【李修命專欄】劃時代的技術突破：活細胞超解析度熒光成像技術
2015年10月22日出版的權威雜誌《自然》發表了一篇焦點新聞，認為獲得2014年諾貝爾化學獎的活細胞超解析度熒光成像技術會給生物醫學科研帶來一個技術革命。長期以來，遠場光學熒光顯微鏡憑藉其非接觸、無損傷、可探測樣品內部等優點，一直是生命科學中最常用的觀測工具。但由於衍射極限的存在，使傳統的寬場光學顯微鏡橫向和縱向的解析度分別僅約為230 nm和1000 nm。1873年，物理學家恩斯特·阿貝（Ernst Abbe）得出結論：傳統的光學顯微鏡解析度有一個物理極限，即所用光波波長的一半（大概是0.2微米，即200納米）。
近場光學顯微鏡根據非輻射場的探測與成像原理，能夠突破普通光學顯微鏡所受到的衍射極限，在超高光學解析度下進行納米尺度光學成像與納米尺度光譜研究。掃瞄近場光學顯微鏡(SNOM)是一種新型超高解析度光學顯微鏡，它既具有光學顯微鏡可在自然狀態下觀察樣品，獲得物體的光學信息，且對樣品無任何損傷的優點，又由於採用了近場光學探測原理及技術，使得解析度不受衍射極限的限制，從而實現光學顯微鏡的超高解析度。目前已報導的最好的近場光學顯微鏡的解析度已達10nm。因此，近場光學顯微鏡將成為納米尺度的物質微觀結構研究的有力工具，已引起物理、化學、生物學、醫學及材料科學的極大重視。
分子生物學家雖然可以把若干目標蛋白質貼上熒光卷標，但這些蛋白質還是經常擠在一塊，在傳統顯微鏡下難以分辨開來。近幾年近場高解析度熒光顯微鏡研發，使得研究者可以從納米級觀測細胞突起的伸展，從而宣告200—750納米大小范圍的模糊團塊時代結束，這對細胞動力學研究有著重要的意義。2014年諾貝爾化學獎給了三個物理學家：艾力克·貝齊格（Eric Betzig）、斯特凡·W·赫爾（Stefan W. Hell）和W·E·莫納（W. E. Moerner），以表彰他們對於發展超解析度熒光顯微鏡做出的卓越貢獻。他們的突破性工作使光學顯微技術進入了納米尺度，從而使科學家們能夠觀察到活細胞中不同分子在納米尺度上的運動。
莫納是第一個能夠探測單個熒光分子的人，於1989年將技術推進到觀測單個熒光分子。莫納的另一個貢獻是發現了像控制電燈泡一樣方便地控制熒光蛋白髮光的方法：一些已褪色的熒光蛋白在照射 405nm激光後能夠被激活，再照射其激發光（如488nm）即可重新發出熒光；這個方法稱為「光激活（photoactivation）」。這是超解析度顯微鏡的基礎。貝齊格發明的超解析度顯微鏡叫光激活定位顯微鏡（photoactivated localization microscopy，PALM），其中所利用的就是莫納發現的光激活方法。貝齊格利用微量的405nm激光照射樣品，使得其中極小部分熒光分子能夠發出熒光。由於這些發光的熒光分子很稀疏從而相距較遠，它們的位置能夠精確地確定下來。等這些熒光分子褪色後，再次照射405nm激光而激活另一小部分熒光分子。重複這個過程即可將樣品中的所有分子定位出來，從而得到整個樣品的圖像。赫爾發明的是STED（受激發射損耗，stimulated emission depletion）熒光成像技術。在這個技術中，一種圈狀激光能將其照射區域的所有分子的熒光消除，從而只留下中間的分子的熒光。通過掃瞄整個樣品，從而實現對整個樣品的成像。
原始出處：
Katherine Bourzac. Cell imaging: Beyond the limits. Nature. 526, S50–S54. 22 October 2015. doi:10.1038/526S50a