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超解析顯微鏡的魔法：如何打破光的極限？
在科學界，顯微鏡技術的提升無疑是揭秘微觀世界的重要工具，其中，超解析顯微鏡技術尤其引人注目。這一系列技術不僅突破了光學顯微鏡的衍射極限，還在生物醫學研究和分子生物學的應用上展示了巨大的潛力，為我們提供了更全面的細胞內部結構與功能的理解。
超解析成像技術依賴近場（如光子隧道顯微鏡和近場掃描光學顯微鏡）或遠場的設定選擇。
超解析顯微鏡主要可以分為兩大類：確定性超解析技術與隨機超解析技術。前者利用生物顯微鏡中常用的發光團（螢光分子）的非線性響應來增強解析度，典型的技術包括刺激發光耗損（STED）、地面態耗損（GSD）等。後者則利用分子光源的時間行為，使相近的螢光分子能分開發光，形成可分解的影像，此類技術包括超解析光波動成像（SOFI）及單分子定位顯微術（SMLM），例如PALM與STORM等。
2014年10月8日，埃里克·比蒂希、沃爾特·莫爾納和斯特凡·赫爾因“超解析熒光顯微鏡的發展”獲得諾貝爾化學獎，這標誌著光學顯微鏡進入了納米尺寸的領域。
自20世紀70年代以來，關於打破阿貝極限的理論已經開始浮現。1978年的研究稿提出了使用4Pi顯微鏡的概念，這是一種激光掃描熒光顯微鏡，透過雙側光源聚焦達成高解析度。然而，當時的研究對於軸向解析度的提升卻未能引起足夠的重視。1986年，基於刺激發射的超解析光學顯微鏡技術被首次專利。
超解析技術的應用
這些超解析技術不僅為顯微鏡提供了新的視角，還加快了生物分子的觀測速度。其中，近場光學隨機映射（NORM）顯微鏡，通過觀察懸浮液中的納米顆粒布朗運動來獲得光學近場信息，其成像過程也不需要特殊的定位設備，這無疑提高了圖像獲取的效率。
結構化照明顯微鏡（SIM）通過收集可見區域外的頻率空間信息，實現了空間解析度的增強，對一些醫學診斷有重大潛力。
反映這些技術的進步，結構化照明顯微鏡（SIM）展示了替代電子顯微鏡進行某些醫學診斷的潛力。例如，在醫學診斷中的腎臟病和血液疾病的研究中，SIM的應用越來越常見。此外，空間調製照明（SMI）進一步改進了距離測量的精確性，可以獲得尺度為幾十納米的分子尺寸測量。
生物傳感技術在超解析中的應用
在細胞生物學中，生物傳感技術是理解細胞組件活動的重要手段。這些傳感器通常由感測和報告兩部分組成，使用螢光探釋技術來定量分析生物活動。新型螢光探釋器的出現使得在細胞內觀察動態過程的可能性大大提升。
REversible Saturable OpticaL Fluorescence Transitions (RESOLFT) 顯微鏡技術，不僅能夠影像捕捉更多細節，還擴展了超解析的概念，令其在生物醫學研究中越加重要。
隨著技術的不斷發展，STED及GSD等確定性方法逐步完善，提供了新的解決方案，然而，這些技術的實用性仍受到設備複雜性及樣品損傷風險的挑戰。因此，儘管超解析顯微鏡技術具有超乎尋常的解析能力，科學家們仍需不斷探索其在各領域中的最優化應用。
這些技術的整合及應用，使得我們可以更直觀地理解細胞機械、結構及功能，並最終啟示進一步的生物醫學研究，未來的科學發現或將以何種方式拓展我們對生命的認知呢？
