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课堂 | 纳米leica显微镜STED的前世与今生
所属分类:显微镜百科 点击次数:655 发布日期:2022-07-01
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图1. 传统光学显微镜的分辨率公式及阿贝极限,当两个物体之间的间距小于200nm (a)即无法分辨
图2. 共聚焦、超高分辨率与STED纳米显微镜的成像对比
1994年,德国马普研究所Stefan W. Hellf教授等提出的受激发射损耗显微镜(Stimulated emission of depletion microscopy, STED)是个突破200nm“阿贝极限”(图1)的纯光学纳米显微技术。借助STED,科学家不再必须使用电子显微镜等操作十分繁琐的方法才能观察200nm以下微观结构,能够像使用普通显微镜一样进行多色荧光成像(图2),从而大大丰富了科研工作者的研究对象(图3)。
图3. 200nm阿贝极限与生物体中的各种结构尺寸
凭借STED技术的发明,Stefan W. Hell教授获得了2006年度德国“未来奖”这一科学荣誉,2008年,《Nature》杂志将包括STED在内的超高分辨率显微技术评为年度技术,2014年,因发明STED等超高分辨率技术而荣获诺贝尔化学奖(图4)。
图4. 2014年诺贝尔化学奖获得者,中间为Stefan W. Hell教授
STED原理
使用精心设计的面包圈激光构造出小于衍射极限的荧光发射:一束聚焦的激发光与另一束中空环形的损耗光重合,利用环形焦斑使激发态上的荧光分子发生受激发射过程,剥夺面包圈部分的荧光发射能力,将荧光信号范围局限在中心很小的区域,从而改写了分辨率公式,提高光学分辨率(视频1,2)。
STED优势
STED技术具有很多优势,包括纳米级分辨率、多色观察、快速扫描、活细胞成像、厚组织标本3D重建、共定位分析等,是现代生物学和医学研究的理想工具。
STED技术是以纯光学方法提高图像分辨率,并实时成像,进行定位研究时不需要经过后期计算机软件对大量图片进行处理,原始数据就是图像。对于活细胞或活组织成像具有较高的扫描速率,可以完成生理学相关实验。此外多种荧光染料结合使用,可同时观察多个荧光信号,实现的共定位分析。
STED主要应用
研究蛋白质定位及功能
研究细胞器的活动和功能
厚组织标本的成像
细胞外小泡(EVs)的研究
核酸分子成像
……
STED成像时需要注意的问题
需要了解与使用的荧光标记分子的波长相匹配的 STED 损耗波长
对标本染色的要求一般高于激光共聚焦显微镜
徕卡STED超高分辨及纳米显微镜
作为超高分辨率成像领域的技术领航者,徕卡早在2004年就推出了全球款超高分辨率4 Pi显微镜。2007年,Leica Microsystems前瞻性地开始对STED技术进行商业化生产,并在此基础上不断推陈出新,突破极限(图5)。
图5. 徕卡STED荣获2014年R&D 100大奖和《The Scientist》2014年十大创新奖
图6. Leica超高分辨显微技术不断创新的14年
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