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超分辨显微镜的工作原理和应用

随着科技的飞速发展，人们对于微小的物体的研究越来越深入。

在过去，显微镜可以提供的最高分辨率为200nm左右，然而很多

细胞和物质需要更高的分辨率才能被准确的研究。超分辨显微镜

(deconvolutionmicroscopy)因而被应运而生，它的分辨率可以达到

20nm以下，是传统显微镜的10倍以上。下面，本文将为你介绍

超分辨显微镜的工作原理和应用。

一、超分辨显微镜的工作原理

超分辨显微镜的工作原理是使样品产生的荧光分子处于暗区域

退回到明亮区域，通过这种方法，显微镜能够获取比传统显微镜

更清晰的图像。

在超分辨显微镜之前，由于空气折射率的限制，显微镜无法将

细胞成像到更高的分辨率。超分辨显微镜通过不同的方法打破了

这个技术障碍。例如，受到今天最先进的高清电视和摄像机技术

的启发，超分辨显微镜使用一种称为激发的荧光分子反转的技术

（StimulatedEmissionDepletion，简称STED）来实现高分辨率显

微成像。

基本上，STED方法是通过在激光束之间使用减少荧光过程的

抵消光束来使荧光分子处于暗区域抵消光束来使荧光分子处于暗区域退回退回到明亮区域的。荧光物

质只能在光束中的明亮区域发光，当光束聚焦到小于荧光分子的

空间大小时，荧光分子会产生干扰，使得分辨率变得模糊。为了

解决这个问题，STED技术增加了所有光束之间的强烈相互作用，

目的是将荧光分子拉回到它们本应该出现的明亮区域。这使得

STED显微镜能够放大高达20nm以下的样品。

二、超分辨显微镜的应用

超分辨显微镜的应用涵盖了许多生命科学领域，从细胞核到分

子水平都有广泛的应用。

（一）细胞功能研究

超分辨显微镜的分辨率可以揭示小分子的扩散、细胞器动力学

和蛋白质亚细胞位置，在细胞功能研究中有着重要的应用。

例如，在分子分布的研究中，超分辨显微镜可以帮助研究人员

观察受体和离子频繁转位的过程。该技术还可以用于研究神经元

的突触功能，因为它可以检测小型生物分子如神经递质的扩散情

况。

（二）单分子跟踪

超分辨显微镜可以跟踪单个分子的活动，从而了解它们在细胞

中的功能和情况。例如，纳米显微镜（Nanoscopy）可以非常精确

地获取单个蛋白质的位置，藉此了解它们如何被组织在细胞中，

有助于我们了解细胞活动的本质。

（三）3D成像

通过超分辨显微镜，科研人员得以在三个空间维度和时间维度

上扫描和成像样品的过程，从而获得细胞的三维结构。这种成像

技术在免疫组织学和组胚学等领域中都有广泛应用。

总结：

超分辨显微镜的发展与生命科学的发展紧密相连。其高分辨率

成像带来的贡献不言而喻，在研究细胞、分子等生命过程方面有

广阔应用前景。然而，尚不可忽视是，超分辨显微技术目前仍面

临不少技术瓶颈，如探针的标记效率及灵敏度仍需进一步提高等。