幾個世紀(jì)以來，光學(xué)顯微鏡的“衍射極限”一直被認為是無法超越的。近年來，科學(xué)家們從不同途徑“突破”了這一極限，使人們能夠分辨相距少于200nm的兩個物體。這種超高分辨率顯微技術(shù)也因此獲得了2014年諾貝爾化學(xué)獎。

美國西北大學(xué)的研究團隊最近在Nature Communications雜志上發(fā)布了超高分辨率顯微技術(shù)的重要改良。他們讓這一突破性技術(shù)變得更迅速、更簡單、更便宜，還將其分辨率提高了四倍。領(lǐng)導(dǎo)這項研究的張浩（Hao F. Zhang）博士是美國西北大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程系副教授和眼科學(xué)副教授，主要從事生物醫(yī)學(xué)光學(xué)傳感和成像領(lǐng)域研究。他分別于1997年和2000年在上海交大獲得學(xué)士與碩士學(xué)位，2006年在Texas A&M大學(xué)獲博士學(xué)位，2006-2007年在華盛頓大學(xué)從事博士后研究。

“雖然電鏡和掃描探針顯微鏡已經(jīng)獲得了很大的成功，但我們還需要新的光學(xué)成像方法，揭示納米級結(jié)構(gòu)以及發(fā)生在納米水平上的理化現(xiàn)象，”張浩博士指出。“我們開發(fā)的成像技術(shù)應(yīng)該可以滿足這一要求。”

張浩團隊開發(fā)的SPLM（spectroscopic photon localization microscopy）技術(shù)是一種基于光譜的超高分辨率光學(xué)成像平臺，能夠達到亞納米級的分辨率。目前的光譜成像和PLM（photon localization microscopy）技術(shù)需要用多個熒光染料來增強顯微圖像的對比度。但這些技術(shù)無法區(qū)分染料，需要記錄不同波段的多個圖像。

研究人員開發(fā)的SPLM技術(shù)能夠同時表現(xiàn)多種染料，加快多重染色樣本的成像速度。該技術(shù)不需要記錄多個波段的圖像，成像過程更加簡單和便宜。“人們需要一系列濾鏡和相機來分離不同顏色的光子并獲取信息，”張浩博士說。“這會相當(dāng)麻煩，成本也比較高。而我們的SPLM技術(shù)不需要濾鏡就能獲得多色圖像。”研究人員相信這一技術(shù)適用于從材料科學(xué)到生命科學(xué)的許多研究領(lǐng)域。

現(xiàn)在，超高分辨率顯微技術(shù)已經(jīng)成為了研究細胞膜蛋白的常用方法。許多研究團隊發(fā)現(xiàn)自己研究的蛋白在細胞膜中形成了簇，TU Wien的研究人員也遇到了這樣事兒。不過他們最近在Nature Methods雜志上發(fā)表文章指出，這些所謂的蛋白簇其實往往是一個閃爍的分子，只不過在超高分辨率顯微成像的時候計算了多次。

蛋白質(zhì)大多不是獨行俠，它們喜歡形成復(fù)合物共同執(zhí)行任務(wù)。跟蹤觀察這些分子機器的蛋白組分，對于理解生物學(xué)過程是至關(guān)重要的。超高分辨率顯微技術(shù)可以輕松分辨相距10-20nm的分子或分子復(fù)合物，但這些技術(shù)還不足以鑒別緊密復(fù)合物中的分子特征。哈佛大學(xué)Wyss研究所的尹鵬（Peng Yin）教授領(lǐng)導(dǎo)研究團隊在這方面取得了重要的突破。

MIT著名學(xué)者Edward Boyden及其同事在Nature Methods和Nature Biotechnology同時發(fā)表了兩篇重量級文章。他們對低價高能的膨脹顯微技術(shù)（ExM）進行改良，解決了這一技術(shù)的主要難點?，F(xiàn)在，ExM只需使用現(xiàn)成化合物就可以非常方便的成像大塊組織，獲得超高分辨率的蛋白質(zhì)和RNA圖像。ExM技術(shù)的分辨率高達70nm，超越了光學(xué)顯微鏡的“衍射極限”。過去，這么高的分辨率需要使用非常昂貴的顯微鏡。