研究人员推动了光学显微术的进步

光学显微镜研究领域近年来发展迅速。由于发明了一种叫做超分辨荧光显微镜的技术，最近甚至有可能看到活细胞的较小部分。现在，通过对这项技术进行巧妙的改进，代尔夫特理工大学的研究人员进一步推动了这项技术的边界。在以前可以观测到高达10-20纳米的物体的地方，他们的方法使得可以聚焦于直径为3纳米的微小结构。

曾经布商Delft和科学家安Antoni van Leeuwenhoek的自制显微镜的分辨率不到一微米，这使他能够观察细菌和精子细胞等结构。但是，即使在十七世纪，范列文虎克已经接近所谓的“衍射极限”，一个理论界限，超过这个界限，在光学显微镜下无法区分两个相邻的点。这个限制部分是由被使用的光的波长决定的。根据该理论，使用传统显微镜可以成像的物体的最大尺寸是波长的一半。任何再小的事物都不可能成为焦点了。

衍射极限被长期认为是一个固定的显微边界，由自然法则决定。但是，通过运用巧妙的技巧，物理学家最终成功地跨越了它。不久前，也就是在2014年，诺贝尔化学奖授予了三位发明了这种变通方法的研究人员，称为“超分辨荧光显微镜”。在这种技术中，某些蛋白质或分子通过遗传修饰而产生荧光。它们发出的微弱光信号可以在光学显微镜的帮助下被捕获。研究人员Bernd Rieger说：“实际上，使蛋白质荧光的问题在于你不能对所有那些特定类型的蛋白质进行标记。最多只有30%到50%。当你开始测量时，你只能看到几个单独的发光点，而不是你想看到的完整的结构。”

为了解决这个问题，代尔夫特理工大学的研究人员设计了一种适应超分辨显微术的方法。这可与摄影中所谓的“合成”相媲美：堆叠多个图像来创建单个复合图像。研究人员Sjoerd Stallinga解释说：“在电子显微镜中，对不同测量所得到的信息进行平均处理已经完成。但这是完全不同的技术。我们的博士候选人Hamidreza Heydarian花了两年的时间来转换光学显微镜技术。”

其中的一个问题是，合并数百个（如果不是数千个）快照需要大量的处理能力。用一台普通的电脑，需要数天的时间才能从所有的数据中得到清晰的图像。Rieger说：“幸运的是，由于电脑游戏产业的发展，我们能够使用图形卡进行很好的并行计算。”来自荷兰阿姆斯特丹eScience Center的程序员加入了这个项目，将一个普通的电脑现有算法转化成了一个新的研究，可以在这样的图形卡上运行。因此，现在可以在几小时内将测量组合成单个图像。

上图所示，经过几个不同的测量，每个都包含几个发光点，结合起来形成了高分辨率的单幅图像。图中该公式表示单个分子定位的不确定性。图片来源：荷兰代尔夫特理工大学。

这项研究正在缩小电子显微镜和光学显微镜之间的鸿沟，这是很重要的，因为这两种技术提供不同的结果，因此是互补的，但在它们的可能性方面仍然有很大差距。“最好的电子显微镜比最好的光学显微镜强30到50倍。”Stallinga说。“把两个技术领域紧密联系在一起可能会带来新的生物洞察力。”

根据研究人员的说法，他们的技术——已经达到了3纳米级的分辨率——应该最终能够观察仅测量1纳米的结构。在该阈值以下，荧光标签的尺寸成为限制因素。

研究结果发表在《自然方法Nature Methods》杂志上。

原文来源：https://phys.org/news/2018-09-boundaries-optical-microscopy.html