光学成像在生命科学中的应用,从2014年诺贝尔奖纳米显微镜技术谈起
光学显微成像技术在生物学研究中的应用
光学显微成像技术在生物学研究中的应用随着现代科技的不断进步，光学显微成像技术在生物学研究中的应用越来越广泛。
这种技术可以分成两大类，光学显微技术和电子显微技术。
本文将着重讨论光学显微成像技术在生物学研究中的应用。
现代的生物学研究需要快速而精确的成像技术，以便对生物组织的各个方面进行研究。
在这方面，光学显微成像技术具有许多优势，比如分辨率高、成本低、相对较少的样品准备要求等等。
其中一种应用广泛的光学显微成像技术是荧光显微技术。
荧光成像技术是通过标记和分选荧光蛋白，在组织或细胞水平上观察它们在野生型或变异蛋白上的影响。
荧光显微成像技术可以提供高度可视化的信息，这意味着科学家们可以直接的辨认和量化细胞中的生化活动和信号传递，同时也可以让科学家们更好的了解细胞的复杂性。
这项技术在医学领域中的应用也是极其广泛。
荧光显微成像技术可以使研究人员更容易观察、测定和研究细胞细节、组织结构和细胞内分子间的互动。
比如在肿瘤学的研究中，科学家们使用荧光蛋白来标记癌细胞，以便探寻癌细胞的行踪。
在神经学方面，荧光成像也能够帮助研究人员有更深入的了解大脑神经元和脑回路。
除了荧光显微成像技术之外，还有一种同样广泛的光学显微成像技术是双光子显微镜技术。
这种技术可以实现非侵入性成像，同时提供 3D 投影成像和永久组织标本。
它广泛应用于许多方面，包括神经元、血管等等。
这种技术的优势是即使样本很厚，也可以观察到细胞。
在神经科学研究中使用双光子显微成像技术，可以重建神经元的三维结构，并获得对神经环路的深入理解。
然而，即使光学显微成像技术在生物学研究中具有如此广泛而深入的应用，它仍然有其局限性。
它无法在极小的时间尺度上成像，因为光的传输速度是有限的。
此外，因为光的穿透深度很浅，因此只能研究样品的表面。
对于脊椎动物的器官，尤其是对深度组织的成像，还有许多需要改进的地方。
在未来，光学显微成像技术的不断改进和发展将继续推动现代生物学的前进。
研究人员们也需要继续探索这些技术的潜力，以更好的理解生命的复杂性。
显微镜技术在生命科学中的应用
显微镜技术在生命科学中的应用在生命科学领域中，显微镜技术是不可或缺的工具。
它被广泛应用于生物学、医学、药学等多个领域中，为研究对象的结构、功能、动态和相互作用提供了有力的支持。
不同类型的显微镜按照其成像原理不同分为不同种类，这些成像原理的不同决定了成像方式和成像分辨率的不同，因此，了解和掌握不同类型的显微镜及其应用是非常重要的。
1. 光学显微镜光学显微镜是目前最常见的显微镜类型。
它是以光学透镜为基础的成像设备，利用透镜对可见光的折射作用，将样品上的出现折射或吸收的物质的微小变化转换为图像。
它的成像分辨率大约为200纳米，即能够分辨大约200纳米大小的物体。
光学显微镜在生命科学研究中扮演重要角色。
在细胞学和组织学中，它常被用来观察组织或细胞内部的结构，如细胞核、线粒体、高尔基体等细胞器的形态及数量。
在微生物学中，它可以用于鉴定和分类不同类型的微生物。
此外，在神经科学中，它可以用来研究神经元之间的相互作用及其与不同行为的关联。
通过对光学显微镜的研究和不断的改进，分辨率不断提高，为各种领域带来了更多的机会和挑战。
2. 电子显微镜电子显微镜是另一种常见的显微镜，它相比于光学显微镜，使用了电子束而不是可见光波长的光，因此，它的成像尺寸更小，能够在亚纳米级别提供成像。
由于电子束波长比可见光波长短得多，它的分辨率可达至0.1纳米以内。
电子显微镜广泛用于生命科学中。
在细胞生物学中，它被用于观察溶酶体、内质网、高尔基体等细胞器内部结构以及细胞膜上的不同分子间的相互作用。
在生物物理学和生物化学领域中，它可用于分析蛋白质的空间构象，以及与其他分子的相互作用。
此外，它还可以用于病原微生物的检测和研究。
3. 共聚焦显微镜共聚焦显微镜是通过对光的聚焦深度进行调整，利用成像机理对物体进行成像。
它能够同时实现三维和时间分辨成像，并且能够对样品进行成像修正和图像重建。
它的应用非常广泛，包括细胞内免疫染色和免疫荧光成像、酶学研究、亚细胞和细胞分子成像、显微组织学和影像组学等。
光学阴影成像技术在生命科学中的应用
光学阴影成像技术在生命科学中的应用生命科学中，了解细胞和其活动的内部过程具有重要意义。
在过去，研究人员借助电子显微镜技术，可以高清晰度地观察到细胞内部的各种结构，但这种操作涉及样品的处理过程，很多时候会引发昂贵的成本和样品变形的风险。
近几年，随着光学阴影成像技术的出现，这个问题已经得到了解决。
光学阴影成像技术是一种非侵入性的成像技术。
不像电子显微镜技术，其测量坚硬配合体的传统，光学阴影成像技术通过观察细胞内的微小变化，代替了样品的处理过程。
这令其得以在分子生物学研究中，提高分辨率和增加观察范围。
今天，光学阴影成像技术在生命科学中的应用，已经进入一个充满朝气的新时期。
在光学阴影成像技术中，影像的产生来自光的折射。
光束会在被检测物上折射，然后被其后面的物体遮挡。
令光线减弱的物体就是“光学阴影”。
通过观察光学阴影的大小、形态和位置，科学家可以了解细胞内不同构成和活动的差异。
对细胞进行三维成像光学阴影成像技术可以提供细胞内部结构和活动的高分辨率成像。
通过调整光照射的角度和位置，科学家们可以创建具有高分辨率的三维图像。
这使得光学阴影成像技术成为了研究细胞内部空间结构和分子交互的理想工具，与此同时，其还能够捕捉动态变化信息，从而使研究变得更加准确。
通过传递光电子信号，科学家们可以获取三维成像的神经元网络结构。
在这样的成像中，光学阴影被用于绘制出神经元的形态和位置，使得科学家们可以了解神经元的互联情况，同时该方法对于神经元的结构和功能解析上具有重要意义。
在生物体内进行观察和测量光学阴影成像技术不仅可以用于细胞内部成像，还可以用于观察生物体内部的结构和组织特征。
它通过非侵入性成像的方式，在没有破坏生物体的情况下测量生物体的结构和信息，允许生物学家进一步深入了解生物体内部的运作机制。
一个不错的例子是光学阴影成像在观察动物发育过程方面的应用。
一个当前令生物学家极为感兴趣的问题是动物的细胞如何发展成各种器官。
光学阴影成像技术可以允许科学家们跟踪和记录动物细胞的组成和发展过程，并且向科学家展示器官的发育过程和细胞间交互机制，从而提供了变革的数据和信息。
光学显微术在生命科学中的应用
光学显微术在生命科学中的应用光学显微术作为一种直观的生物分析技术，在生命科学研究中具有不可替代的作用。
它可以使我们看到细胞和沿着神经元轴突和树突运动的蛋白分子，并以定量和定位的方式来描述生物过程。
近年来，光学显微术技术的不断发展已经推动了生命科学领域的发展，并为人类生物学的进一步研究提供了更大的潜力。
一、荧光显微镜荧光显微镜是现代生命科学研究中最常用的光学显微技术之一。
它使得研究者能够将分子标记成荧光，然后在显微镜下观察并记录其运动规律。
这些荧光标记的分子可以是细胞膜、核糖体、蛋白质、细胞器等。
此外，荧光所携带的信息也可用于生物成像，获得关于生物结构和功能的三维信息。
最近的一些技术飞跃，使得荧光显微镜具有超高分辨率的可能性，例如单分子荧光显微术（SMF）和受限光学刺激重建显微术（STORM）。
SMF技术使得研究者可以分别观察荧光标记物并通过计算距离和角度来获取三维分子信息，这推动了分子生物学的研究。
STORM技术则使用光刺激的瞬间涨落来使样品发光，可能获得亚分辨率的样品图像。
二、融合蛋白融合蛋白是一种用以标记蛋白质结构和功能的光学显微镜技术。
融合蛋白可以将荧光蛋白等新的融合物标记在特定的蛋白质结构上，从而使蛋白质在显微镜下可见。
这个技术是基于利用荧光蛋白的荧光信号，并将其绑定到具有感兴趣的蛋白质上。
因此，融合蛋白可以方便地观察蛋白质在细胞中的位置和角度，也可以用来研究蛋白质的复合物的形成和定量。
三、扫描电子显微镜扫描电子显微镜利用电子束而非光线作为样品图像的观察器，以达到足够高的分辨率来观察生物分子。
这种技术对于研究生命科学领域中的许多问题具有重要意义，例如病理学、组织学等领域。
一些新进展如联合原子力与扫描电子显微镜技术可以显著改进扫描电子显微镜的分辨能力，同时还可以探讨生物样品的结构和动力学。
四、显微-光谱分析显微-光谱分析技术是一种将光谱学和显微镜学相结合的技术。
使用这种技术，可以对样品进行分析和映射，并获得区域特定分子的光谱信号，从而可以确定样品中的组分和化学结构。
生命科学中的光学技术与显微镜技术
生命科学中的光学技术与显微镜技术光学技术和显微镜技术在生命科学研究中扮演着重要的角色。
这两种技术不仅可以在生物学方面提供不可估量的贡献，还可以在医学、神经科学、生态学和许多其他相关学科领域中使用。
本文将探讨光学技术和显微镜技术在生命科学中的应用和发展，以及未来的前景。
1. 光学技术在生命科学中的应用光学技术是一种研究光的性质及其在物质中的相互作用的技术。
在生命科学中，光学技术主要应用于光谱分析、荧光显微镜、光学共聚焦显微镜等方面。
通过光学技术，可以观察到生物体内微小分子的运动和互动，探索细胞、组织和器官之间的交互作用和反应机制。
在生命科学领域中，荧光显微技术和分子标记技术的发展，使得科学家们可以观察到细胞与器官之间的相互作用。
例如，通过标记某种蛋白质，荧光显微技术可以显示出它在细胞内的运动轨迹、反应性质和位置等信息。
此外，光学共聚焦显微镜在生命科学领域的应用也越来越广泛。
它可以通过扫描光束对样品进行快速三维成像，将数据转化为高清晰、高分辨率的图像，使得研究者可以更好地理解细胞和分子组成的结构和功能。
2. 显微镜技术在生命科学中的应用显微镜技术早在17世纪就被发明，但直到现在，这项技术仍被广泛应用于生命科学中。
随着电子显微镜和荧光显微镜等各种新型显微镜的发展，显微镜技术已经可以观察世界上最小的组成部分，如细胞和分子等。
现在，微小镜片、电子探针和光学成像技术已经成为生命科学最重要的实验手段之一。
比如，在细胞生物学中，显微镜技术可以用于观察细胞分裂、细胞内蛋白结构和运动的过程。
这些信息可以帮助科学家更深入地理解细胞和生命的本质。
这种技术不仅促进了对细胞生物学的了解，也对疾病治疗和药物设计的研究有着重要的影响。
3. 光学技术和显微镜技术未来发展的前景在未来，光学技术和显微镜技术将会更加普及和高精度化。
随着新型显微镜技术的发展，科学家们将能够更好地了解分子之间的相互作用和复杂反应，继续探索新的生命本质问题。
成像技术在生命科学领域的应用
成像技术在生命科学领域的应用随着科技的发展，成像技术在生命科学领域越来越受到重视。
生物学、药学、医学等领域都需要借助成像技术来观察人体内、生物细胞内的形态结构和功能状态。
本文将介绍成像技术在生命科学领域的应用情况，包括光学显微镜技术、超分辨率显微镜技术、扫描电子显微镜技术等，并探讨这些技术的优缺点以及未来发展趋势。
一、光学显微镜技术光学显微镜技术是一种基础且常见的成像技术，可以用于研究生物细胞的形态和结构，观察细胞内分子的位置和运动。
它的优点是成本低、易于操作，并且可以观察到生命体在其自然状态下的图像。
当前最常见的光学显微镜技术有共焦显微镜、荧光显微镜、融合式显微镜等。
共焦显微镜利用高水平的光学部件和大量的数学公式来帮助研究者观察到细胞内异构体的构成、活动和生物学过程。
荧光显微镜则利用荧光探针将细胞组分或标记物标记上荧光颜色，再利用荧光成像技术进行成像。
荧光显微镜技术既可以直接观察活体细胞，也可以用于检测免疫组织化学和蛋白质定位等领域。
融合式显微镜则将共焦显微镜和荧光显微镜结合在一起，可以同时观察到细胞内不同物质的三维分布情况。
尽管光学显微镜技术在生命科学领域中得到了广泛应用，但其分辨率较低，无法观察到某些小分子结构。
随着科技的发展，出现了新型超分辨率显微镜技术来解决光学显微镜技术的不足。
二、超分辨率显微镜技术超分辨率显微镜技术是指分辨率优于传统光学显微镜的显微镜技术。
在某些应用中，分辨率高的显微镜技术可以观察到比原先细胞更多的细节，如单个分子、变形、分子间交互和分子分布的差异等。
其分辨率比传统光学显微镜技术高出数倍，可以分辨到20-30nm的结构。
超分辨率显微镜技术的优点是可以更准确地观察分子组件的位置和分布，可研究的物质种类也更加广泛，包括细胞器、蛋白质聚集体等。
其中最常用的超分辨率显微镜技术有单分子光子显微镜、双光子激发荧光显微镜、刺激发射荧光显微镜。
超分辨率技术的发展给生命科学领域带来了更多的机会，但同时也存在着挑战，如成本较高、显微镜技术难度较大。
光学显微技术在生命科学中的应用
光学显微技术在生命科学中的应用光学显微技术是一种基于光学原理的显微技术，通过利用可见光、紫外线和红外线等光谱范围内的光来观察微小细胞和组织结构，从而揭示生物学中微观层面的现象和机制。
在生命科学研究领域，光学显微技术被广泛应用于细胞生物学、生物医学和神经科学等方面。
本文将介绍光学显微技术在生命科学中的应用。
一、细胞生物学领域的应用光学显微技术在细胞生物学领域的应用主要包括细胞结构和功能的研究。
通过荧光显微技术，研究人员可以标记细胞内的特定分子或结构，并观察其在不同条件下的时空变化。
例如，利用荧光染料或荧光标记的蛋白质，可以追踪细胞分裂、膜结构的变化以及细胞器的动态分布。
荧光显微技术的发展，使得细胞内微观结构的研究更加方便和精确。
此外，显微拉曼光谱技术也被广泛应用于细胞生物学中。
该技术可以获取细胞和组织的光谱信息，从而提供有关细胞内化学成分和生物分子的定量和定性信息。
利用显微拉曼光谱技术，研究人员可以研究细胞的代谢状态、分子结构和组织的病理变化等。
二、生物医学领域的应用光学显微技术在生物医学领域的应用主要包括医学诊断和治疗。
例如，近年来兴起的光学相干 tomography （OCT）技术，通过测量反射和散射光的干涉，可以实现对生物组织的高分辨率成像。
这项技术在眼科领域的应用广泛，能够实时观察眼底病变和角膜结构等，为医生提供更准确的诊断结果。
另外，多光子显微镜技术也在生物医学领域发挥着重要作用。
多光子显微镜将激光束聚焦到亚微米尺度大小的体积内，使得只有聚焦点附近的荧光染料被激发发光。
这项技术可以用于活体组织的三维成像，如观察肿瘤的生长过程、血管的结构和功能变化等。
三、神经科学领域的应用光学显微技术在神经科学领域的应用主要涉及神经回路的研究和脑活动的监测。
光遗传学是一种结合了光学显微技术和遗传学原理的研究方法，可以实现对神经回路的精确调控。
通过将光敏蛋白质转染到特定类型的神经元中，研究人员可以利用光兴奋或光抑制技术来操纵神经元的活动，从而深入研究神经回路的结构和功能。
光学与声学成像技术在生命科学研究中的应用
光学与声学成像技术在生命科学研究中的应用在现代科技发展的今天，光学和声学成像技术在生命科学研究中扮演着越来越重要的角色。
这些技术的应用不仅让我们更深入地了解生命体的微观结构和生理机制，还有助于开展一系列与生命相关的研究工作，从而推动生物医学领域的发展和进步。
光学成像技术光学成像技术是一种基于光学原理实现成像的技术，它常见的应用包括显微镜成像、X光成像、荧光成像等等。
其中，单细胞成像是生命科学中最常见的应用之一。
这种成像技术基于显微镜，在细胞层面上对细胞的功能和代谢进行监测和探究。
单细胞成像技术在生命科学研究中的应用十分广泛，例如可以用于观察细胞分裂和凋亡，监测细胞的生长和代谢，还可以用来研究感染性疾病、肿瘤生长等生物过程。
除此之外，荧光成像技术在生命科学中也有着十分广泛的应用。
这种技术通过添加荧光物质来标记生命体中的不同分子，然后通过荧光成像技术对其进行观察和研究。
当染色物质受到激发后，就会发出明亮的荧光，这些荧光看起来十分漂亮，也很有视觉冲击力。
而在生命科学中，荧光技术不仅可以用于显微成像，还可以用于测定分子的浓度、激发特定细胞类型等诸多方面。
比如，荧光成像常用于对生物分子的定位、形态和趋化行为等方面的研究，从而有助于我们揭示各种生理过程以及疾病的形成和发展。
声学成像技术与光学成像技术相比，声学成像技术则主要依赖于声波的作用原理进行成像，因此也被称为“声波成像技术”。
声学成像技术在生命科学中的应用十分广泛，例如在超声心动图中，声学成像技术被广泛应用于对人体心血管系统的检测，因为它可以实现高分辨率和深度的成像。
此外，声学成像技术还可以用于诊断乳腺癌、肺炎等疾病，还可以用于识别心血管系统中的动脉粥样硬化等疾病。
除此之外，声学成像技术还可以用于研究生命体的动力学性质。
比如，它可以监测血液流速、细胞的形态、动态变化等，有助于我们深入了解细胞生命周期的各个阶段和各种生理过程的发生及机理。
总体而言，光学和声学成像技术的应用让我们在生命科学中对生物结构和生理机能有了更为清晰和直观的认识，推动了生物医学领域的发展和进步，为人类带来了更健康和美好的生活。
光学显微成像技术在生物科学中的应用
光学显微成像技术在生物科学中的应用光学显微成像技术是一种利用光学器件将样品中的微小结构放大的技术。
这种技术在生物科学中应用广泛，尤其是在细胞和分子水平上的研究中。
本文将会探讨光学显微成像技术在生物科学中的应用，例如荧光显微镜、共焦显微镜和高分辨显微镜等。
荧光显微镜荧光显微镜是一种基于荧光原理的显微镜。
这种成像技术可以将特定的分子和组织成分标记为荧光，然后通过显微镜进行成像。
在生物科学中，荧光显微镜可以被用来研究细胞、分子、蛋白质等生物组织的结构和功能。
荧光成像技术是一种非常有用的研究工具，因为它可以帮助研究人员观察到细胞和分子水平上的一些微小变化，例如细胞膜和细胞核的变化、细胞器官的动态变化等等。
荧光显微镜技术被广泛应用于生物医学研究中。
除了用于细胞和分子水平的图像化研究外，荧光显微镜还被广泛应用于制备高分辨图像的新型成像技术，例如STORM（结构光学重构微观成像）和PALM（单分子局部化显微镜）等技术。
这些新的成像技术可以帮助生物科学家获得更为精确的细胞和分子图像，以更好地理解细胞和分子运作的方式。
共焦显微镜共焦显微镜是一种能够获取轻微变形生物样品的三维图像的高级显微镜。
共焦成像技术通过在不损坏样品的情况下，合成一组二维图像透过显微镜镜片重构成三维图像。
因此，共焦显微镜的成像能力比传统显微镜更加精确，能够证实数学模型的预测。
共焦显微镜成像技术可以帮助生物科学家研究细胞的结构和功能。
例如，共焦显微镜可以用来研究细胞分裂以及细胞形态的变化等问题。
此外，共焦成像技术也可以用于生物体内的三维成像，例如，针对植物根系的研究、生物组织的构造、神经回路的结构和功能等等。
因此，共焦显微镜成像技术是一种非常有用的生物科学研究工具，能够加深我们对维度更高的生物系统的理解。
高分辨显微镜高分辨显微镜是一项用于生物成像的先进成像技术。
高分辨显微镜成像技术包括几种不同的技术，例如：超高分辨荧光显微镜技术、总内反射荧光显微镜技术、基于结构的临界角显微镜技术等。
光学仪器在生物学和生命科学中的应用
光学仪器在生物学和生命科学中的应用光学仪器在生物学和生命科学领域中扮演着至关重要的角色。
它们被广泛应用于显微镜、光谱分析、成像和检测等技术，为我们提供了深入了解生物体的能力。
本文将探讨光学仪器在生物学和生命科学中的应用，并重点介绍一些关键技术和实例。
显微镜技术显微镜技术是生物学和生命科学中最重要的工具之一。
光学显微镜利用光学原理将微小生物体或细胞放大，使我们能够观察它们的结构和功能。
高分辨率显微镜能够提供更清晰的图像，揭示细胞内部的细节。
此外，荧光显微镜通过使用特定波长的光照射样本，使特定分子或结构发光，从而能够观察到细胞内的特定过程。
这些显微镜技术在细胞生物学、神经科学和分子生物学等领域中发挥着重要作用。
光谱分析技术光谱分析技术是利用光的谱性质来研究物质的组成和性质的一种技术。
在生物学和生命科学中，光谱分析被广泛应用于蛋白质分析、DNA测序和化学成分分析等方面。
通过分析样本的光谱，可以得到有关其分子结构和化学成分的信息，从而帮助我们更好地理解生物体的功能和机制。
成像技术光学成像技术在生物学和生命科学中的应用也非常广泛。
光学显微镜成像技术已经发展到可以实时观察细胞内部过程的程度。
此外，光学相干断层扫描成像技术能够提供高分辨率的细胞和组织图像，用于研究细胞行为和组织结构。
光学成像技术在神经科学、肿瘤研究和生物学研究等领域中具有重要的应用价值。
光学传感器光学传感器是一种能够将光信号转换为电信号的装置，被广泛应用于生物学和生命科学中的检测和监测。
光学传感器能够检测生物分子间的相互作用、细胞活动和组织功能等。
它们在生物医学检测、药物筛选和生物传感领域中发挥着重要作用。
实例分析以下是一些光学仪器在生物学和生命科学中应用的实例：1.荧光显微镜在神经科学中的应用：通过荧光显微镜，科学家们能够观察到神经元之间的联系和信号传递过程，进一步了解大脑的功能和疾病机制。
2.光谱分析在蛋白质组学中的应用：通过光谱分析技术，可以鉴定蛋白质的序列和结构，为蛋白质功能研究和药物开发提供重要信息。
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400年前，显微镜发明
第一次打开了人类认识微观世界的大门 开启了人类生命与生活的重要内容
Robert Hooke
1665
软木的木栓组织 上的微小气孔
• 1665 年，Robert Hooke(胡克)：「细胞」名词便是由虎克利用 显微镜观察软木的木栓组织上的微小气孔而得来的。 • 1674 年， Leeuwenhoek( 列文虎克 ) ：发现 了原生动物，并随后首次发现「细菌」。
三、突破衍射极限成像
阿贝衍射极限
德国科学家阿贝，1873
能看多小？
阿贝衍射极限
显微镜可分辨的最小线度为： L =0.61λ/N.A. N.A.为镜头的数值孔径。 可见光：380～780nm 普通显微镜的分辨率一般为 200nm以上。
斯特凡⋅赫尔的受激发射损耗 (STED)
STED 扫描成像过程
• 1930年，Lebedeff(莱比戴卫)：搭建第 一架干涉显微镜，同时Zernike(卓尼克) 在1932年发明出相位差显微镜，适用于 观察活细胞和未染色标本。
• 1952 年， Nomarski( 诺马斯基 ) ： 发明微分干涉相位差光学系统。 适用于观察活细胞的种种细节。
• 1988 年 ， Confocal 扫 描 显 微 镜被广为使用。既可以用于 观察细胞形态，也可以用于 进行细胞内生化成分的定量 分析、和实现长时间活细胞 动态观察。 • 1990年，发展了非线性光学多 光子显微成像技术。适用于生 物细胞、活组织的长时间动态 三维成像。
射频波段 核磁共振谱学及成像 —— 波谱学技术的代表之一
Isidor Isaac Rabi
Felix Bloch
Edward Mills Purcell
气态原子磁共振 1944年诺贝尔物理学奖
宏观核磁共振 - 1952年诺贝尔物理学奖
Richard R. Ernst
Kurt Wüthrich
Paul C. Lauterbur
黏着斑蛋白
PALM
ห้องสมุดไป่ตู้
PALM
PALM
Science 313, 1642 (2006)
黏着斑的显微结构
基于超分辨显微结果，在纳米尺度上确定蛋白组织方式：
黏着斑是组织良好的超级结构：整联蛋白(integrins)和肌动蛋白 (actin)被一个40 nm长、由部分重叠的蛋白特异性层组成的核分开，又被 人踝蛋白(talin)联系在一起。
活细胞研究
共聚焦显微图像 无法区分单个突触囊泡 (直径大约40 nm)
STED显微图像 观察到单个突触囊泡
Nature, 440, 935(2006)
活细胞研究
自由扩 散 束缚在 通道中
传统显微镜光斑太大（黑圈）， 难以追踪细胞膜表面脂类分子 的纳米运动 。 脂类分子的协作 参与信号转导和物质转运。 STED 显微分辨率足够高，直 接追踪单膜脂分子在活细胞 细胞质膜中的扩散运动，显 示分子的两种运动模式。
光学成像在生命科学中的应用：从 2014年诺贝尔奖纳米显微技术谈起
龚旗煌
北京大学物理系 人工微结构和介观物理国家重点实验室
报告内容
一、引言 二、显微镜发明 三、突破衍射极限成像 四、看不见光 —— 新波段应用 五、致谢
一、引言
2014年诺贝尔化学奖授 予美国科学家埃里克 · 白 兹格、威廉姆 · 莫尔纳尔 和德国科学家斯特凡 · 赫 尔，以表彰他们在超高分 辨率荧光显微技术领域的 贡献。
PALM 原理示意
d<D d<λ
d<λ
d<λ
PALM 原理示意
起居室中的科学实验
/
高分辨率荧光蛋白成像
利用PALM技术，将密布于仅为头发丝截面的1/5000的面积中 的十万个分子进行高分辨观测，分子间隔约为20纳米。
TIRF
TIRF
TIRF
反转录病 毒蛋白 细胞片足内 的肌动蛋白
商用STORM分辨率 横向 ~20nm 轴向~50nm
哺乳动物细胞的多色成像
绿色： 微管 红色： 网格蛋白包覆的细微结构
Science 317, 1749 (2007)
微丝的超微结构
微丝的三维显微： 由肌动蛋白 （ Actin ）组成的直 径约为 8 nm 的纤维 结构，不同的颜色 表明结构在深度方 向的位置； 深度方向的分 辨 率 达 到 20 nm ， 原有的二维超分辨 技术拓展到三维。
长波区域：THz 生物医学成像
λ: 0.03 - 3mm
癌症肝脏THz吸收图像
太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁 波，介于微波与红外之间。太赫兹波具有很强 的穿透能力，与X光相比对生物样品组织辐射损 伤小，在生物医学成像领域有广泛的应用。例 如皮肤癌、乳腺癌以及肝癌的检测。右边所示 为患癌肝脏在特定太赫兹波谱的成像结果。
显微镜 ——
生命科学中光学成像的首要工具
我们怎么 “ 看见 ” ？
眼球对物体在视网膜上成像
透镜对物体在照相底片上成 像
我们能看多小 ？
眼球对物体在视网膜上成像
二、显微镜发明
早在公元前一世纪， 人们就已发现通过球 形透明物体去观察微 小物体时，可以使其 放大成像。后来逐渐 对球形玻璃表面能使 物体放大成像的规律 有了认识。
2006年
STORM: 随机光学重构显微镜 Stochastic Optical Reconstruction Microscopy 可以超高分辨率定位细胞内源蛋白
荧光分子太小，不能直 接分辨，对其大量测量 统计，中心定位精度 ~ 1nm 两种荧光探针分子 单次随机激发极少数荧 光探针分子,多次重复， 重构二维或三维图像。 在 Cy3 的 多 次 作 用 下 ， Cy5的中心就可以精确定 位。
Nature Methods 9, 185(2012)
结构光照明显微镜 (SIM)
麦茨•古斯塔夫森 (Mats Gustafsson)
(1960–2011)
结构光照明显微镜 (SIM)
SIM ：宽视场快速成像
3D SIM 记 录 了 海马神经元丝状 伪足的运动
8.5 秒/帧 标尺2 微米
PNAS 109, 5311–5315(2012)
Robert Huber
Hartmut Michel
光合作用被诺贝尔奖基金委员会是 “ 地球上最重要 的化学反应 ” 它是地球上一切生命生存和发展的基 础。到目前为止，共有8次诺贝尔奖的桂冠被从事光 合作用研究的科学家所摘取。
其它X射线相关工作多次获得诺贝尔奖
1915年，布拉格父子因导出X射线晶体结构分析的基本方程获诺贝尔物理奖 1924年，卡尔希格班因 X射线光谱学获诺贝尔物理奖 1937年, 德拜因为应用X射线测定许多有机分子结构获诺贝尔化学奖 1946年, 马勒发现X射线照射可致基因突变而获诺贝尔生理学或医学奖 1962年，肯德鲁、佩鲁兹因为借助X射线、研究了肌红蛋白的三维结构，而获 诺贝尔化学奖 1964年，霍奇金因为用 X射线晶体学确定了青霉素， B12等重要生化物质的晶 体结构，而获诺贝尔化学奖 1979 年，豪恩思费尔德、科马克因开发计算机辅助体层摄影术（ＣＴ），而 获诺贝尔医学或生理学奖 1985年， 霍普托曼、卡尔因直接法解析结构获诺贝尔化学奖
1994年，赫尔提出STED的概 念
Opt. Lett. 19, 780 (1994)
经过5年的时间，STED在实验上得以实现
Opt. Lett. 24, 954 (1999)
2000年，第一次将STED方法用于活细胞成像，记录了一 个酵母活细胞的液泡膜
PNAS 97, 8206-8210(2000)
• 1833 年， Brown( 布朗 ) ：在显微镜下观 察紫罗兰，随后发表了对「细胞核」的 详细论述。 • 1857年，Kolliker(寇利克)：发现细胞 中之「线粒体」 。
• 1879年，Flemming(佛莱明)：发现了动 物细胞进行有丝分裂时，其清晰可见的 染色体活动过程。
• 1888 年， Cajal( 卡嘉尔 ) 为首的组织学 家发展出显微镜染色观察法，为显微解 剖学奠定了基础。
Sir Peter Mansfield
高分辨NMR 1991年诺贝尔化学奖
NMR蛋白结构解析 2002年诺贝尔化学奖
MRI - 2003年诺贝尔医学及生理学奖
NMR成像技术的发展，促进了生命科学与医学的进步
各种磁共振成像
“电子束” 代替 “光束” —— 电子显微镜
1931年，恩斯特·鲁斯卡通过研 制电子显微镜，电子束和电子透镜 代替光束和光学透镜，使物质的细 微结构在非常高的放大倍数下成像 的仪器。使生物学发生了一场革命 。这使得科学家能观察到百万分之 一毫米那样小的物体。 1986年恩斯特·鲁斯卡被授予诺 贝尔奖。
Nature 468, 580(2010)
随机光学重建显微技术 (STORM)
PALM 和 STORM 的区别： 原理一致，标记方法不同 PALM 使用从外部引入的 光激活蛋白基因（由 2009年 诺贝尔奖获得者钱永健教授 和本次诺贝尔奖获得者莫尔 纳尔发现的光激活绿色荧光 蛋白分子）标记样品； STORM使用化学合成的有 机荧光 分子对 （ Cy5-Cy3 ） 进行细胞内生物蛋白标记。
透射电镜
透射电镜 扫描电镜
结语
/nobel_p rizes/chemistry/laureates/2014/ad vanced-chemistryprize2014.pdf
通过在纳米尺度上真实、定量地描述复杂、 多维分子生物学动态过程，最终对生物学和医 学产生革命性的影响。
四、看不见光 —— 新波段应用
利用显微镜
人类通过眼睛来观察世界, 从而能动地改造世界。 可见光 380～780nm
光的本性
光波 —— 电磁波 波长（频率） 眼睛可感受到的光波波长范围——可见光