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匹茲堡——在美國物理學會（APS）上週在此舉行的會議上，斯坦福大學的物理化學家W. E. Moerner展示了一種觀察活細胞內部的新穎技巧。該技術可以進行三維觀察，並遠超所謂的衍射極限，衍射極限通常會使影像在所用光波長的一半左右變得模糊。 Moerner是今年APS的歐文·朗繆爾物理化學獎的獲得者。
諸如電子顯微鏡之類的技術長期以來允許在奈米尺度上進行精細的成像，但是它們通常需要仔細準備要成像的物體，並且對於例如觀察活細胞內部以檢視那裡發生的過程來說是不實用的。正如物理系學生在光學早期學到的那樣，通常使用光可獲得的最佳影像可以分辨出不小於光波長一半左右的特徵，或者使用最短波長的可見光約為200奈米。（奈米是十億分之一米，或約為400億分之一英寸。）細胞中的生化結構遠小於此。
“近場”光學掃描透過將帶有微小視窗或孔徑的螢幕放置在物體上，並在物體上掃描來建立影像，從而突破了衍射極限。但是，這種方法僅在獲得屏幕後面非常接近的物體的超高解析度影像時才成功，這些物體在“近場”範圍內，該範圍足夠短，以至於波浪效應尚未從光中洗掉所有精細的細節。
新成像過程的第一個技巧是對單個熒光分子或熒光團發出的光進行成像。這樣的光源的大小約為單個奈米。熒光團的光學影像仍然是一個幾百奈米寬的斑點，但是藉助當今高質量的檢測系統，可以分析斑點的強度並以非常高的精度定位其中心最大值。 Moerner將其比作向下看一個小型的圓錐形火山島。該島嶼可能只有幾英里寬，但是可以分析地形並將該島嶼中心的山峰定位到數十碼。
這個技巧實際上和海森堡一樣古老，他在1920年代指出，給定n個光子，就可以以大約等於衍射極限的根號n分之一的精度定位電子。研究人員後來將這一思想推廣到其他型別的成像。
對於非常準確地獲取單點來說，這很好——例如，透過用熒光團標記蛋白質然後對熒光團進行成像來獲取目標蛋白質的位置——但是對於觀察兩個附近的點，每個點都用熒光團標記，則沒有多大用處。這兩個“山峰”將非常接近並且難以分開。
因此，成像方法的第二個技巧是利用某些有機熒光團的“光開關”。這種分子可以透過一種波長的光進行光啟用，然後以第二種波長髮熒光，並最終被光漂白或再次關閉。研究人員無法控制細胞中哪些熒光團將被啟用，但是透過傳送正確的光量，他們可以確保即使在小區域中存在許多熒光團，也只有孤立的熒光團被啟用。然後，他們可以對這些熒光團進行成像，直到發生光漂白為止，並重復此技巧足夠多次以建立細胞中所有熒光團的圖片。三個獨立的小組在2006年獨立提出了這個技巧。
因此，可以獲得活細胞內部標記的蛋白質或其他奈米級物體的高解析度影像，並隨著時間的推移透過諸如細胞分裂之類的過程跟蹤它們。（Moerner特別提到研究某種分裂成兩個不同子細胞的細菌如何將不同的蛋白質傳送給它的每個後代。）
但是，這種高解析度影像仍然是平坦的二維影像。 Moerner描述的成像技術的第三個技巧增加了第三維。再次回想一下“山”——光斑，其強度中心有一個峰。用技術術語來說，它是一個所謂的點擴散函式——來自微小點光源的光的影像在透過研究人員的成像系統時如何散佈開來。點擴散函式不必像理想化的火山島那樣是簡單的對稱小丘。相反，它可以被佈置成更像啞鈴的形狀。此外，該函式可以根據點光源的深度“扭曲”。 Moerner將這種扭曲的啞鈴形式稱為雙螺旋點擴散函式，原因很明顯。
因此：熒光團被隨機光開關以單獨成像。每個熒光團“啞鈴”的中心點提供了其在二維平面上的精確位置。啞鈴的方向將其放置在第三維中——它沿著視線進入細胞的距離。
去年，斯里·拉瑪·普拉桑納·帕瓦尼和科羅拉多大學博爾德分校的拉斐爾·皮埃斯頓演示了具有雙螺旋點擴散函式的三維成像，但是以熒光微球為目標——比單個分子大得多且亮得多。這兩位研究人員以及Moerner及其合作者在3月3日的《美國國家科學院院刊》中報告說，他們已將雙螺旋技術擴充套件到對厚聚合物樣品中的單個熒光團進行成像。他們在2000奈米的深度上以大約10到20奈米的精度定位了所有三個維度上的熒光團。現在，輪到興奮的生物學家將該技術應用於研究實際的細胞了。
W. E. Moerner的照片：斯坦福大學