超高分辨率显微镜(建议用Word2016打开)

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1、超高分辨率显微镜学习报告地空学院赵思源20141000215摘　要：超高分辨率显微镜是近年来生命科学领域重要的研究手段之一。2014年诺贝尔化学奖颁发给超高分辨率显微技术领域的三位科学家，以表彰他们在该领域所作出的杰出贡献。超高分辨率技术的典型代表有受激损耗、结构光照明以及单分子定位等。这些技术的出现使得传统光学显微镜难以分辨的细胞器、分子等细节信息可以被观察到，帮助科学家从纳米尺度认识细胞内分子结构、定位以及相互作用。关键词：光学衍射极限超分辨荧光成像受激发射损耗随机显微重构单分子成像Abstract:Super-resolutionmicroscopyisone

2、oftheadvancedmeansforthestudyoflifesciences.The2014NobelprizeinChemistrywasawardedtothreescientistsfortheircontributionstothesuper-resolutionmicroscopy.Representativetechniquesachievingsuper-resolutionarestimulated-emission,structured-illumination,andsinglemoleculelocalization.Theadvan

3、cementofthesetechniquesenablethevisualizationofthedetailincellorganelle,macromolecules,andthelocalizationofmolecules.Suchkindofinformationwasunresolvableundertraditionalopticalmicroscopesandwillhelpunderstandthestructure,location,interactionofmoleculeswithincellsinnanometerscale.Keywor

4、ds:Opticaldiffractionlimit;Super-resolutionfluorescenceimaging;Stimulatedemissiondepletion(STED);Stochasticreconstructionmicroscopy;Singlemoleculeimaging1光学显微成像的衍射极限生物医学成像技术是基础生物学研究和临床医学最重要的工具之一。回顾历史，已有多位科学家凭借在成像技术方面的突破获得诺贝尔奖。其中，Ｒoentgen因发现X射线获得1901年诺贝尔物理学奖;Zernike因发明相衬显微镜获得1953年诺贝尔物理学

5、奖;Ｒuska的电子显微镜以及Binning和Rohrer的扫描隧道显微镜获得1986年诺贝尔物理学奖;Lauterbur和Mansfield因发明核磁共振成像技术共同获得2003年诺贝尔生理医学奖。在刚刚过去的2014年，诺贝尔奖评审委员会再一次肯定成像技术的重要性，将诺贝尔化学奖授予发展超分辨率荧光显微成像技术的3位科学家。他们分别是来自美国霍华德·休斯医学研究所的EricBetzig、德国马普生物物理化学所的StefanW．Hell和美国斯坦福大学的WilliamE．Moerner(图1)。图1获得2014年诺贝尔化学奖的3位科学家光学显微成像的起源大约可以追

6、溯到16世纪末荷兰眼镜商Janssen和他的儿子发明的原始光学显微镜。他们把两个凸透镜安装在一个筒中，发现这种组合可以放大物体。在之后的几十年中，荷兰人AnthonyVonLeeuwenhoek和英国人RobertHooke在成像原理和实践中不断改进，实现了现代光学显微镜的雏形。Leeuwenhoek第一次观察到了牙缝中的细菌;而Hooke则于1665年在显微镜下看到了软木塞的微小结构并将其命名为细胞(cell)，成为生物学研究的一个里程碑。在接下来的300多年里，各种基于光学显微的生物成像技术不断涌现，生物学家也因此取得了一个接一个重大发现。虽然光学显微镜如此有用

7、，但生物学家一直不满意其分辨率。特别是细胞生物学家在观察细胞内部结构时图像模糊，无法看清楚细节。在实际操作中，有多种因素会影响光学成像的清晰度，包括样品自身的背景光以及对光的吸收、散射和折射等光与物质的相互作用过程，也包括物镜的色差、球差、透光度和成像元件的灵敏度等硬件因素。在这些因素之外，光学成像的分辨率的理论极限则是由光的衍射决定的。早在1835年，英国科学家GeorgeB．Airy就提出了“爱里斑(Airydisk)”的概念(图2):由于光的衍射，即使一个无限小的发光点在通过透镜成像时都会形成一个弥散的图案，即爱里斑，而其在像平面处的光强分布函数称为这个光