⼀半。
成像时若使⽤波长为400 nm的光，并采⽤空⽓（折射率为1）作为物镜和样本之间的介质，可计算得到分辨率极限为200 nm。
因此，我们通常说，光学显微镜的分辨率极限约为200 nm。
此后的研究表明，光学显微镜的分辨率决定于光学系统中聚焦光斑（称为艾⾥斑, Airy disc）的尺⼨。
另外，当⼀个艾⾥斑的边缘与另⼀个艾⾥斑的中⼼正好重合时，此时对应的两个物点刚好能被⼈眼或光学仪器所分辨（这个判据称为瑞利判据，Rayleigh Criterion）。
利⽤瑞利判据以及艾⾥斑的数学表达式，我们可以得到光学显微镜的分辨率公式：0.61λ/NA。
值得指出的是，光学显微镜的分辨率公式跟前⾯提到的分辨率极限公式有所不同，⽽前者更⼴泛的被光学成像领域使⽤。
2014诺贝尔化学奖得主
2014诺贝尔化学奖得主瑞典皇家科学院2014年10月8日宣布，将2014年诺贝尔化学奖授予美国科学家埃里克·白兹格(Eric Betzig)，德国科学家斯特凡·W·赫尔(Stefan W. Hell)，美国科学家威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔(William E. Moerner)，以表彰他们在超分辨率荧光显微技术领域取得的成绩。
颁奖背景：看到纳米的世界很长时间以来，人们都认为光学显微技术无法突破一条极限：它永远不可能获得比所用光的半波长更高的分辨率。
然而，2014年诺贝尔化学奖的得主使用荧光分子，巧妙地绕开了这一极限。
他们突破性的工作将光学显微技术带到了纳米尺度。
在纳米显微学（nanoscopy）的领域中，科学家使活细胞中不同分子的运动可视化——他们能够看到脑部神经细胞间的突触是如何形成的，他们能够观察到与帕金森氏症、阿尔兹海默症和亨丁顿舞蹈症相关的蛋白聚集过程，他们也能够在受精卵分裂形成胚胎时追踪不同的蛋白质。
今天，科学家们竟然能够从最微小的分子细节来研究活细胞，在前人看来这简直是不可能的事情。
在1873年，显微镜学者恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）给传统的光学显微镜分辨率规定了一个物理极限：它不可能突破0.2微米。
而埃里克·白兹格（Eric Betzig）、斯特凡·W·赫尔（Stefan W. Hell）和W·E·莫尔纳尔（W. E. Moerner）于2014年被授予诺贝尔化学奖，正是由于突破了这个极限。
由于他们的成就，光学显微镜现在可以进入纳米世界了。
本次奖项颁给两个不同的研究。
其一是斯特凡·W·赫尔在2000年发明的受激发射损耗（STED）显微技术。
这项研究使用了两道激光束，一束用来激发荧光分子使其发光，另一束则将大部分发光抵消——除了一块纳米尺度的微小区域。