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超解像顕微鏡の魔法: 光の限界を突破するには?
科学界において、顕微鏡技術の進歩は間違いなくミクロの世界の謎を解明するための重要なツールであり、その中でも超解像顕微鏡技術は特に注目を集めています。この一連の技術は、光学顕微鏡の回折限界を突破するだけでなく、生物医学研究や分子生物学への応用においても大きな可能性を示し、細胞の内部構造と機能についてのより包括的な理解をもたらします。
超解像イメージング技術は、近接場（光子トンネル顕微鏡や近接場走査型光学顕微鏡など）または遠方場設定のいずれかの選択に依存します。
超解像顕微鏡は、決定論的超解像技術と確率論的超解像技術の 2 つの主要なカテゴリに分けられます。前者は、生物顕微鏡で一般的に使用される発光体（蛍光分子）の非線形応答を利用して解像度を高めます。代表的な技術には、誘導発光減衰（STED）と基底状態減衰（GSD）があります。後者は分子光源の時間的挙動を利用して、類似の蛍光分子が別々に光を発し、解像可能な画像を形成する。このような技術には、超解像光波イメージング（SOFI）や単一分子局在顕微鏡法（SMLM）などがある。例えば、PALMそしてSTORM。
2014年10月8日、エリック・ビュッティヒ、ウォルター・モルナー、シュテファン・ヘルは「超解像蛍光顕微鏡の開発」によりノーベル化学賞を受賞し、光学顕微鏡の分野における最初の大きな進歩を記録しました。ナノスケールの領域。
アッベ限界を破る理論は 1970 年代から登場してきました。 1978 年の研究論文では、両側から光源を集中させることで高解像度を実現するレーザー走査型蛍光顕微鏡である 4Pi 顕微鏡を使用するという概念が提案されました。しかし、当時の研究では軸方向の分解能の向上に十分な注意が払われていませんでした。 1986 年に、誘導放出に基づく超解像光学顕微鏡法が初めて特許を取得しました。
超解像技術の応用
これらの超解像技術は、顕微鏡検査に新たな視点を提供するだけでなく、生体分子の観察を高速化します。その中で、近接場光ランダムマッピング（NORM）顕微鏡は、懸濁液中のナノ粒子のブラウン運動を観察することで、光学近接場情報を取得します。その画像化プロセスには特別な位置決め装置が不要なため、画像取得の効率が間違いなく向上します。
構造化照明顕微鏡法 (SIM) は、可視領域外の周波数空間情報を収集することで空間分解能を向上させ、一部の医療診断に大きな可能性を秘めています。
これらの技術の進歩を反映して、構造化照明顕微鏡法 (SIM) は、特定の医療診断において電子顕微鏡法に取って代わる可能性を示しています。たとえば、SIM は医療診断における腎臓疾患や血液疾患の研究にますます使用されるようになっています。さらに、空間変調照明 (SMI) により距離測定の精度がさらに向上し、数十ナノメートルのスケールで分子のサイズ測定が可能になります。
バイオセンサー技術のスーパー分析への応用
細胞生物学において、バイオセンシング技術は細胞成分の活動を理解するための重要な手段です。これらのセンサーは通常、蛍光検出技術を使用して生物学的活動を定量化する、感知と報告の 2 つの部分で構成されます。新しい蛍光プローブの出現により、細胞内の動的プロセスを観察する可能性が大幅に広がりました。
可逆飽和光学蛍光遷移 (RESOLFT) 顕微鏡は、画像内のより詳細な情報を捉えられるようになるだけでなく、超解像の概念を拡張し、生物医学研究においてますます重要になっています。
技術の継続的な発展により、STED や GSD などの決定論的手法は徐々に改善され、新しいソリューションが提供されています。ただし、これらの技術の実用性は、機器の複雑さとサンプル損傷のリスクによって依然として課題となっています。したがって、超解像顕微鏡技術は並外れた解像度能力を備えていますが、科学者はさまざまな分野での最適な応用を模索し続ける必要があります。
これらの技術を統合して応用することで、細胞の仕組み、構造、機能についてより直感的に理解できるようになり、最終的にはさらなる生物医学研究につながるでしょう。将来の科学的発見によって、生命に対する理解はどのように広がるのでしょうか。ウールの布はどうでしょうか。
