突破传统！超高时空分辨显微成像，如何才能突破原有的观察限制？

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       编辑/江畔雨落


       超高时空分辨显微成像技术是一类旨在突破传统显微镜分辨率极限的先进成像方法。传统光学显微镜受到衍射极限的限制，无法观察到小于光波长一半的细节，从而限制了对微小结构和事件的观察。
       超高时空分辨显微成像技术采用一系列创新性的方法和技术，通过优化光场、样品处理、检测系统以及图像处理等方面，以获得更高的分辨率和更精细的空间、时间信息。
       所以什么是超高时空分辨显微成像技术？这种技术如何帮助我们处理图像，突破传统？


       超高时空分辨显微成像技术的发展历程
       超高时空分辨显微成像技术的发展历程经历了多个阶段，从传统显微镜的分辨率限制到突破性的技术创新，为科学研究和应用领域带来了巨大的变革。
       在20世纪初，传统光学显微镜成为科学研究的重要工具，但其分辨率受到光的衍射极限的限制，无法观察到更小尺度的结构，然而，随着量子力学和光学理论的发展，研究人员开始意识到超越衍射极限的可能性。
       20世纪后半叶，随着激光技术、计算机图像处理和光学元件的进步，超高时空分辨显微成像技术迎来了重要突破。


       1981年，冯·诺伊曼和海因里希·罗尔夫发明了扫描隧道显微镜STM，这一技术首次实现了原子级别的表面成像，然而，STM主要适用于导电材料，无法直接应用于生物体。
       1994年，斯蒂芬·霍提出了受限光学激发荧光显微镜STED，引发了超高时空分辨显微技术的新浪潮。
       STED利用特殊的激发光束，使样品中的荧光标记在时间和空间上发生退激发，从而有效减少了成像的模糊效应，实现了超分辨率成像，这项技术的问世标志着超高时空分辨显微成像领域的重大突破。


       随着技术的不断发展，另一类超高时空分辨显微技术也逐渐崭露头角，即光片段重组显微镜和随后的分子定点光谱显微镜。
       这些技术基于荧光分子的可控激发与退激发，允许研究人员在时间和空间上精确控制成像分子的发光行为，从而实现了超分辨率的成像，这些方法的应用推动了细胞内各种分子和结构的研究，揭示了以前难以捉摸的微观世界。
       近年来，超高时空分辨显微成像技术不断演化，实现了更高的分辨率、更快的成像速度和更广泛的适用性。


       针对不同领域的需求，如生命科学、材料科学和医学等，研究人员不断改进这些技术，推动了领域的前沿研究，同时，这些技术也在药物研发、癌症诊断等领域展现了巨大的潜力，为医学健康领域带来了新的可能性。
       超高时空分辨显微成像技术的发展历程是一个从传统显微镜分辨率受限到超越衍射极限的过程。
       通过不断创新和技术突破，研究人员在细胞、分子和材料层面实现了前所未有的高分辨率成像，为科学研究和实际应用带来了革命性的变革。


       超高时空分辨显微成像技术的原理
       超高时空分辨显微成像技术的原理是通过创新的光学方法和样品处理技术，突破了传统光学显微镜的分辨率极限，从而实现了对微小结构和事件的高分辨率观察。
       STED利用了荧光分子的特性，在激发态和基态之间跃迁的过程中，通过一个特定的光束来抑制部分荧光分子的发射，从而在成像中抑制了不需要的荧光，这样，可以在细胞或样品的特定区域获得更高的分辨率。
       STED显微镜通过合理设计激发光束的形状，使得在成像区域内的荧光分子受到STED光束的抑制，从而有效减少了点扩散函数的大小，实现超分辨率成像。


       这些技术基于单分子荧光成像，将荧光分子的发光过程控制在很短的时间尺度内，使得每个荧光点的发射不会与相邻的点重叠。
       在成像过程中，只有很少的荧光分子被激发和发射，从而避免了标准显微镜中成像点的模糊效应，通过多次成像和分析，可以重建出高分辨率的图像。
       NSOM利用非传统的光学途径，将探测光纤或针尖的特殊探头与样品非常近地接触，从而绕过了传统显微镜的衍射极限。


       通过激发和探测光在探头和样品之间的相互作用，可以获得比传统显微镜更高的分辨率，甚至可以达到纳米尺度的分辨率。
       这些超高时空分辨显微成像技术的共同原理是通过操控光的传播和荧光分子的发光行为，实现对微小结构的更精细观察。
       它们的核心思想是在时间和空间上精确控制光的交互，从而克服传统显微镜受到衍射极限限制的问题，实现超越分辨率限制的高分辨率成像，这些技术的发展为生命科学、材料科学和医学等领域的研究和应用提供了强大的工具。


       超高时空分辨显微成像技术的特点
       超高时空分辨显微成像技术以其独特的优势在科学研究和应用领域引起了广泛关注。
       超高时空分辨显微成像技术通过巧妙的光学设计和信号处理，成功地突破了传统光学显微镜的分辨率极限，这意味着它们能够观察到更小尺度的结构和细节，使研究人员可以深入了解微观世界。
       这些技术能够提供比传统显微镜更高的分辨率，使得细胞器官、蛋白质分子等微观结构能够更清晰地被观察和分析，这对于细胞生物学、材料科学和医学研究具有重要意义。


       超高时空分辨显微成像技术允许科研人员在分子水平上研究细胞内的事件和过程，例如，光片段重组显微镜可以实现单分子级别的荧光成像，揭示了细胞内分子的空间分布和运动轨迹。
       这些技术通常使用荧光标记物来标记样品中的结构和分子，这些标记物不会对样品本身产生损害，因此，超高时空分辨显微成像技术可以在非侵入性的情况下进行观察，保持了样品的生物活性。
       超高时空分辨显微成像技术可以在较快的时间尺度内捕捉样品的变化和动态过程，这使得科研人员可以观察细胞内事件的发生和演化，从而深入了解生物过程的机制。


       这些技术在生命科学、材料科学、医学等众多领域得到广泛应用，它们在细胞结构研究、蛋白质亚细胞定位、纳米材料表征、医学诊断等方面都具有重要作用。
       超高时空分辨显微成像技术的出现推动了多个领域的科学进步，它们不仅为基础研究提供了新的手段，还促进了新的发现和理解，为解决一系列科学问题打开了大门。
       超高时空分辨显微成像技术以其独特的分辨率优势、分子级别的分析能力以及广泛的应用领域，为科学研究和应用带来了深远的影响，成为现代科学研究的重要工具之一。


       超高时空分辨显微成像技术的应用
       超高时空分辨显微成像技术以其卓越的分辨能力和微观结构分析能力，在多个领域中发挥了重要作用。
       超高时空分辨显微成像技术在细胞生物学、神经科学和遗传学等领域中得到广泛应用，它们可以揭示细胞内部分子的空间分布、亚细胞结构以及分子间的相互作用。
       例如，通过光片段重组显微镜和分子定点光谱显微镜，研究人员可以实时观察蛋白质在细胞中的分布和动态变化，从而更好地理解细胞功能和信号传导机制。


       超高时空分辨显微成像技术在材料科学中的应用具有重要意义，它们可以帮助科研人员观察纳米结构和材料的表面形貌，揭示材料的微观性质和特性，这对于新材料研发、纳米技术和纳米材料的性能优化具有关键意义。
       超高时空分辨显微成像技术在医学诊断和药物研发方面具有潜在应用，它们可以帮助医生观察癌细胞、病毒颗粒等微小结构，实现早期癌症诊断和病理分析。
       此外，这些技术还可以用于药物研发，帮助研究人员了解药物在细胞内的靶点分布和作用机制。


       超高时空分辨显微成像技术也在环境科学研究中发挥作用，它们可以帮助科研人员观察微生物、颗粒物等微小结构，从而更好地理解环境中的生态系统和污染源。
       在能源研究领域，这些技术可以帮助科研人员观察材料的电子结构、界面性质等微观特性，从而为新型能源材料的开发和优化提供关键信息。
       超高时空分辨显微成像技术在纳米医疗和药物传递领域也有重要应用，它们可以帮助研究人员实时追踪纳米颗粒在体内的分布和动态变化，从而优化药物传递和治疗效果。


       超高时空分辨显微成像技术在多个领域中的应用，为科学研究和实际应用提供了强大的工具。
       它们不仅帮助我们更深入地理解微观世界，还推动了各个领域的科学进步和创新，随着技术的不断发展和改进，这些应用领域还将不断扩展。


       超高时空分辨显微成像技术的未来展望
       超高时空分辨显微成像技术在过去几十年取得了巨大的发展，为科学研究和应用领域带来了革命性的突破，未来，这些技术有望继续演化和创新，进一步拓展其应用范围，为科学、医学、材料和环境等领域带来更多的可能性。
       随着光学和成像技术的不断进步，超高时空分辨显微成像技术的分辨率将继续提升，研究人员将会探索更精确的光学设计、更高效的光源以及更精细的信号处理算法，使得成像分辨率进一步靠近或达到分子水平。
       未来，超高时空分辨显微成像技术可能会与其他成像技术进行整合，以获得更全面的信息，例如，结合成像质谱技术，可以实现细胞内分子的同时成像和化学分析，这种多模态整合提供更全面的样品信息，推动多领域交叉研究。


       超高时空分辨显微成像技术的成像速度将会继续提升，使得科研人员可以在更短的时间内获取高质量的图像数据，这对于观察快速动态过程和细胞内事件的瞬态变化具有重要意义。
       目前大多数超高时空分辨显微成像技术主要关注二维平面成像，但未来的发展将趋向于实现更精细的三维和四维成像，这将使研究人员能够更准确地还原样品的三维结构和动态过程。
       除了光学显微镜，超高时空分辨显微成像技术可能与其他探测技术结合，如电子显微镜、X射线成像等，实现更多层次的信息获取，这将进一步提升成像的空间和结构解析能力。


       随着技术的进步，超高时空分辨显微成像技术有望实现实时活体成像，即在活体样品中实时观察细胞、分子和组织的变化，这将有助于更深入地理解生物过程和疾病发展机制。
       超高时空分辨显微成像技术在临床医学中的应用前景广阔，随着技术的发展，这些成像技术可能成为疾病诊断、治疗监测和药物研发的重要工具，为医学领域带来新的突破。


       超高时空分辨显微成像技术的未来展望充满希望。随着科学技术的不断进步和创新，这些技术将在多个领域持续发挥重要作用，为人类更深入地探索微观世界和解决重大问题提供支持。
       然而，随着应用范围的拓展，也需要解决技术挑战，确保成像结果的准确性和可靠性。


       参考文献：
       超高时空分辨显微成像技术研究进展，韦芊屹，倪洁蕾，李灵，张聿全，袁小聪，闵长俊，2023-06-30
       单图超分辨光片显微成像技术及其在活细胞中的应用研究，赵宇轩，2022-05-01