突破衍射极限的超高分辨率成像技术发展 (修改)

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题 目 突破衍射极限的超高分辨率成像的技术进展

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二〇一五年十二月 .专业整理.

.学习帮手. 一 引言

1.1 选题意义 光学显微成像具有极为悠久的历史，但一直以来，光学成像一直受到衍射极限的限制而分辨率无法突破200 nm。后来虽然有了电子显微镜、核磁共振显像、x光衍射仪等微观观测或者显像设备，但是使用光学显微镜可以在活体状态下观察生命体使得其在生物、医学观察方面仍有巨大优势。值得庆贺的是近年来，超高分辨率显微技术的发展使得光学显微成像分辨率达到了20 nm以下。其中德国科学家Stefan Hell、美国科学家Eric Betzig和William Moerner因其在超高分辨率显微技术方面的突出贡献获得了2014年的诺贝尔化学奖。在这篇文章中，我们就简要介绍一下超高分辨率显微技术的发展和应用，并对诸位大师致以敬意。

1.2 技术指标 显微技术成像优劣一般通过X-Y平面分辨率与Z轴分辨率大小来判定，分辨率越高数值越小。下表是各种显微成像技术的分辨率指标。

成像技术 X-Y平面分辨率（nm） Z轴分辨率(nm) 普通光学显微镜 200-300 500-700 4Pi显微镜 100-150 STED显微技术 50-70 STED+4π技术 50 50 PALM技术 20 30 3D STORM技术 20-30 50-60 dSTORM技术 30 50 2D SSIM技术 50 3D SSIM技术 100 200 电子显微镜 0.05 X光衍射仪 0.03-10 .专业整理.

.学习帮手. 二 衍射极限

2.1 衍射极限 我们能看到什么？看到多小的围？看得有多清楚？几百年来，依靠不断进步的科学手段，微观世界正一层层揭开面纱，让人们可以看得越来越“小”，进而可以进行研究。 人的肉眼能分辨0.1毫米尺度的物体，再小，就要借助工具。1665年，英国科学家罗伯特·虎克制造了第一台用于科学研究的光学显微镜，用它观察薄薄的软木塞切片。虎克看到了残存的植物细胞壁，它们一个个像小房间一样紧挨在一起，这就是“细胞”一词的由来。 此后，显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，帮助科学家第一次发现了细菌和微生物。那么，光学显微镜是否可以无止境地“放大”下去，让我们想看到多小就能看到多小？科学家为此做了很多尝试，最终发现，存在一道法逾越的“墙”—衍射极限。 1873年，德国科学家阿贝提出了衍射极限理论：光是一种电磁波，由于存在衍射，一个被观测的点经过光学系统成像后，不可能得到理想的点，而是一个衍射像，每个物点就像一个弥散的斑，如果这两个点靠得很近，弥散斑就叠加在一起，我们看到的就是一团模糊的图像。 阿贝提出，分辨率的极限近似于入射光波长的二分之一(d=λ/2)。可见光的波长通常在380~780纳米之间，根据衍射极限公式，光学显微镜的分辨率极限就在200纳米（0.2微米）左右。如果物体小于0.2微米，你仍旧看到的是一个模糊的光斑。这就是很长一段时间，光学显微镜的分辨极限——衍射极限。

2.2 突破衍射极限 为了更深入的观察世界，后来有了电子显微镜、核磁共振显像、x光衍射仪等微观观测或者显像设备，人们借助它们可以看得更“细”。但是这些设备依然没有突破衍射极限，他们依然遵循着阿贝衍射极限。这些设备使用的是电子束等.专业整理. .学习帮手. 波长非常短的入射光，自然，它们的分辨率就高。比如电子显微镜，分辨率可以达到0.5埃（一埃等于十分之一纳米），这样就可以看到一粒一粒的原子。 由于生物学、医学方面的研究，更希望在生命体存活的自然状态下进行观察，在这方面，光学显微镜有它不可比拟的优势。因此，光学显微镜的研发还是世界科学家的研究热点。突破性的进展发生在本世纪初，近年来，随着新的荧光探针和成像理论的出现，研究者开发了多种实现超出普通共聚焦显微镜分辨率的三维超分辨率成像方法。较成熟的有基于单分子成像的超分辨率显微成像方法，包括光激活定位显微技术 (photoactivated localization microscopy, PALM) 和随机光学重构显微技术 (stochastic optical reconstruction microscopy, STORM)。以及两大类通过改造光源的点扩散函数来提高成像分辨率的方法，分别是受激发射损耗显微技术(stimulated emission depletion, STED)和饱和结构照明显微技术。 (参考文献：吕志坚，陆敬泽.几种超分辨率荧光显微技术的原理和近期进展) 以上这些进展,都让光学显微镜突破了衍射极限，我们称之为“超分辨成像

技术”。美国光学学会把它列为21世纪光学五大研究计划之首。 .专业整理.

.学习帮手. 三 超高分辨率显微技术

3.1光激活定位显微技术PALM 当显微镜需要分辨两个或者更多点光源的时候，很难突破光学分辨率的极限来进行精确定位．而当显微镜的物镜视野下仅有单个荧光分子的时候，通过特定的算法拟合，此荧光分子位置的精度可以很容易超过光学分辨率的极限，达到纳米级． 如上所述，尽管单分子的定位精度可以达到纳米级，但它并不能提高光学显微镜在分辨两个或者多 个 点 光 源 时 的 分 辨 率．2002 年 ， Patterson 和Lippincott-Schwartz首次利用一种绿色荧光蛋白(GFP)的变种(PA-GFP)来观察特定蛋白质在细胞的运动轨迹．这种荧光蛋白 PA-GFP 在未激活之前不发光，用 405 nm 的激光激活一段时间后才可以观察到 488 nm 激光激发出来的绿色荧光．德国科学家 Eric Betzig 敏锐地认识到，应用单分子荧光成像的定位精度，结合这种荧光蛋白的发光特性，可以来突破光学分辨率的极限．2006 年 9 月， Betzig和 Lippincott-Schwartz 等首次在 Science 上提出了光激活定位显微技术( photoactivated localization microscopy, PALM) 的 概 念 ． 其 基 本 原 理 是 用PA-GFP 来标记蛋白质，通过调节 405 nm 激光器的能量，低能量照射细胞表面，一次仅激活出视野下稀疏分布的几个荧光分子，然后用 488 nm 激光照射，通过高斯拟合来精确定位这些荧光单分子．在确定这些分子的位置后， 再长时间使用 488 nm激光照射来漂白这些已经定位正确的荧光分子，使它们不能够被下一轮的激光再激活出来．之后，分别用 405 nm 和 488 nm 激光来激活和漂白其他的荧光分子，进入下一次循环．这个循环持续上百次后，我们将得到细胞所有荧光分子的精确定位．将这些分子的图像合成到一图上， 最后得到了一种比传统光学显微镜至少高 10 倍以上分辨率的显微技术，如图 1 所示。PALM 显微镜的分辨率仅仅受限于单分子成像的定位精度，理论上来说可以达到 1 nm 的数量级。2007 年， Betzig 的研究小组更进一步将PALM 技术应用在记录两种蛋白质的相对位置，并于次年开发出可应用于活细胞上的PALM 成像技术来记录细胞黏附蛋白的动力学过程。 （参考文献：Patterson G H, Lippincott-Schwartz J. A photoactivatable GFP for .专业整理. .学习帮手. selective photolabeling of proteins and cells； Betzig E, Patterson G H, Sougrat R, et al. Imaging intracellular fluorescent proteins at nanometer resolution； Shroff H, Galbraith C G, Galbraith J A, et al. Dual-color superresolution imaging of genetically expressed probes within individual adhesion complexes）

图1：应用PALM技术定位单个荧光分子最后实现超分辨率

成像的示意图 A， B， C， D， E， F 展示了实际实验过程及得到的原始数据； A′，B′， C′， D′， E′， F′ 展示了用高斯拟合确定荧光分子的中心，叠加产生了超分辨率图像； (A, A′) 未激活任何荧光分子时； (B, B′) 用 405 nm 的激光激活了 4 个荧光分子； (C, C′) 用 488 nm 的激光观察一段时间后漂白了第一轮激活的 4 个荧光分子； (D, D′)第二轮重新激活的另外的几个荧光分子； (E, E′) 两轮激活的荧光分子总和组成的图像； (F, F′) E 图的局部放大

3.2多色随机光学重构显微法 PALM 的成像方法只能用来观察外源表达的蛋白质，而对于分辨细胞源蛋白质的定位无能为力。但是利用化学小分子Cy3和Cy5、 Cy7等荧光分子对的光转换效应同样可以达到突破光学极限的效果。这项技术被称为“随机光学重建显微术” (stochastic optical reconstruction microscopy, STORM)。其发明人是哈佛大学的庄小威教授。这项技术是用很弱的光激发荧光分子，使细胞的一小部分荧光分子发光，而不是全部。这样由于发光的点分布比较分散，重叠比较少，因此每个光晕可以近似为一个荧光分子。在一次激发中，可以确定一部分光晕的中心，在下一次激发中，可以确定另外一部分光晕的中心，把这许多次激发的结果叠加，就是完整而清晰的图像（图2）。因此， STORM需要利用荧光发色团标记抗体对靶蛋白进行识别，可以检测到源性蛋白，避免由于外源性表达偶联荧光蛋白的靶蛋白对其定位产生的可能的影响，但是在活细胞应用中受到限制，并且也有可能受到免疫荧光染色过程的影响。随后，他们又利用光学像散性实现了3D STORM，达到了平面20~30 nm，纵向50~60 nm的成像精度。