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如何实现光学超分辨(一)

已有 16864 次阅读 2012-5-20 18:20 |系统分类:科研笔记| 光学, 分辨率, 超分辨, 显微

 

如何实现光学超分辨(一)

席鹏著

 

热。

五月的北京很热,但光学超分辨显微更热。

这个月,Springer这一赫赫有名的科学期刊与图书出版社,隆重推出了新的开放式期刊Optical Nanoscopy,总编正是Stefan W Hell教授,一位成功发明了多种光学超分辨方法的该领域奠基人。

时间倒推回2009年一月,Nature Methods评选年度方法”(Method of the Year 2008),将这一殊荣赐给了荧光超分辨显微技术。半年之后,Nature Photonics已经又按捺不住,为超分辨显微再次出了新的专辑

Nature Publishing Group如此频繁地出新专辑,不敢说是绝后,但肯定是空前。

本文其实缘起于作者的一次演讲,由于听众来自不同学科,从本科生到教授博导,而且笔者的演讲是中午最后一个,所以不得不准备的浅显一些、娱乐一些。结果反倒有些意外,听众反馈真正地理解了这一领域的基本原理,并对她产生了浓厚的兴趣。所以笔者决定花一些时间来做科普,力求有更多人在理解的基础上,能够站在巨人肩膀上更进一步。

 

第一章: 山穷水尽疑无路

生物学家喜欢光学显微,几乎是一见钟情的事情。除了光学显微,还有哪种方法能够让人一眼就看清楚活细胞、活组织的内部结构呢?所以无怪乎光学显微的两个发明人胡克(列文-虎克和罗伯特-胡克),都是首当其冲地展示了光学显微在生物学上的应用。

显微的发展离不开光学,光学的发展需要三大件:理论、材料、工程。这三大件,居然在20世纪初的德国小镇耶拿(Jena)相聚了。那里有光学泰斗阿贝(Ernst Karl Abbe)、光学玻璃大家Otto Schott,和光学工程大师Carl Zeiss。后两人都同时进入商界,并以他们的家族名称作为公司的名称,至今仍是世界上数一数二的巨头。

SEQ * ARABIC 1  德国耶拿大学纪念Ernst Abbe的雕塑近照。

阿贝则深入研究了在传统光学中,如何能够提高分辨率,以及是否能够无限提高分辨率的问题。答案多少有点令人沮丧:光学显微由于光束直径有限,透镜大小有限,会产生衍射,从而具有一个所谓的衍射极限:

这个式子也是一个点扩展函数(PSF)的半高全宽的描述。它说明:如果一次把处于这个半径里面的粒子亮起来,那用光学显微是无法分辨它们的。所以,这个公式也就是光学显微分辨率的描述。

当大部分人都绝望而沉默的时候,有一个人突然灵光一闪:既然一次都亮起来不行,那我把其中一些弄灭可不可以?

爱因斯坦说:一个好问题,比一个好的解决方案都重要。他又对了。这一次,提问的人是Stefan Hell,那年,他29岁。

 



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