当前世界就是信息的世界，其实本质讲“时空”二字：空间信息，时间信息。人类为了获得更多的信息量，发明创造了众多技术、方法和仪器。空间信息蕴含两块：一是“信息总量”（比如拍合照，一张照片可以拍多少人），二是“信息细节”（如照片能否看清每个人的脸）。时间信息也蕴含两块：一是单次采集能力（能否用尽量短的曝光时间获得一张照片，如拍摄子弹击破物体的瞬间），二是连续采集能力（如获得马跑步过程四条腿的落地顺序）。本次诺贝尔化学奖中超分辨光学成像其实就是在信息细节方面的努力。获奖后，大家都在讨论哪种超分辨光学有前途，更好，其中各种说词基本就是围绕时间和空间信息获取的博弈（后面细说）。在获得时空信息的各种方法和手段中，各自能力如何呢？是否可以同时兼顾呢？笔者从事生物光子学方面的研究，所以对各种光学成像技术和方法比较了解，故跟大家探讨一下。

1.不同荧光成像系统时空信息获取能力的比较

荧光成像技术早已成为开展时空分辨的活细胞和活体内分子事件研究的主流手段，在生命科学基础研究中发挥着巨大作用。各个成像系统在时间和空间信息的获取上是不同的。

（1）传统荧光显微术-宽场荧光显微术

宽场荧光显微术是目前最普及的荧光成像技术，仪器用胶圈相机，目前多采用面阵CCD作为探测器。该成像系统特点是面成像（即宽场），一幅图上各处的空间信息是严格意义上的一个时间点，此时成像速度（时间信息）取决于探测器的速度。因为CCD探测速度目前可达到毫秒甚至微秒量级，所以该显微术成像速度相比其他成像系统有较大优势，但是该方法空间分辨率相对较差：横向分辨率主要受物镜的数值孔径和CCD芯片的单个像素大小限制。物镜数值孔径基本上极限做到1.4了。象素为了保证一定的量子效率和感光灵敏度，要求单个物理像素不可以做的太小，民用数码相机像素最小可以做到1～4 μm，研究用的科学级CCD单个物理像素一般是10μm以上。综上，宽场荧光显微术在时间信息获取上有天生的优势，一个时间点就可以获得二维空间信息。但信息细节有限制。

（2）激光扫描共聚焦显微术

激光扫描共聚焦显微术由于仅对样本焦平面成像，从而有效地避免了衍射光和散射光的干扰，使得它具有比普通显微镜更高的分辨率（尤其是轴向分辨率），可以获得高精度三维结构。但是，其成像缺陷也是明显的：工作原理决定它是点扫描成像，即点变线，线变面，这样一幅图上各处的空间信息不是严格意义同一时间获取的。探测器一般是单通道光电倍增管（PMT）。PMT没有空间信息获取能力。“点成像”可以保证获得更加详细的空间信息（扫密些～），但“扫描成像”却无法同一个时间实现所有点的信息获取。因此，由于激光扫描共聚焦显微术是点扫描成像，使其成为非常理想的空间信息获取技术，可以获得高空间分辨率荧光图像；同样，也由于点扫描成像方式，使得它在时间信息获取方面有先天的弱点，要想大视野成像，时间肯定要长些。

（3）转盘式共聚焦显微术

转盘式共聚焦显微术基于普通共聚焦显微镜共焦针孔原理，只是不再是单点激发扫描成像，而是采用多点同时共聚焦，采用面阵CCD作为探测器。该方法可以说是折衷了宽场荧光显微术和激光扫描共聚焦显微术优点的一项新技术，既克服了宽场荧光图像轴向分辨率太低的问题，又克服了激光扫描共聚焦图像不是一个时间点的问题。它在时间与空间探测上作出了一个平衡。本质上讲，它依然没有脱离共聚焦的原理，每幅图像依然不是一个时间点的。只是激光扫描共聚焦显微图像每个点都不是一个时间采集的，转盘式共聚焦图像中“部分点”是一个时间点的，但与其他“部分点”不是一个时间点的，然后好几“部分点”叠加形成完整的面图像。目前该技术虽然貌似两边优点都具有，但是单独拿出来一项指标比都比如前两个，而且价格相对比较昂贵。

综上所述，目前很难构建出一个在时间-空间极限探测都能兼顾的荧光成像系统。要想获得多的空间信息，就要损失一定的时间信息（如共聚焦显微术）；要想得到快的时间信息，就要牺牲一定的空间信息（如宽场显微术）。所以实际应用中，成像系统的选择原则要看具体研究对象及对时空信息获取的侧重。

2.不同探测器时空信息获取能力的比较

目前荧光探测器都是利用光电转换原理，把光信号转变为电信号输出，针对光探测，尤其是“弱光”探测比较灵敏探测器有：光电倍增管（PMT）、像增强CCD（IntensifiedCCD, ICCD）、电子增益CCD（ElectronMultiplying CCD, EMCCD）。首先解释一下什么是“弱光”，弱光并不一定意味光信号强度本身弱，往往是因为目前要求采集速度较快，导致曝光时间过短，所以单次采集的光信号就较弱了。 y:Gn58o  它们在时间和空间信息获取上各有优缺点，比较如下：

（1）PMT

PMT是依据光电子发射、二次电子发射和电子光学的原理制成的、PMT具有极高灵敏度（单光子）和超快响应时间（皮秒级），如时间相关单光子计数技术测荧光寿命就是用PMT。但缺点有两个：一是，只能获得强度信息，没有空间信息（若要成像，就得扫描拼图了）；二是“只能”探测弱光，遇到强光容易被烧毁。因此，时空特性上，PMT作为高灵敏探测器丢失了空间信息，但可捕获皮秒级时间信息。

（2）ICCD

ICCD工作原理是前端光电阴极对入射光信号进行光电转换，产生的电子经微通道板（弱光探测核心部件）放大实现增益，然后电子轰击荧光屏激发出荧光，经光纤或透镜耦合到CCD靶面上成像。ICCD一个主要特点是通过对光电阴极上施加正负脉冲调控电压，对光电转换所得电子的释放进行控制，从而实现单幅图像纳秒量级的电压门控曝光。ICCD较PMT在空间信息探测上有较大的改进，可以实现平面成像。时间上，ICCD可以实现单幅图像纳秒级的电压门控的曝光采集，但连续采集能力却不够强，同时空间分辨率较普通CCD差。

（3）EMCCD

EMCCD技术，也被称作“芯片上放大增益”技术，与普通的CCD的主要区别在于其读出（转移）寄存器接续有一串增益寄存器。增益寄存器使电子在转移过程中产生“撞击离子化”效应，产生了新的电子，即所谓的倍增或者说是增益，可达1000倍以上。EMCCD主要特点有采用后置放大技术，在保证较好的信噪比情况下可以实现快速连续采集；空间分辨率跟像素大小有关。它缺点单次采集能力较弱，不能实现如ICCD那样纳秒级超短时间曝光，只能实现毫秒级曝光。

综合比较三种弱光灵敏探测期时空信息获取能力如下：

① 弱光探测能力：这三者弱光探测能力可基本持平，都可以实现单光子探测。

② 空间分辨率：单通道PMT没有空间分辨率；ICCD由于微通道板和荧光屏的使用，使得空间分辨率较EMCCD差。

③ 时间分辨率：ICCD具有纳秒级的电压门控曝光，可实现高时间分辨成像，但连续采集能力较弱；EMCCD只能实现毫秒级曝光，但连续采集能力较强。PMT时间分辨率较优，可获得皮秒量级时间信息。

可以看出各个探测器各有所长，没有谁有绝对优势。IS
!OO<  所以根据研究需要，合理选择相关探测器。

y]PuY + u23_*W 另外纠正一个大家认识上容易放的一个小错误：弱光成像的信噪比问题。弱光探测器本事只是增强收集到的“弱光信号”，但是“弱光信号”不一定就是“有用信号”，假如信号源本身信噪比就很差，弱光探测器是也是无能为力的。因此不怕光信号弱，哪怕是单光子都能给你探测出来，就怕你信号源本身信噪比差。信号源信噪比改善就是样品的制备等大比拼啦，极限探测就看谁更细节啦，细节决定成败哦～。

3.不同超分辨荧光成像方法时空信息获取能力的比较

   光学成像在生物研究上的核心优点是可视+实时+活体，所以超分辨出来后，大家都在想赶紧在时间上在努力一下，否则可惜了。Hell的STED是基于扫描成像原理搭建的。STED是直接“造”出来一个很小的激发点实现了超分辨，然后在通过移动物品，把图像一个点一个点扫描出来拼成一个完整的图像，时间方面明显不足。PALM是基于宽场成像原理搭建的，通过大量的（所以耗费时间的）光子采集，依靠计算获得一个超分辨的图，时间方面也明显不足。可以说超分辨成像，在时间信息获取方面先天不足。

都是超分辨，但是从原理和方法来讲，PALM的超分辨能力更强，探针做到好达到1nm都是可能的，但是STED估计20nm就差不多了，同时PALM还是宽场成像也比STED好些。但是时间能力方面，STED实现视频级的超分辨成像，但是牺牲了空间信息总量，也就是说只能在很小一个空间范围内观测；要想获得大视场超分辨图像，就必须花更多的时间去扫描。PALM也实现视频级了，通过优化算法，少用点光子信息从而优化了时间，但是空间分辨率就下降了。总之，要想超空间分辨+超时间，怎么弄感觉都是顾头不顾腚，躲得了初一躲不过十五。

   综上，笔者认为在空间信息和时间信息“极限”探测上类似不确定原理，一个指标牛了，另一个指标必然是受影响的，鱼翅和熊掌不可兼得的。往高了说，就是哲学辩证法了。你想又快、又细、又大视野获得时空信息是比较贪心的，目前是没有这样的方法和技术的，甚至是造不出来的（可能有人反对，认为科技还在发展）。选什么仪器方法最重要的是需求，而不是盲目的去追求综合指标。说的再玄乎点，我认为老天爷还是很照顾大家都感受的，没有给大家出个“难题”需要双超技术才能解决的，所以这样的技术就没有存在的必要了。

题外话：我上课经常问学生，螺旋测微尺为什么不能造大点呢，下可测头发，上可测身高，多完美啊。为什么不能把电子天平量程搞大点，又能称小颗粒，又能称大白猪。学生说大都回答商家想多挣钱，东西拆开可以多卖。其实大家试想想我们有这个需求去造这样一个仪器吗，比如卖猪需要精确到0.0001g吗，得多抠门啊；量身高需要精确到0.001mm吗？再比如找对象，你要找个有钱又帅又温柔男人，或许不是问题，但是说只对你好不花心就难了，因为这样男人诱惑太大了谁都想要啊，迟早得出轨。完美对象只能想想了，找对象不要贪心啊~