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匹兹堡——在美国物理学会（APS）上周在此举行的会议上，斯坦福大学的物理化学家W. E. Moerner展示了一种观察活细胞内部的新颖技巧。该技术可以进行三维观察，并远超所谓的衍射极限，衍射极限通常会使图像在所用光波长的一半左右变得模糊。 Moerner是今年APS的欧文·朗缪尔物理化学奖的获得者。
诸如电子显微镜之类的技术长期以来允许在纳米尺度上进行精细的成像，但是它们通常需要仔细准备要成像的物体，并且对于例如观察活细胞内部以查看那里发生的过程来说是不实用的。正如物理系学生在光学早期学到的那样，通常使用光可获得的最佳图像可以分辨出不小于光波长一半左右的特征，或者使用最短波长的可见光约为200纳米。（纳米是十亿分之一米，或约为400亿分之一英寸。）细胞中的生化结构远小于此。
“近场”光学扫描通过将带有微小窗口或孔径的屏幕放置在物体上，并在物体上扫描来建立图像，从而突破了衍射极限。但是，这种方法仅在获得屏幕后面非常接近的物体的超高分辨率图像时才成功，这些物体在“近场”范围内，该范围足够短，以至于波浪效应尚未从光中洗掉所有精细的细节。
新成像过程的第一个技巧是对单个荧光分子或荧光团发出的光进行成像。这样的光源的大小约为单个纳米。荧光团的光学图像仍然是一个几百纳米宽的斑点，但是借助当今高质量的检测系统，可以分析斑点的强度并以非常高的精度定位其中心最大值。 Moerner将其比作向下看一个小型的圆锥形火山岛。该岛屿可能只有几英里宽，但是可以分析地形并将该岛屿中心的山峰定位到数十码。
这个技巧实际上和海森堡一样古老，他在1920年代指出，给定n个光子，就可以以大约等于衍射极限的根号n分之一的精度定位电子。研究人员后来将这一思想推广到其他类型的成像。
对于非常准确地获取单点来说，这很好——例如，通过用荧光团标记蛋白质然后对荧光团进行成像来获取目标蛋白质的位置——但是对于观察两个附近的点，每个点都用荧光团标记，则没有多大用处。这两个“山峰”将非常接近并且难以分开。
因此，成像方法的第二个技巧是利用某些有机荧光团的“光开关”。这种分子可以通过一种波长的光进行光激活，然后以第二种波长发荧光，并最终被光漂白或再次关闭。研究人员无法控制细胞中哪些荧光团将被激活，但是通过发送正确的光量，他们可以确保即使在小区域中存在许多荧光团，也只有孤立的荧光团被激活。然后，他们可以对这些荧光团进行成像，直到发生光漂白为止，并重复此技巧足够多次以建立细胞中所有荧光团的图片。三个独立的小组在2006年独立提出了这个技巧。
因此，可以获得活细胞内部标记的蛋白质或其他纳米级物体的高分辨率图像，并随着时间的推移通过诸如细胞分裂之类的过程跟踪它们。（Moerner特别提到研究某种分裂成两个不同子细胞的细菌如何将不同的蛋白质发送给它的每个后代。）
但是，这种高分辨率图像仍然是平坦的二维图像。 Moerner描述的成像技术的第三个技巧增加了第三维。再次回想一下“山”——光斑，其强度中心有一个峰。用技术术语来说，它是一个所谓的点扩散函数——来自微小点光源的光的图像在通过研究人员的成像系统时如何散布开来。点扩散函数不必像理想化的火山岛那样是简单的对称小丘。相反，它可以被布置成更像哑铃的形状。此外，该函数可以根据点光源的深度“扭曲”。 Moerner将这种扭曲的哑铃形式称为双螺旋点扩散函数，原因很明显。
因此：荧光团被随机光开关以单独成像。每个荧光团“哑铃”的中心点提供了其在二维平面上的精确位置。哑铃的方向将其放置在第三维中——它沿着视线进入细胞的距离。
去年，斯里·拉玛·普拉桑纳·帕瓦尼和科罗拉多大学博尔德分校的拉斐尔·皮埃斯顿演示了具有双螺旋点扩散函数的三维成像，但是以荧光微球为目标——比单个分子大得多且亮得多。这两位研究人员以及Moerner及其合作者在3月3日的《美国国家科学院院刊》中报告说，他们已将双螺旋技术扩展到对厚聚合物样品中的单个荧光团进行成像。他们在2000纳米的深度上以大约10到20纳米的精度定位了所有三个维度上的荧光团。现在，轮到兴奋的生物学家将该技术应用于研究实际的细胞了。
W. E. Moerner的照片：斯坦福大学