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用户:Kevin6983876/超高分辨率显微镜学

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在光学显微镜学中，超高分辨率显微镜学是一结合多项技术的专有名词，此技术让影像分辨率能超越衍射极限[1][2]。根据1873年恩斯特·阿贝的研究(特别是对于宽场光源)，光的衍射会造成传统光学显微镜分辨率的极限[3]：一数值孔径N.A.，且入射光波长为λ的具衍射极限的显微镜的水平分辨率为d = λ/(2 N.A.)，垂直分辨率(z方向)也可以用同样的表达式给出。一个标准的光学显微镜分辨率在可见光范围约为水平200奈米、垂直600奈米[4]。实验上，可达到的分辨率可量取点状物体的点扩散函数的半峰全宽求得。虽然显微镜的解析力并未完整定义[5]，目前公认超高分辨率显微镜技术可达到比阿贝所定义的分辨率。

超高分辨率显影剂术包含单分子局域分析法、光子穿隧显微术[6]、以及利用超级透镜、近场扫描式光学显微镜、4Pi显微镜、共聚焦显微镜(将针孔关闭)、或是经过反褶积[7] 、侦测器相素重配等计算处理后的共轭焦显微镜影像[8][9]，也包含利用结构性光源的险微镜技术(例如SIM以及垂直显像SMI)。

目前有两种主要的功能型超高分辨率显微镜学：[10]

  1. 决定性超高分辨率：常用在生物显微镜的发光物─萤光色素，受激后有非线性反应，此非线性反应可以用来提高分辨率，这些方法包括诱导发射抑制性显微术、激态抑制性显微术、可逆饱和光学萤光转换和SSIM。
  2. 随机性超高分辨率：分子光源的化学复杂性提供时间域上的复杂表现，可以让许多非常接近的萤光色素在不同时间发光，因而可以在不同时间解析不同分子。这些方法包括超分辨率光变成像(SOFI)和全单分子局域方法(SMLM)如 垂直显像SMI、光活化局域性显微镜法, FPALM、STORM和dSTORM。

2014年10月8日， 诺贝尔化学奖颁发给艾力克·贝齐格, 威廉·莫尔纳尔和斯特凡·赫尔以表彰他们对"超高分辨率萤光显微镜"的贡献，这促使"光学显微镜进展到奈米尺度"。[11][12]

历史

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在1978年，已有第一个突破阿贝极限的理论，其试图透过4Pi 显微镜来当作共轭焦激光扫描萤光显微镜[13]。其原理利用两个相反的物镜的透光，同时打在样品的异侧，以增加立体角。

超解析技术

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光子穿隧显微镜(PTM)

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近场光随机测绘(NORM)显微镜

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近场光随机测绘(NORM)显微镜是一种透过观察在浸液中的奈米粒子的布朗运动，并透过远场显微镜光学采集奈米粒子的近场资讯。[15][16]

NORM利用随机移动的奈米粒子来扫描物体表面。透过这个显微镜，奈米粒子看起来像对称的圆点。圆点的宽度等于点扩散函数，并决定显微镜的分辨率。特定粒子的水平座标分辨率比同等光学显微镜的分辨率还要高。透过收集多张影像，我们可以划出整个视野范围的近场的强度分布图。 与NSOM和ANSOM比较，这种方法不需要任何特殊的尖端定位设备，并可以达到大视野和深焦长。 由于"感测器"可以大量扫描，图像获取时间可以缩点。

4Pi显微镜

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一 4Pi显微镜 是一个激光扫描的 荧光显微镜，其改进了轴向分辨率。从传统的500至700 纳米可以提高到100-150 纳米，比标准的 焦显微镜几乎减少5至7倍的球焦点体积，.


  • Images of cell nuclei and mitotic stages recorded with 3D-SIM.
  • 比共焦镜 –3D-SIM
    比共焦镜 –3D-SIM
  • 细胞核中的 前期 从各种角度
    细胞核中的 前期 从各种角度
  • 两个老鼠的细胞核的在前期的。
    两个老鼠的细胞核的在前期的。
  • 老鼠的细胞在 末期
    老鼠的细胞在 末期

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  1. ^ Neice, A. Methods and Limitations of Subwavelength Imaging. Advances in Imaging and Electron Physics 163. 2010: 117–140. ISBN 978-0-12-381314-5. doi:10.1016/S1076-5670(10)63003-0. 
  2. ^ Juan Carlos Stockert, Alfonso Blázquez-Castro. Chapter 20 Super-resolution Microscopy. Fluorescence Microscopy in Life Sciences. Bentham Science Publishers. 2017: 687–711 [24 December 2017]. ISBN 978-1-68108-519-7. 
  3. ^ Abbe, E. Beitrage zur Theorie des Mikroskops und der mikroskopischen Wahrmehmung (PDF). Archiv für mikroskopische Anatomie. 1873, 9: 413–420. doi:10.1007/BF02956173 （德语）. 
  4. ^ Cremer, Christoph; Masters, Barry R. Resolution enhancement techniques in microscopy. The European Physical Journal H. 2013-04-01, 38 (3): 281–344. Bibcode:2013EPJH...38..281C. ISSN 2102-6459. doi:10.1140/epjh/e2012-20060-1 （英语）. 
  5. ^ Francia, G. Toraldo di. Resolving Power and Information. JOSA. 1955-07-01, 45 (7): 497–501. doi:10.1364/JOSA.45.000497 （英语）. 
  6. ^ John M. Guerra. Photon Tunneling Microscopy. Applied Optics. 1990, 29 (26): 3741–3752. Bibcode:1990ApOpt..29.3741G. PMID 20567479. doi:10.1364/AO.29.003741. 
  7. ^ Agard, David A.; Sedat, John W. Three-dimensional architecture of a polytene nucleus. Nature. April 1983, 302 (5910): 676–681. Bibcode:1983Natur.302..676A. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/302676a0 （英语）. 
  8. ^ Luca, Giulia M. R. De; Breedijk, Ronald M. P.; Brandt, Rick A. J.; Zeelenberg, Christiaan H. C.; Jong, Babette E. de; Timmermans, Wendy; Azar, Leila Nahidi; Hoebe, Ron A.; Stallinga, Sjoerd. Re-scan confocal microscopy: scanning twice for better resolution. Biomedical Optics Express. 2013-11-01, 4 (11): 2644–2656. PMC 3829557 可免费查阅. PMID 24298422. doi:10.1364/BOE.4.002644 （英语）. 
  9. ^ Sheppard, Colin J. R.; Mehta, Shalin B.; Heintzmann, Rainer. Superresolution by image scanning microscopy using pixel reassignment. Optics Letters. 2013-08-01, 38 (15): 2889–2892. Bibcode:2013OptL...38.2889S. ISSN 1539-4794. PMID 23903171. doi:10.1364/OL.38.002889. hdl:1912/6208 （英语）. 
  10. ^ SPIE. W.E. Moerner plenary presentation: Single-molecule spectroscopy, imaging, and photocontrol -- foundations for super-resolution microscopy. SPIE Newsroom. March 2015. doi:10.1117/2.3201503.17. 
  11. ^ Ritter, Karl; Rising, Malin. 2 Americans, 1 German win chemistry Nobel. Associated Press. 8 October 2014 [8 October 2014]. 
  12. ^ Chang, Kenneth. 2 Americans and a German Are Awarded Nobel Prize in Chemistry. New York Times. 8 October 2014 [8 October 2014]. 
  13. ^ Considerations on a laser-scanning-microscope with high resolution and depth of field. Microsc Acta. September 1978, 81 (1): 31–44. PMID 713859. 
  14. ^ John M. Guerra. Photon Tunneling Microscopy. Applied Optics. 1990, 29 (26): 3741–3752. Bibcode:1990ApOpt..29.3741G. PMID 20567479. doi:10.1364/AO.29.003741. 
  15. ^
    美国专利2009/0116,024，优先权日期7April2006年：J.V.Mikliaev,S.A.Asselborn 方法获得一个高分辨率图像
  16. ^ Yu. V. Miklyaev; S. A. Asselborn; K. A. Zaytsev; M. Ya. Darscht. Superresolution microscopy in far-field by near-field optical random mapping nanoscopy. Appl. Phys. Lett. 2014, 105 (11): 113103(1–4). Bibcode:2014ApPhL.105k3103M. doi:10.1063/1.4895922. 
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