《2014 超分辨显微镜》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2014 超分辨显微镜（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光学显微镜有个分辨率的极限问题，大概是半个光学波长，比这个波长更小的物体，就分辨 不出来了，比如使用 400 纳米的光，分辨率就是 200 纳米左右。这个极 限大概 19 世纪就知 道了，最近二十年才被打破，所以意义重大，所用的手段是纯粹的物理学，所以说今年的化 学诺奖是物理学的胜利。 以前有双光子显微镜，可以稍微低于这个分辨率极限，但是实际上就在极限上工作。所谓的 超分辨率荧光显微镜，就是打破了这个分辨率的极限，比如还用 400 纳米的光，可以容易分 辨 200 纳米以下的物体，甚至可以达到 20 纳米。 以前的显微镜总是用一束光，这束光是一根细丝，聚焦到一个很小的小点上，这个小点就是 分辨
2、率极限。由于光的衍射效应，这个小点的大小受到光的波长的限制。这也是自从人类发 明光学显微镜以来，困扰了 200 多年的难题。 阎王爷先生的超 分辨荧光显微镜叫做 STED, 基本原理是用两束光，实际上是两束激光，一 束是正常的光聚焦到一个小点上，下图左边，这个就是衍射极限的最大分辨率；另一束激光 变成中空的筒子一样，下图 中间；两束光聚焦到同一点上，由于第二束光把第一束光给灭 了，只有中间那点没有灭掉，所以才能看到，这个更小的小点就是新的分辨率，打破了衍射 极限，下图 右边。这就是这个项目的重大意义所在。 这样，使用这样的光学显微镜就可以清楚看到更小的物体，比如纳米材料的形貌，更广泛的 应用是
3、在生物学领域，比如下图，等待生物学专业人士来科普。 顺便说一句， 中国目前是否有这样的超分辨光学显微镜我还不清楚， 北大的席锋那里可能有， 质量和运性情况不知道，其他单位没有听说过。 比这个显微镜更低档一点是，双光子显微镜，所用的激光就是飞秒激光，国内估计总共有 50 台左右，价格每台 300 万到 600 万元，全部西方制造，只有五家公司：尼康，奥林巴斯， 莱卡和蔡斯等。 更低一点档次的显微镜是激光显微镜，每台大概 200 万元，国内估计 200 台到 300 台之间， 只有西方制造。 还有电子显微镜，分辨率可以达到 0.1 纳米或许更小，远远比这个超分辨的光学显微镜高， 但是各有优缺点。以
4、后抽空再来评述。 庄小威的超级显微镜庄小威的超级显微镜 vs 赵忠贤的高温超导赵忠贤的高温超导 消息传来，超级显微镜 （这里是俗名，学名是超分辨荧光显微镜）获得 2014 年诺贝尔化学 奖，恭喜！ 其实很多人都看准了这个项目，连我在 2012 年都留下了笔迹： * 2012-10-4， 2012-10-4， 我看到的一些诺贝尔奖级别的成果和工作我看到的一些诺贝尔奖级别的成果和工作 6. 超级分辨光学显微镜6. 超级分辨光学显微镜 德国马普学会一家研究所的阎王爷先生 阎王爷先生 Stefan W. Hell 发明的 STED 技术 （Stimulated Stimulated Emission
5、Depletion MicroscopyEmission Depletion Microscopy） ，我觉得是板上钉钉要得，不知道是那一年。同时和这 个竞争的还有 STORM 和 PALM 技术。个人觉得后面两种以及变种不太靠谱，技术复杂后处 理麻烦也不实用，纯粹玩玩而已。但是现在授奖很可能有纠结产生纠纷，因为给了第一个后 面两个会有意见。反正大家都年轻，最好等几年，适者生存，如果后面的技术被时间淘汰掉 了，诺奖委员会就好办了。 http:/ 研究实现STED超分辨率光学显微成像， http:/ 席鹏: 如何实现光学超分辨，http:/ 7. 双光子荧光显微镜和非线性光学显微技术7. 双光子
6、荧光显微镜和非线性光学显微技术 双光子荧光显微镜的分辨率略微低于光学衍射极限， 普林斯顿的 3W 大概 1991 年发明的， 并 申请了专利保护。这种显微镜非常实用，目前市场非常好。但是，你 3W 申请专利保护严重 阻碍了市场的开发，后来的超分辨显微镜后来居上，青不是出于兰但是胜于蓝，你估计只有 冷板凳了。你也去遗憾擦肩而过吧。 跟这个紧密相关的是著名华人 Sunny Xie 的非线性光学显微技术，如果没有超分辨显微镜， 可望和 3W 分享。现在只能空留遗憾了。 总之，科学的进步不等人。 * 2012-8-23， 庄小威 PK 张首晟，饶毅 PK 施一公，北大 PK 清华 庄小威名门出身，科大
7、少年班毕业，美国有名校依托，两大名师撑腰：光学界赫赫有名的沈 元壤教授，朱棣文教授（现在可是政府高官！），学术上弄出一个超分辨光学显微新技术 （STORM），红起来了。 STORM 和 PALM 技术能否战胜 STED 技术而冲击诺奖，此话 不好说。 * 上面的内容比较浓缩，清楚阐述为： *普林斯顿大学的 3W 大概 1991 年发明的双光子荧光显微镜在科学上已经不够新颖了，够不 上诺奖； *牛人谢晓亮（好像兼职在北大）的非线性光学显微技术在科学上已经不够新颖了，也够不 上诺奖； 以上两位遗憾去吧！ 超级显微镜目前有三种技术：STED， STORM 和 PALM，我只看好 （阎王爷先生发明的）
8、STED 技术，而认为 STORM 和 PALM 两个技术实际上不靠谱。 今天结果出来，有一点点出入，就是： *阎王爷先生发明的 STED 技术给了， *Eric Betzig 的 PALM 技术也给了， *但是庄小威的 STORM 技术栽了，还是从楼顶直接一头掉下来的！ 就这么点事儿，不耽误吃也不耽误喝，看起来起了很大的争议，置顶博文： 诺奖获得者 Eric Betzig 在超分辨率显微镜方面的贡献不如庄小威 我就耽误点睡觉和美梦，洗洗睡之前，我就多说几句。 第一，Eric Betzig 的 PALM 技术有故事，有来龙去脉。 90 年代，Eric Betzig 正在新泽西州贝尔实验室开发一
9、种近场光学显微镜另一种超级 显微镜，采用亚波长尺度的光纤探针在距离样品表面几个纳米的近场范围进行扫描成 像。 如利用孔径在 20-90nm 的近场探针在样品上进行扫描而同时得到分辨率高于衍射极限的形 貌像和光学像的显微镜。 近场光学显微镜能够突破光学衍射极限， 虽然不是非常强大。 对细胞表面结构可以进行更精 细观察。 1995 年，Eric Betzig 认为近场显微镜不能继续提高分辨率，另外他认为不适合搞学术研 究，就停止了学术职业，他从贝尔实验室辞职，但他又不知道该干什么，呆在家里， 宅起 来了。但是，光学衍射极限问题一直在他头脑中阴魂不散，当他在一个寒冷的夜晚散步时， 一个新的想法来袭，
10、是否可以用分子的不同性质来突破这个极限？例 如可以发出不同荧光 的分子。 受到 W. E. Moerner 的单分子技术的启发，Eric Betzig 很快使用近场显微镜实现了单分子 荧光检测， 然后他开始思考是否可以用普通光学显微镜检测能发出不同荧光的单分子。 这个 思路就是用显微镜对每种 颜色进行分别照相，只要同一种颜色的分子距离没有小于 Abbe 光学衍射极限的 0.2 微米， 最后将不同颜色的照片进行重叠获得不同颜色的照片， 这样不同 颜色 的分子即使距离非常接近达到纳米水平，因为是不同时间采集的信号，所以可以进行 精确区分。这正是突破光学衍射极限的理想办法。不过在当时在实施中存在一些
11、 问题，例 如缺乏足够光学性质的分子。 1995 年，Eric Betzig 在Optics Letters, 20:237-9 (1995) 发表了他的理论思路(这 个是一个重要的来源)，便离开学术机构到他父亲的公司工作。此后多年，Eric Betzig 与 学术界脱离了联系。突然有一天，对科学的渴望再次让他返回了科学界。真正的突破发生在 2005 年，当他了解到能随意控制荧光蛋白，Eric Betzig 意识到荧光蛋白的这种特征能帮助 实现他 10 年前的想法。这些荧光分子不必要发射不同颜色，它们只需要在不同时间发射荧 光就能解决问题。只用了 一年时间，Eric Betzig 就实现了这个
12、技术，大功告成。 第二，庄小威的 STORM 技术突然半路杀出来，把大家下了一大跳。真实的故事为（将来有待 进一步确定细节）： 99HBGHBG 2014-10-8 13:31 照 ERIC 团队说的-ERIC 的 BELL（贝尔实验室）老板（宇宙爆炸背景噪声 NB）听说 ERIC 在自己家里做了超分的原型后，建议 ERIC 去 NIH（美国国立卫生局）。他推荐 ERIC 的工作， 告诉了 STEVEN CHU（朱棣文，庄小威的老板和后台） ，CHU 告诉了他的 PROTEGE 小薇。最 后，ERIC 的 SCIENCE 文章被 REVIEW 了快一年，小薇的 NP 文章只有 2 个月不到。为
13、此，ERIC 拒绝领 ACS 的奖。 2929HBGHBG 2014-10-8 14:11 刚又看了小薇的第一篇 STORM （Aug。 NM2006） “AUTHOR CONTRIBUTIONS， M.J.R. and M.B. conceived the STORM imaging concept. M.J.R., DNA imaging and data analysis; M.B., RecA imaging and data acquisition. X.Z. supervised the project.“ 居然 REVIEW 了才 24 天， ERIC 的 PALM 是 4 个月
14、，但是据 ERIC 讲他们一年前就和 SCIENCE 的 EDITOR 有了联系。 Betzig E, Patterson GH, Sougrat R, Lindwasser OW, Olenych S, Bonifacino JS, Davidson MW, Lippincott-Schwartz J, Hess HF. Imaging intracellular fluorescent proteins at nanometer resolution. Science. 2006 Sep 15;313(5793):1642-5. Epub 2006 Aug 10. 13 March 200
15、6; accepted 2 August 2006 Rust MJ1, Bates M, Zhuang X. Sub-diffraction-limit imaging by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM). Nat Methods. Nat Methods. 2006 Oct;3(10):793-5. Epub 2006 Aug 9. RECEIVED 7 JULY; ACCEPTED 31 JULY; PUBLISHED ONLINE 9 AUGUST 2006 3636何彦何彦 2014-10-8 14:20 庄 小威没得奖很可惜，因为她确实为超分辨的发展和推广应用做出了巨大贡献，否则也不 会 40 岁就评上美国科学院院士。但是，诺奖奖励的是最原创的发现。从其网 站公告（见孙 学军翻译）中可以很明显地看出来，Eric Betzig 得奖的主要原因很可能是由于他 1995 年 发在光学快报上的一篇概念性文章，尽管他当时并没有条件去实现这个
