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使用者:Kevin6983876/超高解析度顯微鏡學

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在光學顯微鏡學中，超高解析度顯微鏡學是一結合多項技術的專有名詞，此技術讓影像解析度能超越繞射極限[1][2]。根據1873年恩斯特·阿貝的研究(特別是對於寬場光源)，光的繞射會造成傳統光學顯微鏡解析度的極限[3]：一數值孔徑N.A.，且入射光波長為λ的具繞射極限的顯微鏡的水平解析度為d = λ/(2 N.A.)，垂直解析度(z方向)也可以用同樣的表達式給出。一個標準的光學顯微鏡解析度在可見光範圍約為水平200奈米、垂直600奈米[4]。實驗上，可達到的解析度可量取點狀物體的點擴散函數的半峰全寬求得。雖然顯微鏡的解析力並未完整定義[5]，目前公認超高解析度顯微鏡技術可達到比阿貝所定義的解析度。

超高解析度顯影劑術包含單分子局域分析法、光子穿隧顯微術[6]、以及利用超級透鏡、近場掃描式光學顯微鏡、4Pi顯微鏡、共聚焦顯微鏡(將針孔關閉)、或是經過反褶積[7] 、偵測器相素重配等計算處理後的共軛焦顯微鏡影像[8][9]，也包含利用結構性光源的險微鏡技術(例如SIM以及垂直顯像SMI)。

目前有兩種主要的功能型超高解析度顯微鏡學：[10]

  1. 決定性超高解析度：常用在生物顯微鏡的發光物─螢光色素，受激後有非線性反應，此非線性反應可以用來提高解析度，這些方法包括誘導發射抑制性顯微術、激態抑制性顯微術、可逆飽和光學螢光轉換和SSIM。
  2. 隨機性超高解析度：分子光源的化學複雜性提供時間域上的複雜表現，可以讓許多非常接近的螢光色素在不同時間發光，因而可以在不同時間解析不同分子。這些方法包括超解析度光變成像(SOFI)和全單分子局域方法(SMLM)如 垂直顯像SMI、光活化局域性顯微鏡法, FPALM、STORM和dSTORM。

2014年10月8日， 諾貝爾化學獎頒發給艾力克·貝齊格, 威廉·莫爾納爾和斯特凡·赫爾以表彰他們對"超高解析度螢光顯微鏡"的貢獻，這促使"光學顯微鏡進展到奈米尺度"。[11][12]

歷史

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在1978年，已有第一個突破阿貝極限的理論，其試圖透過4Pi 顯微鏡來當作共軛焦雷射掃描螢光顯微鏡[13]。其原理利用兩個相反的物鏡的透光，同時打在樣品的異側，以增加立體角。

超解析技術

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光子穿隧顯微鏡(PTM)

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[14]

近場光隨機測繪(NORM)顯微鏡

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近場光隨機測繪(NORM)顯微鏡是一種透過觀察在浸液中的奈米粒子的布朗運動，並透過遠場顯微鏡光學採集奈米粒子的近場資訊。[15][16]

NORM利用隨機移動的奈米粒子來掃描物體表面。透過這個顯微鏡，奈米粒子看起來像對稱的圓點。圓點的寬度等於點擴散函數，並決定顯微鏡的解析度。特定粒子的水平座標解析度比同等光學顯微鏡的解析度還要高。透過收集多張影像，我們可以劃出整個視野範圍的近場的強度分布圖。 與NSOM和ANSOM比較，這種方法不需要任何特殊的尖端定位設備，並可以達到大視野和深焦長。 由於"感測器"可以大量掃描，圖像獲取時間可以縮點。

4Pi顯微鏡

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一 4Pi顯微鏡 是一個雷射掃描的 螢光顯微鏡，其改進了軸向解析度。從傳統的500至700 納米可以提高到100-150 納米，比標準的 焦顯微鏡幾乎減少5至7倍的球焦點體積，.


  • Images of cell nuclei and mitotic stages recorded with 3D-SIM.
  • 比共焦鏡 –3D-SIM
    比共焦鏡 –3D-SIM
  • 細胞核中的 前期 從各種角度
    細胞核中的 前期 從各種角度
  • 兩個老鼠的細胞核的在前期的。
    兩個老鼠的細胞核的在前期的。
  • 老鼠的細胞在 末期
    老鼠的細胞在 末期

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  1. ^ Neice, A. Methods and Limitations of Subwavelength Imaging. Advances in Imaging and Electron Physics 163. 2010: 117–140. ISBN 978-0-12-381314-5. doi:10.1016/S1076-5670(10)63003-0. 
  2. ^ Juan Carlos Stockert, Alfonso Blázquez-Castro. Chapter 20 Super-resolution Microscopy. Fluorescence Microscopy in Life Sciences. Bentham Science Publishers. 2017: 687–711 [24 December 2017]. ISBN 978-1-68108-519-7. 
  3. ^ Abbe, E. Beitrage zur Theorie des Mikroskops und der mikroskopischen Wahrmehmung (PDF). Archiv für mikroskopische Anatomie. 1873, 9: 413–420. doi:10.1007/BF02956173 （德語）. 
  4. ^ Cremer, Christoph; Masters, Barry R. Resolution enhancement techniques in microscopy. The European Physical Journal H. 2013-04-01, 38 (3): 281–344. Bibcode:2013EPJH...38..281C. ISSN 2102-6459. doi:10.1140/epjh/e2012-20060-1 （英語）. 
  5. ^ Francia, G. Toraldo di. Resolving Power and Information. JOSA. 1955-07-01, 45 (7): 497–501. doi:10.1364/JOSA.45.000497 （英語）. 
  6. ^ John M. Guerra. Photon Tunneling Microscopy. Applied Optics. 1990, 29 (26): 3741–3752. Bibcode:1990ApOpt..29.3741G. PMID 20567479. doi:10.1364/AO.29.003741. 
  7. ^ Agard, David A.; Sedat, John W. Three-dimensional architecture of a polytene nucleus. Nature. April 1983, 302 (5910): 676–681. Bibcode:1983Natur.302..676A. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/302676a0 （英語）. 
  8. ^ Luca, Giulia M. R. De; Breedijk, Ronald M. P.; Brandt, Rick A. J.; Zeelenberg, Christiaan H. C.; Jong, Babette E. de; Timmermans, Wendy; Azar, Leila Nahidi; Hoebe, Ron A.; Stallinga, Sjoerd. Re-scan confocal microscopy: scanning twice for better resolution. Biomedical Optics Express. 2013-11-01, 4 (11): 2644–2656. PMC 3829557 可免費查閱. PMID 24298422. doi:10.1364/BOE.4.002644 （英語）. 
  9. ^ Sheppard, Colin J. R.; Mehta, Shalin B.; Heintzmann, Rainer. Superresolution by image scanning microscopy using pixel reassignment. Optics Letters. 2013-08-01, 38 (15): 2889–2892. Bibcode:2013OptL...38.2889S. ISSN 1539-4794. PMID 23903171. doi:10.1364/OL.38.002889. hdl:1912/6208 （英語）. 
  10. ^ SPIE. W.E. Moerner plenary presentation: Single-molecule spectroscopy, imaging, and photocontrol -- foundations for super-resolution microscopy. SPIE Newsroom. March 2015. doi:10.1117/2.3201503.17. 
  11. ^ Ritter, Karl; Rising, Malin. 2 Americans, 1 German win chemistry Nobel. Associated Press. 8 October 2014 [8 October 2014]. 
  12. ^ Chang, Kenneth. 2 Americans and a German Are Awarded Nobel Prize in Chemistry. New York Times. 8 October 2014 [8 October 2014]. 
  13. ^ Considerations on a laser-scanning-microscope with high resolution and depth of field. Microsc Acta. September 1978, 81 (1): 31–44. PMID 713859. 
  14. ^ John M. Guerra. Photon Tunneling Microscopy. Applied Optics. 1990, 29 (26): 3741–3752. Bibcode:1990ApOpt..29.3741G. PMID 20567479. doi:10.1364/AO.29.003741. 
  15. ^
    美國專利2009/0116,024，優先權日期7April2006年：J.V.Mikliaev,S.A.Asselborn 方法獲得一個高解析度圖像
  16. ^ Yu. V. Miklyaev; S. A. Asselborn; K. A. Zaytsev; M. Ya. Darscht. Superresolution microscopy in far-field by near-field optical random mapping nanoscopy. Appl. Phys. Lett. 2014, 105 (11): 113103(1–4). Bibcode:2014ApPhL.105k3103M. doi:10.1063/1.4895922. 
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