熒光顯微鏡是生命科學(xué)研究領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的光學(xué)顯微鏡之一，長期以來一直以高特異性和高信噪比著稱。從單細(xì)胞層面成像直至整個(gè)器官層面的成像都有著廣泛的應(yīng)用。
 
傳統(tǒng)的熒光顯微鏡雖然有諸多的優(yōu)點(diǎn)，成像范圍能覆蓋微米甚至厘米范圍內(nèi)的大部分區(qū)間，但是最大的問題在于無法對納米級(jí)別的目標(biāo)物進(jìn)行成像分析，這是由光的衍射極限所決定的。常用的可見光的波長大約在600 納米左右，因此傳統(tǒng)的熒光顯微鏡的空間分辨率大約為波長的一半，也就是300 納米。這樣的成像分辨率極大的限制了對細(xì)胞內(nèi)部亞細(xì)微結(jié)構(gòu)(例如線粒體等細(xì)胞器)的觀察，也不利于對細(xì)胞內(nèi)部各種生命過程的觀測與探索。
 
在這種情況下，超分辨熒光顯微鏡技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并最終摘下2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。超分辨熒光顯微鏡技術(shù)大體可分為自上而下的受激發(fā)射損耗熒光顯微術(shù)(STED)，結(jié)構(gòu)光照明熒光顯微術(shù)(SIM)，以及自下而上的單分子定位熒光顯微術(shù)(SMLM)。
 
其中，單分子定位熒光顯微術(shù)借助光學(xué)或化學(xué)方法控制熒光分子在“亮”與“滅”這兩種狀態(tài)之間不斷的切換，使得某一時(shí)刻內(nèi)只有極少數(shù)熒光分子在發(fā)光。這樣熒光分子之間信號(hào)不重疊，使我們能對單個(gè)熒光分子的熒光信號(hào)進(jìn)行二維高斯擬合并精確定位。接著隨著時(shí)間不斷的累積單個(gè)熒光分子位置的信息，從而能最終獲得一張超高分辨率的點(diǎn)云(point cloud)形式的圖像。
 
目前單分子定位顯微術(shù)的空間分辨率最高可達(dá)5-10 nm，幾乎接近蛋白質(zhì)分子的平均直徑大小，然而另一方面，目標(biāo)分析物的性質(zhì)通常是多維的，普通的單分子定位顯微術(shù)僅僅提供位置的信息，已經(jīng)無法滿足提供多組分信息的成像需求。
 
例如，分析細(xì)胞膜磷脂雙層分子成分需要知道膜極性的信息，確認(rèn)相分離狀態(tài)是否是液態(tài)則需要對擴(kuò)散速率進(jìn)行測量。在傳統(tǒng)的熒光成像領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)出了一些特定的熒光分子和分析方法對這些性質(zhì)進(jìn)行定量化表征與成像，它們被稱為功能化的熒光成像技術(shù)。如果能借鑒這些技術(shù)進(jìn)一步開發(fā)功能化的、能提供多組分性質(zhì)信息的單分子定位顯微術(shù)，則將會(huì)對功能化成像的空間分辨率帶來納米尺度上的突破，使我們能觀測到納米尺度上一些前所未有的生命化學(xué)現(xiàn)象。這些多維的、功能化的單分子定位顯微術(shù)將是本次直播的主要介紹內(nèi)容。