storm显微镜成像原理_延展显微镜成像技术及其应用

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延展显微镜成像技术及其应用

作者：陈凯

张英春

赵关芳

来源：《分析化学》

2019

年第

期

摘

;

要

;

传统光学显微镜由于光学衍射极限的限制，其分辨率不足，难以观察亚细胞显微结

构。自超分辨显微技术提出以来，在细胞膜蛋白等单分子成像中得到广泛运用，并于

2014

年

获得诺贝尔化学奖。但这些超分辨技术多通过减少或避免处在激发体积内的分子同时发射荧光

来突破光学衍射。作为一种新型超分辨手段，延展显微镜具有成像时间短、可标记密集生物大

分子等优势。本文介绍了延展显微镜的成像原理和特点，对其在亚细胞结构、神经生物学等领

域的应用进行了综述，并对其发展前景进行了展望。

关键词

;

延展显微镜

;

超分辨成像

;

凝胶

;

评述

引

言

目前，显微镜已经成为生命科学研究必不可少的工具。随着研究的深入，许多亚细胞结构

需要更高分辨率的显微镜。然而，点光源通过透镜成像时，由于光学衍射会形成光斑，当两个

点光源之间的距离很小时，其光斑会重叠，无法成像。因此，光学显微镜的分辨率存在极限。

早在

1873

年德国物理学家

Abbe

就预言了光学显微镜的分辨率存在极限

[1]

，传统光学显微镜

的分辨率在横向(垂直于光传播方向)上可达到

250 nm

，轴向(平行于光传播方向)可达到

550 nm[2]

，而许多亚细胞结构小于此分辨率尺度，因此，研究细胞器、膜蛋白等结构还需要

分辨率更高的显微镜。

荧光是分子在特定波长下吸收光(激发光)并发射出较长波长光(发射光)，基于此可成

像。超分辨荧光显微镜是通过改变分子的激发光或发射光，进而突破光学衍射极限的光学成像

技术的总称。超分辨荧光显微成像技术在纳米级别的微小结构以及生物大分子检测等研究中发

挥了重要的作用

[3]

。目前，超分辨荧光成像技术主要分为两类：

一类是基于模式照明的超分

辨荧光显微镜，包括受激发射损耗显微镜(

Stimulated emission depletion

，

STED

)

，

、结

构光照明显微镜(

Structured illumination microscopy

，

SIM

)

，

和可逆饱和光学线性荧光跃

迁显微镜(

Reversible saturable optical fluorescence transitions

，

RESOLFT

)

[8];

另一类是基于单

分子定位的超分辨荧光显微镜，包括随机光学重构显微镜(

Stochastic optical reconstruction

microscopy

，

STORM

)

[9]

和光激活定位显微镜(

Photoactivated localization microscopy

，

PALM

)

[10]

。

基于模式照明的超分辨荧光显微镜主要原理(以

STED

为例)为：

处于激发态的荧光分

子既可通过自发荧光辐射过程以荧光的形式释放能量回到基态，也可通过受激荧光辐射过程产

生与外界辐射的频率、位相、偏振相同的辐射但不发出荧光。

STED

利用以上效应叠加，

使周

边区域的荧光分子淬灭，只有中心荧光分子发光，从而突破衍射极限

，

11]

。目前，对于生

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