超分辨荧光显微镜_显纳镜

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1、超分辨荧光显微镜-显纳镜袁景和方晓红*(中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室北京100190)摘要2014年诺贝尔化学奖授予美国科学家EricBetzig、德国科学家StefanW．Hell和美国科学家WilliamE．Moerner，表彰他们在“发展超分辨荧光显微镜”方面的贡献。超分辨荧光显微镜的出现，为深入研究生命过程的分子机制提供了新的工具和新的机遇。本文综述了三位获奖人发明的两种超分辨荧光显微镜的基本原理、方法发展和生物医学应用，并对国内相关研究进展作了简介。关键词超分辨荧光显微镜单分子成像受激辐射耗尽(ST

2、ED)显微镜光活化定位显微镜(PALM)，随机光学重构显微镜(STOＲM)Super-ＲesolvedFluorescenceMicroscopy—NanoscopyYuanJinghe，FangXiaohong*(CASKeyLaboratoryofMolecularNanostructureandNanotechnology，InstituteofChemistry，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190)AbstractTheNobelPrizeinChemistry2014hasbeena

3、wardedjointlytotheUSAscientist，ErikBetzig，Germanscientist，StefanW．HellandUSAScientist，W．E．Moernerforthedevelopmentofsuper-resolvedfluorescencemicroscopy．Super-resolutionmicroscopeoffersapowerfultoolandnewoppertunityfortheinvestigationofmolecularmechinsamoflifeprocesses．

4、Thispaperreviewstheprinciples，instrumentdevelopmentsandbiologicalapplicationsoftwotypesofsuper-resolutionmicroscopeinventedbythethreeNobelpricewinners，andbriefcommentstherelatedworkinChina．Super-resolutionfluorescenemicroscope，Single-moleculeimaging，Stimulatedemissionde

5、pletionKeywords(STED)microscope，Photoactivatedlocalizationmicroscope(PALM)，Stochasticopticalreconstructionmicroscopy(STOＲM)学研究的瓶颈，阐明生化反应和生命活动的分子机制，最终揭示生老病死的生命奥秘，带来了新的手段和新的机遇。所谓超分辨荧光显微镜是指超过衍射极限分辨的荧光显微镜。光学显微镜由于其非侵入、动态表征等优势，广泛应用于生命科学研究［2］。然而，物理学家ErnstAbbe在1873年就指出，传统光学显微镜的

6、分辨率有一极限值。因为一个无限小的点所发出的光，经显微光学系统成像后得到的是一个扩展的焦斑，即艾里斑。Abbe推算出艾里斑半径Δr可用以下公式描述［3］:化学是在分子水平研究物质组成、结构、性质及变化的科学。正如美国科学院院士、哈佛大学谢晓亮教授在《Science》评述中所指出的“活细胞已成为21世纪(科学研究中)的试管”［1］，在生命化学研究领域，越来越多的化学家将生理状态下的复杂生物体系如活细胞或活体作为研究对象。研究人员首先面临的挑战问题是，如何在活细胞/活体中实现分子水平上生物分子的结构、分子间(内)相互作用、生化反应等的实时

7、动态检测。2014年诺贝尔化学奖获得者EricBetzig、Hell和WilliamE．Moerner所发展的StefanW．“超分辨率荧光显微镜”，为人们突破这一生命化袁景和男，博士，副研究员，从事超分辨光学显微成像、图像处理与模式识别研究。*联系人，方晓红女，博士，研究员，从事单分子检测、单分子/超分辨成像和纳米生物研究。E-mail:xfang@iccas．ac．cn科技部国家重大研究计划项目(2013CB933701)和国家自然科学基金项目(91213305)资助2014-10-20接受化学通报2014年第77卷第11期htt

8、p://www．hxtb．org·1030·=0.61λΔrSTED荧光显微镜原理早在1994年Hell［5］就提出了通过受激辐射11.1NA其中，λ为发射光波长，NA为物镜数值孔径。由于一般NA＜1.4，Δr约为半个波