荧光显微镜的极限分辨率怎么实现

　　荧光显微镜的极限分辨率怎么实现？这是光显微镜的圣杯：利用一种方法提高显微镜的分辨力，让人们可分辨出彼此很接近的单个分子。在德国哥廷根的马克斯普朗克生物物理化学研究所内，科学家围绕诺贝尔奖得主Stefan Hell，现在已经取得了很长一段时间被认为是不可能的研究成果，即他们已经开发出一种新的荧光显微镜，称为MINFLUX，首次实现了能够分辨光单独的分子结构，其间的距离只有纳米（一毫米的一百万分之一）。

　　这种显微镜比常规的光镜要清晰100倍以上，甚至超过目前最好的超高分辨率光学显微镜达20倍的精度，即由诺贝尔奖得主描述的Eric Betzig Hell and PALM/STORM开发的名为STED的显微镜。对于MINFLUX来说，Hell在一个全新的概念水平上利用了STED 和PALM/STORM平台的优势。这一突破开辟了研究新的机会，研究人员可在分子水平上研究生命的功能是什么样的。

　　“我们利用MINFLUX经常获得了纳米量级的分辨率，这也是单个分子的直径，这也是荧光显微镜可能的极限，” Hell解释说，他是马克斯普朗克生物物理化学研究所所长。“我相信，MINFLUX显微镜已经很有潜力成为细胞生物学的最基本的工具了。有了这个概念，它可以映射出细胞的分子细节，并观察其内部的实时快速过程。这可能会改变我们在活细胞中发生的分子过程的有关知识。”

　　哥廷根的物理学家们也在普朗克医学研究所、海德堡的德国癌症研究中心进行工作，长期以来一直相信，利用经典的聚焦光束和常规镜头，荧光显微镜的分辨率可以提高到分子的个体维度。

　　而事实上，物理学家Ernst Abbe在1873已经论证了，光学显微镜的分辨率的极限是光的波长的一半，即约200纳米。100多年以后，这个Abbe极限仍然有效。然而，Hell在1994年就表明，这种限制利用STED显微镜是可以克服的，并在五年后建立了实验。

　　STED和PALM/STORM，也是在随后几年中发展出来的，并在实践中实现约了20至30纳米的分辨率，这约是Abbe极限的十倍的分辨率。对于这些超高分辨率光学显微镜技术的发展，Hell与William E. Moerner一起被授予2014诺贝尔化学奖。

　　集成STED 和PALM/STORM的优势

　　STED 和PALM/STORM都是通过一个接一个让荧光分子进行开启和关闭，单独发射荧光，从而实现相邻的荧光分子的分辨。然而，这个方法有很重要的一点不同是：STED显微镜使用炸圈饼形状的激光束，在样品的一个固定位置关闭荧光分子，即在除了在炸圈饼形状中心之外的所有聚焦点。它优点是，炸圈饼状光束准确地定义了在空间的点对应的发光分子的位置。

　　这种技术的缺点是在实践中的激光束不足以限制一个单一的分子正好发射到炸圈饼中心位置。在PALM/STORM的情况下，另一方面，打开和关闭的开关是在随机的位置，并且是单分子水平。这里的优势在于，已经实现了单分子水平上的工作，但缺点是还不知道确切的分子在空间的位置。

　　通过在照相机上收集尽可能多的荧光光子，以确保找到位置；要达到小于10纳米的分辨率需要超过50000个检测到的光子。在实践中，因此不能经常实现单个分子（一纳米）的分辨率。

　　Hell的想法是，特别地结合这两种方法的优势，提出了一个新的概念。“这项任务主要特性是比较琐碎。但我的同事Francisco Balzarotti，Yvan Eilers，和Klaus Gwosch已经在实施这个想法时的实验中做了出色的工作。”他们的新技术，称为MINFLUX（最小排放通量），Hell与其他三名科学家在发表于《科学》杂志的论文中路列为第一作者。

　　MINFLUX，像手掌/风暴，个别分子的随机开关和关闭。然而，与此同时，他们的确切位置是一个炸圈饼型激光束在STED确定。相反，运动，这里的炸圈饼束激发荧光。如果分子在环上，它会发光；如果它正好在黑暗的中心，它不会发光，但一个已经找到了它的确切位置。

　　Balzarotti提出了一个巧妙的算法，从而可以非常快速且高精度地确定这个位置。“该算法可以更加充分利用炸圈饼状激光束的潜力，”年轻的科学家Gwosch解释说。他获得了分子的分辨图像，补充说：“这是一个令人难以置信的感觉，这是第一次，利用MINFLUX显微镜能够实现几纳米大小的细节。”

　　提高100倍的分辨率

　　除了分子分辨率，STED 和PALM/STORM的结合提供了一个主要的额外的组合优势：“MINFLUX要快得多。因为它利用炸圈饼状激光束，且需要低得多的光信号，即与PALM/STORM相比分割分子需要较少的荧光光子，就可以达到极限分辨率，”Hell的说。利用STED显微镜，已经获得了一个记录了活细胞内的实时视频。但是现在可能实现更好的时间分辨率（高100倍），并以此分辨率记录细胞分子的运动轨迹，Eilers强调。”

　　他设法在一个活的大肠杆菌首次利用MINFLUX显微镜以一种前所未有的时空分辨率进行拍摄分子的运动的视频。“就速度而言，我们没有做出尝试MINFLUX的更多的可能性，” Eilers说。研究人员相信，在未来的研究中，甚至发生在细胞中的很快发生的变化，如细胞的纳米机器或蛋白质的折叠运动也可以被观察到。