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高解析度萤光显微镜改进研究

两组研究团队分别开发出两款高解析度萤光显微镜 解析度小于10奈米的高解析度萤光显微镜.

萤光显微镜是利用某一波长的雷射激发样品而产生不同波长的萤光. 因此, 它应该是一个可以在不干扰蛋白质的情况下, 用来观察蛋白质的利器. 然而, 一般的萤光显微镜最大的问题在于它的解析度只有半个波长左右, 也就是大约250到300奈米. 而蛋白质的平均大小却只有1到10奈米左右.

为了克服这个问题, 研究人员曾使用原子力显微镜(AFM)的针头来提高萤光讯号, 也就是所谓的扫描式近场光学显微镜(SNOM). 他们把针尖摆在萤光显微镜的激发雷射光的焦点处, 也就是在样品的正上方, 然后让样品去做扫描. 就像尖端放电的原理一样, 在针尖处的电场的强度大大地增强, 进而使萤光的强度也增强. 虽然这个方法可以解析影像接近10奈米, 但是所得到的影像品质却相当差. 这是由于金属针尖会"扑灭"(quench)或者是将萤光染料分子上的受激电子传导出去, 而阻止光子发射的缘故.

在California Institute of Technology in Pasadena的Gerton及其同僚使用上下摆动的针头, 并在最低点时针尖短暂与样品接触. 他们发现当针尖接触样品时, 萤光的讯号与背景讯号的对比大约是没有接触只用雷射激发时的20倍左右. 虽然理论上, 金属针尖可以产生更大的增强效果, 但他们还是选择使用硅针头, 以避免"扑灭"效应. 用此来扫描5奈米大的半导体奈米晶体, 他们可以得到小于10奈米大小的解析度. 这个结果发表在2004年10月29日的Physical Review Letters中.

另一种AFM形式的装置是直接把雷射光打进光纤中, 再用光纤去照射激发样品. 这样的方法可以减低背景的萤光. 这样的显微镜通常对微弱的萤光讯号有较高的灵敏度, 但是其空间解析度却较差. 在Max Planck Institute for Biochemistry in Martinsried, Germany的 Heinrich Frey及其同僚则同时结合了灵敏度及解析度. 他们将一镀上金属的针头摆在100奈米宽的玻璃光纤上. 先用雷射光打入光纤中, 雷射光在光纤出口处产生的近场光透过针头的基部传到针尖处, 并激发在针尖处的样品. 他们的样品是两端附有染料分子的DNA分子. 虽然他们仍然遭遇到"扑灭"效应的问题, 但低背景噪音的讯号仍使他们可以清楚地解析出两个相距小于10奈米的染料分子, 而他们更宣称他们的方法应该还可以得到更高的解析度. 这个结果发表在2004年11月10日的Physical Review Letters中.

The University of Rochester in New York的Lukas Novotny表示, 这两组研究团队的结果都相当突出,
改进后的得到的影像结果都很好. 证实了用针尖去增强萤光讯号的方法在单分子的等级的作用是突出的.