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光學設計中幾種超分辨率熒光顯微技術的原理與發展

Date:2015-01-28 14:19:04

現代生物醫學研究中為了更好地理解人體生命的作用過程和疾病的產生機理,需要觀察細胞內細胞器、病毒、寄生蟲等在三維細胞空間的精確定位和分布.另一方面,后基因組時代蛋白質科學的研究也要求闡明:蛋白質結構、定位與功能的關系以及蛋白質 - 蛋白質之間發生相互作用的時空順序;生物大分子,主要是結構蛋白與 RNA 及其復合物,如何組成細胞的基本結構體系;重要的活性因子如何調節細胞的主要生命活動,如細胞增殖、細胞分化、細胞凋亡與細胞信號傳遞等.反映這些體系性質的特征尺度都在納米量級,遠遠超出了常規的光學顯微鏡(激光掃描共聚焦顯微鏡等)的分辨極限(xy 向分辨率:200 nm,z 向分辨率:500 nm)。 應用傳統的電子顯微鏡(EM)可以達到納米量級的分辨率,能夠觀察到細胞內部囊泡、線粒體等細胞器的定位,但是由于缺乏特異性的探針標記,不適合定位單個蛋白質分子,也不適合觀察活細胞和細胞膜的動態變化過程.因此,生物學家迫切希望有一種實驗顯微方法,它既具有亞微米甚至納米尺度的光學分辨本領,又可以連續監測生物大分子和細胞器微小結構的演化,而并不影響生物體系的生物活性。 近年來,隨著新型熒光分子探針的出現和成像方法的改進,光學成像的分辨率得到極大的改進,達到可以與電子顯微鏡相媲美的精度,并可以在活細胞上看到納米尺度的蛋白質[2~5]. 這些技術上的進步勢必極大地推動生命科學的發展,為了增強生物學家對于超分辨率熒光顯微成像(super-resolutionfluorescent microscopy)機理的理解,以下我們將介紹傳統的熒光顯微成像的極限,突破此極限超分辨率成像的原理以及目前國際上的最新進展。

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