【最易懂】3分鐘了解光學超分辨技術進展STED／GSD／ESA

作者：席鵬、李美琪

北京大學工學院生物醫學工程系

早在2009年，Nature Publishing Group便空前的為超分辨顯微頻繁出新專輯，足以反映光學超分辨的熱度。

那么，什么是光學超分辨？如何實現光學超分辨？

山窮水盡疑無路

顯微的發展離不開光學，而光學的發展需要三大件：理論、材料、工程。這三大件，居然在20世紀初的德國小鎮耶拿相聚了。那里有光學泰斗阿貝Ernst Karl Abbe、光學玻璃大家Otto Schott和光學工程大師Carl Zeiss。后兩人都同時進入商界，并以他們的家族名稱作為公司的名稱，至今仍是世界上數一數二的巨頭。

阿貝則深入研究了在傳統光學中，如何能夠提高分辨率，以及是否能夠無限提高分辨率的問題。光學顯微由于光束直徑有限，透鏡大小有限，會產生衍射，從而具有—個所謂的衍射極限：

這個式子也是一個點擴展函數(PSF)的半高全寬的描述。它說明如果一次把處于這個半徑里面的粒子亮起來，那用光學顯微是無法分辨它們的。所以，這個公式也就是光學顯微分辨率的描述。

當大部分人對此陷入絕望與沉默，29歲的Stefan Hell提出：既然一次都亮起來不行，那我把其中—些弄滅可不可以？

2014年Nobel化學獎授予超分辨顯微鏡，中間那位是Stefan Hell

STED--You jump，I jump

Stefan Hell提出：是否可以通過兩步的方法來實現分辨？

這個問題如果用通俗的語言描述，就是，如果你有一根粗筆，如何用它畫細線？

你可能會想到，買塊橡皮。先畫個粗的，再擦去兩邊的多余部分，自然就是細線了。沒錯，STED用的就是這個原理。

STED，全名是Stimulated Emission Depletion，受激輻射光淬滅。如下圖所示STED系統結構示意圖，在右上角，有—副能級圖。其中，你看到紅色的箭頭和黃色的箭頭了嗎？

圖 STED系統結構示意圖

綠箭頭代表粒子從低能級S0被激發到高能級S1，然后又弛豫到亞穩態-高能級的最低點。接下來粒子會在這休息一下，這個短到幾個納秒的快樂時光被叫做粒子的壽命(lifetime)。然后粒子選擇不在S1，回到S0，正所謂“吾欲乘風歸去，又恐瓊樓玉宇，高處不勝寒......”

這大概是絕大多數電子的選擇。跳下來的時候它們會降落在S0能級的不同高處，并形成—定的分布。這個分布我們可以用發射光譜來描述其統計特性，如下圖某染料ATTO 647N的激發光譜（藍色曲線）與發射光譜（紅色曲線）。可見，粒子輻射躍遷從620-850 nm均有可能，在670 nm處幾率最大。

圖 熒光吸收與發射光譜

“這樣不好”，有一個同學突然站起來說，“看著不整齊。”他就是愛因斯坦。相信大家都看過《泰坦尼克號》，“如果Rose遇到了Jack，那么他倆會一起跳，不分你我”。后來發明的激光Laser，其中的SE就是受激輻射。正因為這整齊劃一的一躍，使得激光成為功率最強的光。

Stefan Hell則靈光一閃，提出可以把受激輻射和自發輻射分開。

先返回到剛才那個黃箭頭和紅箭頭。如果綠色箭頭引發的熒光現象的最小PSF是綠色的圓圈半徑，這時候如果給它套上—個紅色橡皮擦（粒子做受激輻射波長相同），不就剩下為數不多、居于中間的熒光了嗎？縮小點擴展函數，這不就是超分辨嗎？

選—種合適的熒光物質，按順序先給激發脈沖(2 ps左右），等它躍遷上去了馬上給—個受激輻射波長的脈沖(250 ps左右），然后用二向色鏡區分受激輻射跟自發輻射，探測過來的自發輻射信號。受激輻射越大（橡皮搖得干凈），剩下的PSF越小，也就是分辨率越高。這個就是Pulsed STED。當然，如果覺得時間控制太麻煩，其實可以都給連續信號，因為反正二向色鏡能區分，只不過擦得沒那么干凈，這個就是cw STED。

圖 共聚焦與STED的對比（圖像來源：Leica網站）

圖 麻省理工大學制作的愛因斯坦－夢露圖

你看出愛因斯坦和夢露了嗎？

釜底抽薪GSD

前面說到，STED通過類似橡皮擦的功能來將點擴展函數變小。有同學說，我不用橡皮擦，—樣能用粗筆畫細線啊。只要找兩張紙，對成一個細縫，然后再畫就可以了。生活中許多標記也是這么做的。

圖 利用粗的噴槍可以畫出非常精細的圖案，只需要—塊掩模板即可實現

但是，這和超分辨有什么聯系呢？讓我們再回頭仔細看看下方能級圖。

圖 STED和GSD的能級圖

從圖中可以看到，如果我們剛開始就把周圍的粒子通過—個強激發扔到九霄云外，讓他們自己慢慢回到—個不發光的triplet state，這時候能夠被激發的就只有中心的粒子，也就自然而然地減小了點擴展函數。這就是GSD，全名Ground state depletion，基態清空。

由于GSD是將粒子激發到高能自發輻射級，與STED強制讓粒子做受激輻射而不是自發輻射相比，其所需能量可能會小很多。2010年，Hell課題組利用鉆石中氮空穴中心實現光切換，實現了12 nm分辨率的GSD成像結果，其GSD所采用光強僅為STED的千分之—。

圖 共聚焦與GSD成像對比

沒錯，這一點成像無疑是超分辨了，但是當你挪到下一點的時候，剛才被你扔到九霄云外的粒子還沒有回來，怎么辦？這里有兩個辦法：

●笨辦法，等下去，直到它回來。這樣的話，如果粒子在T1，及沿途的時間為1 ms，則每一個像素的積分時間將不得少于1 ms，也就是做—個500 X500的圖像，你需要4分鐘以上；

●通過并行測量來加快速度。Hell組一直致力于MMM的研究，全名叫做Multiphoton Multifocal Microscopy。將這—并行成像技術應用于STED或者GSD，可十幾倍地提升成像速度。

RESOLFT刪繁就簡二月花

前面的部分，我們講到了利用STED進行先激發再擦除，或者利用GSD進行先擦除再激發，均可實現超分辨率顯微。

它們的本質是什么？有沒有別的渠道？

下圖展示了STED的能級，其中，我們要做的就是區別紅箭頭（受激輻射）和黃箭頭（自發輻射）。既然如此，把紅箭頭掰到方向跟黃箭頭相反（使其向上發展），則更容易區分。實驗上，完全可以讓粒子在激發態的時候keep going，通過Excited State Absorption（ESA）來擦除它。Hell組曾經利用ESA實現了對摻猛的量子點的超分辨。

圖 STED能級圖（左）和另一種超分辨的能級實現模式

一個箭頭，扭轉乾坤。

回答我們剛開始提出的問題本質上，這—類的方法都是抑制粒子處于激發態的幾率，也就是不讓它在S1態，不管是在搖籃中扼殺(GSD)，到達后拉下來(STED)，還是將其送上西天(ESA)。

圖 利用不同的能級躍遷模式，能夠實現點擴展函數的直接調制

這—方法被Stefan Hell稱為RESOLF（Reversible Saturable/Switchable Optical Transitions）可逆飽和/開關光躍遷。我們講到的STED/GSD/ESA都可以統—地概括在它下面。

下次，我們將介紹另外兩種獨辟蹊徑的超分辨成像機理，以及它們之間的內部聯系。