Pan Group生物光子学课程讲义(九):远场超分辨率显微术

如题所述

在生物光子学的世界里,远场超分辨率显微术如同璀璨的星辰,闪耀着独特的光芒。其中,STED、PALM和STORM等技术颠覆了传统显微镜的局限,展现出前所未有的分辨率提升。在2014年的诺贝尔化学奖舞台上,Stefan Hell、William Moerner和Eric Betzig因为他们的杰出贡献而熠熠生辉,Hell的STED理论凭借其创新性,即使在质疑声中也坚守前行,而Eric Betzig的PALM技术则是这项突破的点睛之笔,Moerner则以其单分子定位技术奠定了坚实的基础。


STED技术,如同一枚甜蜜的甜甜圈,通过STED光的巧妙应用,理论上能无限提升分辨率。脉冲光与持续波激光各具特色,脉冲光虽然成本稍高,却能有效避免热损伤;而CW激光则以低成本为代价,可能带来潜在的热效应。SIM技术则通过结构光照明,实现了分辨率的两倍提升,但最高限制在100纳米。SSIM则利用非线性效应,虽能提升分辨率,但速度相对较慢。而在标记方法上,无标记技术如超震荡和超临界透镜则突破了衍射的束缚,但它们的优缺点同样值得深入探讨。


超振荡现象起源于量子物理学,其后在光学领域找到了新的应用,通过亚波长的微小振荡,实现了远场超分辨率的突破。光学分辨率的瓶颈在于倏逝波的丢失,科学家们通过近场采集、非线性方法和非线性效应,解锁了这一难题。


光学超分辨率技术,如同精密的交响乐,分为硬件层面的子像素平移和理论层面的解析延拓两大板块。在提升带宽方面,合成孔径算法如MUSIC理论,它挑战了信息论中的克拉美罗界(瑞利极限),而实际应用中,通过解决相位丢失问题,我们得以突破传统界限。在这个不断进步的领域,每一个创新都值得我们关注和学习。


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