使用傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡，光的衍射將成像分辨率限制在約250納米。在下面提到的一種方法中，超分辨率技術(shù)有時(shí)可以將其提高10倍或更多。今天，這項(xiàng)技術(shù)涉及多種方法，但主要有三種：?jiǎn)畏肿佣ㄎ伙@微鏡，包括光活化定位顯微鏡（PALM）和隨機(jī)光學(xué)重建顯微鏡（STORM）; 結(jié)構(gòu)照明顯微鏡（SIM），雖然一些專家指出，SIM的分辨率只能與良好的共聚焦顯微鏡相媲美; 和受激發(fā)射損耗顯微鏡（STED）。

“不幸的是，決定采用哪種超分辨率方法并沒有簡(jiǎn)單的規(guī)則，”英國牛津大學(xué)的Henry Wellcome博士后，Mathew Stracy說。“每個(gè)人都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。”

科學(xué)家們使用各種技術(shù)為特定項(xiàng)目選擇正確的方法。“找到解決問題的**簡(jiǎn)單的解決方案，”海法以色列理工學(xué)院TEChnion生物醫(yī)學(xué)工程助理教授Yoav ShEChtman說。“在生物成像環(huán)境中，關(guān)鍵考慮因素包括：所需的空間和時(shí)間分辨率，對(duì)光損傷的敏感性，標(biāo)記能力，樣品厚度 - 這是2D還是3D問題？ - 背景熒光水平，或細(xì)胞自發(fā)熒光。”

超級(jí)資源的ABCs

超分辨率顯微鏡的形式以不同的方式工作。例如，對(duì)于PALM和STORM，在任何給定時(shí)刻，只有一小部分分子上的熒光標(biāo)記被打開或光活化，從而允許它們以高精度獨(dú)立定位。對(duì)所有熒光標(biāo)記執(zhí)行此過程可構(gòu)建完整的超分辨圖像。“PALM / STORM系統(tǒng)相對(duì)容易構(gòu)建，但更難以應(yīng)用，因?yàn)闊晒鈭F(tuán)必須是可光活化的，”馬克斯普朗克生物物理化學(xué)研究所主任，2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者之一Stefan Hell說。用于超分辨率成像。“他們的局限在于他們需要在細(xì)胞背景中檢測(cè)單個(gè)熒光分子。”他補(bǔ)充說，這些技術(shù)“使用的可靠性不如STED”。

使用SIM，光的干涉圖案在成像期間在樣品上產(chǎn)生網(wǎng)格。基于傅里葉變換的圖像和算法之間的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換使用結(jié)果信息來定位特征。

STED使用激光脈沖打開熒光團(tuán)，另一個(gè)打開熒光團(tuán)。在樣本上掃描焦點(diǎn)以生成圖像。“STED的優(yōu)勢(shì)在于它是一種按鍵技術(shù)，”Hell解釋道。“它幾乎可以像標(biāo)準(zhǔn)的共聚焦熒光顯微鏡一樣使用。”它還能用一些熒光團(tuán)成像活細(xì)胞，如綠色或黃色熒光蛋白和硅羅丹明衍生染料。

埃默里大學(xué)的助理科學(xué)家尼爾&midDOt;安東尼在考慮使用哪種超級(jí)分辨率時(shí)說，“這一切都必須逐案考慮。”他指出，PALM和STORM“對(duì)活細(xì)胞不太好” ，“但STED可用于活細(xì)胞或固定細(xì)胞。

評(píng)估參數(shù)

盡管所有超分辨率技術(shù)都超過了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辨率，但有些技術(shù)比其他技術(shù)獲得了更多的收益。SIM大致將分辨率提高一倍，降**約100納米。PALM和STORM可以解析大約15納米的特征。地獄表示，STED“可以在活細(xì)胞中提供低**30納米的空間分辨率，在固定細(xì)胞中提供15納米的空間分辨率。”

在評(píng)估具體應(yīng)用時(shí)，還必須考慮單噪比。在某些情況下，較低的分辨率但較高的單噪比會(huì)產(chǎn)生比更好的分辨率更好的圖像，但會(huì)降低單一噪聲比。

獲取圖像的速度在某些應(yīng)用中很重要，尤其是具有活細(xì)胞的應(yīng)用。“所有的超分辨率技術(shù)都比傳統(tǒng)的熒光成像慢，”Stracy說。“PALM / STORM是**慢的，需要數(shù)萬幀才能獲得單個(gè)圖像，SIM每張圖像需要數(shù)十幀，而STED是一種掃描技術(shù)，因此采集速度取決于視場(chǎng)的大小。”

Biocompare的顯微鏡搜索工具
查找，比較和評(píng)論
來自不同供應(yīng)商的顯微鏡搜索

除了成像活細(xì)胞或固定細(xì)胞外，一些科學(xué)家還想知道事物是如何移動(dòng)的。例如，Stracy“對(duì)觀察活細(xì)胞中生物系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)感興趣，而不僅僅是靜態(tài)圖像，人們通常將其與顯微鏡聯(lián)系起來。”他可以用PALM結(jié)合活細(xì)胞中的單粒子跟蹤來分析動(dòng)力學(xué)。通過這種方式，Stracy說他可以“直接跟蹤標(biāo)記分子，因?yàn)樗鼈冊(cè)诩?xì)胞中發(fā)揮作用。”STED加熒光相關(guān)光譜也可用于觀察標(biāo)記分子在STED成像體積中移動(dòng)。“另一方面，SIM不適合研究這些分子水平的動(dòng)態(tài)過程，但由于它的獲取速度相對(duì)較快，因此非常適合觀察細(xì)胞中較大結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)，例如整個(gè)染色體，幾分鐘后，“他說。

一到一個(gè)

2017年，Hell的團(tuán)隊(duì)報(bào)道了MINFLUX超分辨率顯微鏡。1 “這種超分辨率方法通常在真正的分子尺度上實(shí)現(xiàn)了**次空間分辨率，1納米，”Hell說。“此外，它允許跟蹤活細(xì)胞中的單個(gè)分子，其速度**少比以前任何其他方法高100倍。”

MINFLUX-具有1納米的分辨率 - 清楚地分辨出八個(gè)彼此分開約11納米的不同分子。（圖片由Francisco Balzarotti，Yvan Eilers，Klaus Gwosch，ArvidGynnå，Volker WestpHal，F(xiàn)ernanDO Stefani，Johan Elf和Stefan Hell提供。）

其他科學(xué)家也宣稱了MINFLUX超分辨率顯微鏡的價(jià)值。根據(jù)ShEChtman的說法，“新的應(yīng)用程序和方法開發(fā)不斷涌現(xiàn)，但我想到了兩個(gè)令人興奮的進(jìn)展。”他說，其中一個(gè)是MINFLUX。他說，在描述它的好處時(shí)，“利用一種巧妙的方法，以極高的精度和非常有限的光子預(yù)算獲得分子定位。”

作為第二個(gè)令人興奮的近期進(jìn)展，Shechtman指出，WE Moerner--也是2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的超分辨率成像獲獎(jiǎng)?wù)咧?- 以及他的斯坦福大學(xué)同事改進(jìn)了成像分辨率，這可能受到各向異性發(fā)射的限制。熒光單分子。為了解決這個(gè)問題，Shechtman說，Moerner實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們通過使用不同的激發(fā)極化來測(cè)量分子的取向及其位置。或者，他們開發(fā)了復(fù)雜的光瞳平面工程，完全消除了方向誘導(dǎo)的定位偏差。“ 2-4這些技術(shù)提高了定位結(jié)構(gòu)的能力。

看著標(biāo)簽

在許多超分辨率應(yīng)用中，標(biāo)簽確實(shí)有所不同，并且存在一些商業(yè)選擇。例如，總部位于德國的Miltenyi Biotec與Stefan Hell聯(lián)合創(chuàng)辦的初創(chuàng)公司Abberior合作，為超分辨率顯微鏡染料提供定制抗體結(jié)合服務(wù)。

在許多超分辨率應(yīng)用中，標(biāo)簽確實(shí)有所不同，并且存在一些商業(yè)選擇。

其他公司也提供適用于超分辨率顯微鏡的標(biāo)簽。例如，ChromoTek營銷部門的ChristopH Eckert說：“我們的Nano-Boosters非常小 - 大約15千道爾頓 - 并且具有高度特異性。”這些蛋白質(zhì)與綠色和紅色熒光蛋白（分別為GFP和RFP）和波形蛋白結(jié)合。結(jié)合蛋白。“結(jié)合蛋白來源于單域羊駝抗體片段，稱為V H Hs或納米體，”Eckert解釋說。“這些V H Hs結(jié)構(gòu)域非常小，具有優(yōu)異的結(jié)合特性，并且可以在不進(jìn)行批次間變化的情況下以恒定的高質(zhì)量生產(chǎn)。”

這些標(biāo)簽的大小在超分辨率顯微鏡中有所不同。與熒光染料相結(jié)合，V H Hs是超分辨率的有用工具。正如埃克特指出的那樣，“小于2納米的表位 - 標(biāo)記位移可以**大限度地減少連鎖誤差。”他補(bǔ)充說，“傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)的熒光團(tuán)距離更遠(yuǎn)，通常為15-30納米。”這些標(biāo)簽適用于一系列超級(jí)分辨率技術(shù)，包括SIM，PALM，STORM和STED。

馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院助理教授唐愛慧及其同事使用ChromoTek的GFP-Booster和STORM來探索神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳遞。5在突觸 - 神經(jīng)元交流的地方 - 作者在突觸前和突觸后神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)了分子的納米團(tuán)簇，這些分子形成了他們所描述的納米柱。科學(xué)家得出結(jié)論：“這種結(jié)構(gòu)提示了中樞神經(jīng)系統(tǒng)突觸的簡(jiǎn)單組織原理，以維持和調(diào)節(jié)突觸效率。”

超分辨率成像的版本和越來越多的方法將繼續(xù)為科學(xué)家提供更接近生物學(xué)的觀點(diǎn)。在某些情況下，生物學(xué)家甚**可以觀察細(xì)胞的作用 - 同時(shí)打破可見光的衍射極限。

參考

1 Balzarotti，F(xiàn)，et al。“具有**小光子通量的熒光分子的納米分辨率成像和跟蹤”，Science 355：606-612,2017。[PMID：28008086 ]

2 Backer，AS，et al。“使用超分辨率顯微鏡和同時(shí)單分子定向測(cè)量增強(qiáng)DNA成像，”Optica 3：3-6,2016。[PMID：27722186 ]

3 Backlund，MP，et al。“使用寬帶超曲面掩模去除單分子顯微鏡中取向誘導(dǎo)的定位偏差”，Nature pHotonics 10：459-462,2016。[PMID：27574529 ]

4 Lew，MD，Moerner，WE。“方位角偏振濾波，用于精確，精確，穩(wěn)定的單分子定位顯微鏡。”Nano Letters 14：6407-6413,2014。[PMID：25272093 ]

5 Tang，AH，et al。“跨突觸納米柱將神經(jīng)遞質(zhì)釋放與受體結(jié)合，”Nature 536：210-214,2016。[PMID：27462810 ]