苏菲主义：超出分辨率极限的显微镜

固定细胞样品中微管的图像。固定3T3细胞中微管的3微米x 3微米共聚焦扫描，用两种方法分析量子点。左上：图像扫描显微镜（ISM），右下：傅立叶加权后的超分辨率光学波动图像扫描显微镜（SOFISM）。（资源：UW Physics，A。Makowski）。

华沙大学物理系和魏茨曼科学研究所的波兰-以色列团队在荧光显微镜方面取得了另一项重大成就。在Optica期刊的页面上，团队提出了一种新的显微镜方法，从理论上讲，它没有分辨率的限制。在实践中，研究小组设法证明了比衍射极限提高了四倍。

生物科学和医学的不断发展要求能够检查越来越小的物体。科学家需要研究例如细胞中蛋白质的结构以及它们之间的相互关系。同时，观察到的样品不应与生物有机体中天然存在的结构不同，这排除了使用侵蚀性程序和试剂的可能性。

尽管经典光学显微镜彻底改变了自然科学，但今天显然还不够用。由于光的波状性质，光学显微镜不允许成像结构小于约250纳米。结果，不能辨别出比光波长的一半（绿光约为250nm）更近的物体。长期以来，科学家一直试图克服这种现象，即衍射极限，这是观察最小的生物结构的主要障碍之一。

电子显微镜可提供更好的分辨率，但只能检查无生命的物体，这些物体必须置于真空中并受到电子束的轰击。因此，电子显微镜不能用于研究生物体及其中发生的自然过程。

这是荧光显微技术的介入之地，因此超分辨率荧光显微技术作为物理科学领域的发展迅速，并已在2008年和2014年获得两项相关研究的诺贝尔奖。

如今，有几种荧光显微镜技术可用，其中一些已在生物成像中得到广泛应用。某些方法，例如PALM，STORM或STED显微镜，具有超高分辨率的特点，可以分辨彼此之间只有十几纳米的物体。但是，这些技术需要较长的曝光时间和生物标本制备的复杂程序。其他技术（例如SIM或ISM显微镜）易于使用，但分辨率的提高非常有限，仅能识别衍射极限尺寸一半的结构。

华沙大学物理学院量子光学实验室的Aleksandra Sroda，Adrian Makowski和Radek Lapkiewicz博士与以色列魏兹曼科学研究所的Dan Oron教授团队合作，介绍了一种新的超级技术分辨率显微镜，称为超分辨率光学波动图像扫描显微镜（SOFISM）。

在SOFISM中，荧光标记物发射强度的自然波动用于进一步增强图像扫描显微镜（ISM）的空间分辨率。ISM是一种新兴的超分辨率方法，已经在商业产品中实现，并被证明对生物成像界很有价值。很大程度上，由于它在横向分辨率（x2）方面实现了适度的改进，因此光学设置几乎没有变化，并且没有长时间曝光的常见障碍。因此，它可以自然扩展标准共聚焦显微镜的功能。ISM使用共聚焦显微镜，其中单个检测器替换为检测器阵列。

在SOFISM中，计算由多个检测器检测到的强度的相关性。原则上，相对于衍射极限，n阶相关性的测量可以导致分辨率提高2n倍。实际上，可以通过测量的信噪比来限制可用于高阶相关的分辨率。

“ SOFISM是易用性和分辨率之间的折衷。我们相信，我们的方法将填补复杂的，难以使用的技术（提供非常高分辨率）和易于使用的较低分辨率的方法之间的利基市场。SOFISM没有理论分辨率极限，在我们的文章中，我们证明了比衍射极限好四倍的结果。我们还表明，SOFISM方法在三维生物结构成像中具有很高的潜力，” Radek Lapkiewicz博士说。

至关重要的是，从技术角度而言，SOFISM十分容易获得，因为它只需要对广泛使用的共聚焦显微镜进行少量修改即可—用SPAD阵列检测器代替其光电倍增管。另外，有必要稍微增加测量时间并改变数据处理程序。“直到最近，SPAD阵列检测器价格昂贵，而且其规格还不足以进行基于相关的显微镜检查。这种情况最近已经改变。去年推出的新型SPAD探测器消除了技术和价格方面的障碍。这使我们认为，诸如SOFISM之类的荧光显微技术可能会在几年后广泛应用于显微检查领域。” Lapkiewicz博士强调说。

参考：“ SOFISM：超分辨率光学波动图像扫描显微镜”，Aleksandra Sroda，Adrian Makowski，Ron Tenne，Uri Rossman，Gur Lubin，Dan Oron和Radek Lapkiewicz于2020年9月29日在Optica.DOI：
10.1364 / OPTICA.399600

该项目是在波兰科学基金会的FIRST TEAM计划下进行的。